Кіріспе

Генетика – тірі организмдердегі гендерді, тұқым қуалаушылықты және өзгергіштікті зерттейтін ғылым. Бұл биологияның маңызды саласы, себебі тұқым қуалау организмдердің эволюциясы үшін өте маңызды. 19-ғасырда Брно қаласында жұмыс істеген моравиялық августиндік монах Грегор Мендель генетиканы ғылыми тұрғыда зерттеген алғашқы адам болды. Мендель «белгілердің мұрагерлігін» зерттеді, ата-аналардан ұрпаққа белгілердің уақыт өте келе берілуінің заңдылықтарын анықтады. Ол организмдердің (бұршақ өсімдіктерінің) белгілі бір «мұрагерлік бірліктері» арқылы белгілерді мұраға алатынын байқады. Бұл термин бүгінге дейін қолданылып келеді және ген деп аталатын нәрсенің шамалы түсініксіз анықтамасы болып табылады. Белгілердің мұрагерлігі және гендердің молекулалық мұрагерлік механизмдері 21-ғасырда да генетиканың негізгі принциптері болып табылады, бірақ қазіргі заманғы генетика гендердің функциясы мен мінез-құлқының зерттелуіне қарай кеңейді. Гендердің құрылымы мен функциясы, өзгергіштігі және таралуы жасуша, организм (мысалы, доминанттылық) және популяция контекстінде зерттеледі. Генетика молекулалық генетика, эпигенетика және популяциялық генетика сияқты бірнеше кіші салаларды тудырды. Өмірдің барлық домендеріндегі (археялар, бактериялар және эукариоталар) организмдер кең ауқымда зерттеледі. Генетикалық процестер организмнің ортасымен және тәжірибесімен бірлесіп, даму мен мінез-құлыққа әсер етеді, бұл көбінесе «табиғат пен тәрбие» деп аталады. Тірі жасушаның немесе организмнің ішкі немесе сыртқы ортасы геннің транскрипциясын арттыруы немесе азайтуы мүмкін. Классикалық мысал – генетикалық жағынан бірдей екі жүгері тұқымы, біреуі қоңыржай климатқа, екіншісі құрғақ климатқа (жеткілікті су тасқыны немесе жаңбыр болмаған жағдайға) отырғызылған. Екі жүгері сабағының орташа биіктігі генетикалық тұрғыдан бірдей болғанымен, құрғақ климаттағысы су мен қоректік заттардың жетіспеуіне байланысты қоңыржай климаттағыдан екі есе төмен өседі.

Этимология

Генетика сөзі ежелгі грек тіліндегі γενετικός genetikos сөзінен шыққан, ол "туынды" / "жаратушы" мағынасын білдіреді, ал ол өз кезегінде γένεσις - "тегі" немесе "бастау" деген мағынаны білдіретін генезис сөзінен туындаған.

Тарих

Тірі организмдердің ата-аналарынан белгілер мұраға қалуы туралы байқаулар ежелгі заманнан бері селекциялық шаралар арқылы егіс дақылдары мен жануарларды жақсарту үшін қолданылып келген. Осы процесті түсінуге ұмтылған қазіргі заманғы генетика ғылымы 19 ғасырдың ортасында августиндік монах Грегор Мендельдің еңбегімен басталды. Мендельге дейін, Кёсхегте тұрған венгр ақсұлуы Имре Фестетикс тұңғыш рет мұрагерлік контекстінде «генетикалық» сөзін қолданды. Ол 1819 жылы жарық көрген «Жаратылыстың генетикалық заңдары» атты еңбегінде биологиялық мұрагерлікке қатысты бірнеше ережені сипаттады. Үшінші заңында ол мутацияның негізгі принциптерін жасады (оны Хьюго де Вристің алдастығы деп санауға болады). Фестетикс мал, өсімдіктер және адамдар ұрпақтарында байқалатын өзгерістердің ғылыми заңдардың нәтижесі екенін айтты. Фестетикс эмпирикалық тұрғыдан организмдердің өзіне тән ерекшеліктерді иеленбей, мұраға алатынын дәлелдеді. Ол бұрынғы ұрпақтардың белгілері кейін қайта пайда болуы мүмкін екенін және организмдер әртүрлі қасиеттері бар ұрпақтар тудыруы мүмкін екенін болжап, рецессивті белгілер мен туа біткен айырмашылықтарды мойындады. Бұл байқаулар Мендельдің бөлшектік мұрагерлік теориясына маңызды кіріспе болды, себебі ол мұрагерліктің мифтен ғылыми дисциплинаға өтуіне көмектесті, 20 ғасырда генетиканың негізгі теориялық базасын құрады. Мендельдің жұмысына дейін мұрагерлік туралы басқа да теориялар болды. 19 ғасырда танымал болған теория, Чарльз Дарвиннің 1859 жылы жарық көрген «Түрлердің пайда болуы» еңбегінде айтылған араласу мұрагерлігі болды: жеке тұлғалар ата-аналарынан белгілердің тегіс араласуын мұраға алады деген идея. Мендельдің жұмысы гибридтеуден кейін белгілердің міндетті түрде араласпайтынын көрсететін мысалдар келтірді, белгілердің үздіксіз араласудан гөрі, ерекше гендердің комбинациялары арқылы пайда болатынын көрсетті. Ұрпақтағы белгілердің араласуы қазір сандық әсері бар бірнеше геннің әрекетімен түсіндіріледі. Сол кезде қолдау тапқан тағы бір теория – қабылданған белгілердің мұрагерлігі болды: жеке тұлғалардың ата-аналарынан күшейтілген белгілерді мұраға алады деген сенім. Бұл теория (көбінесе Жан Батист Ламаркпен байланысты) қазір қате екені белгілі – жеке тұлғалардың өмірлік тәжірибесі олардың балаларына беретін гендеріне әсер етпейді. Басқа теорияларға Дарвиннің пангенезісі (ол қабылданған және мұрагерлік аспектілерді де қамтиды) және Фрэнсис Гальтонның пангенезді бөлшектік және мұрагерлік ретінде қайта құруы кірді.

Мендельдік генетика

Қазіргі заманғы генетика Мендельдің өсімдіктердегі мұрагерлік заңдылықтарын зерттеуімен басталды. 1865 жылы Брнодағы Naturforschender Verein (Табиғатты зерттеу қоғамы) -на ұсынған "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Өсімдік гибридтері бойынша тәжірибелер") атты жұмысында Мендель бұршақ өсімдіктеріндегі белгілі бір қасиеттердің мұрагерлік үлгілерін анықтап, оларды математикалық тұрғыдан сипаттады. Бұл мұрагерлік үлгі тек бірнеше қасиеттерде ғана байқалуы мүмкін болса да, Мендельдің жұмысы мұрагерлік белгілі бір бөліктерден тұратынын, олар қоршаған ортаның әсерінен пайда болмайтынын және көптеген қасиеттердің мұрагерлік үлгілерін қарапайым ережелер мен пропорциялар арқылы түсіндіруге болатынын көрсетті. Мендельдің жұмысының маңыздылығы оның өлімінен кейін, 1900 жылы Гюго де Врис және басқа ғалымдар оның зерттеулерін қайта ашқанға дейін толыққанды түсінік алған жоқ. Мендельдің еңбегін қолдаған Уильям Бейтсон 1905 жылы "генетика" сөзін енгізді. (Генетикалық сөзі зат есімнен бұрын пайда болған және 1860 жылы биологиялық мағынада алғаш рет қолданылған.) Бейтсон ғалымдарға ұстаздық жасады және Кембридждегі Ньюнхэм колледжінің басқа ғалымдарының, атап айтқанда Бекки Сондерс, Нора Дарвин Барлоу және Мюриэл Уэлдейл Онслоутың жұмыстары оған зор көмек берді. Бейтсон 1906 жылы Лондондағы Өсімдіктердің будандастырылуы жөніндегі үшінші халықаралық конференциядағы ашылу сөзінде мұрагерліктерді зерттеуді сипаттау үшін "генетика" сөзін қолдануды кеңінен танымал етті. Мендельдің жұмысы қайта ашылғаннан кейін ғалымдар жасушадағы қай молекулалар мұрагерлікке жауапты екенін анықтауға тырысты. 1900 жылы Нети Стивенс ұн құрттарын зерттеуді бастады. Келесі 11 жылда ол әйелдерде тек X хромосомасы, ал ерлерде X және Y хромосомалары бар екенін анықтады. 1913 жылы оның шәкірті Альфред Стюртевант гендердің хромосомада сызықтық түрде орналасқанын көрсету үшін генетикалық байланыс құбылысын пайдаланды.

Молекулалық генетика

Гендер хромосомаларда бар екені белгілі болғанмен, хромосомалар ақуыз бен ДНК-дан тұрады, ал ғалымдар мұрагерлік үшін қайсысының жауапты екенін білмеді. 1928 жылы Фредерик Гриффит трансформация құбылысын ашты: өлген бактериялар басқа тірі бактерияларды "өзгерту" үшін генетикалық материалды беруге қабілетті. Ал он алты жылдан кейін, 1944 жылы, Эвери-МакЛеод-МакКарти эксперименті ДНК-ны трансформацияға жауапты молекула ретінде анықтады. Ядроның эукариоттардағы генетикалық ақпаратты сақтау орны ретіндегі рөлі 1943 жылы Хеммерлингтың бір жасушалы балдыр *Ацетабулярия* туралы жұмысында белгілі болды. 1952 жылы Херши-Чейз эксперименті бактерияларды жұқтыратын вирустардың генетикалық материалы ДНК (ақуыз емес) екенін растады, бұл ДНК-ның мұрагерлікке жауапты молекула екеніне қосымша дәлел болды. Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик 1953 жылы Розалинд Франклин мен Морис Уилкинстің рентгендік кристаллографиялық жұмыстарын пайдаланып, ДНК-ның спиральді құрылымы бар екенін көрсетті (яғни, тығын тәрізді бұралып келген пішінде). Олардың қос спиральды моделінде екі ДНК таспасы бар, олардың әрқайсысы екінші таспадағы толыққанды нуклеотидке сәйкес келеді, бұл бұралып келген баспақыштар сияқты көрінеді. Бұл құрылым генетикалық ақпараттың әр ДНК таспасындағы нуклеотидтер тізбегінде сақталатынын көрсетті. Сондай-ақ, бұл құрылым репликацияның қарапайым механизмін ұсынды: егер таспалар бөлінсе, ескі таспаның тізбегіне сүйене отырып, әрқайсысы үшін жаңа серік таспаларды қайта құруға болады. Осы қасиет ДНК-ға жартылай консервативті сипат береді, онда жаңа ДНК-ның бір таспасы бастапқы аналық таспадан алынған. ДНК құрылымы мұрагерлік қалай жұмыс істейтінін көрсеткенімен, ДНК жасушалардың қызметіне қалай әсер ететіні белгісіз болды. Келесі жылдары ғалымдар ДНК ақуыз өндірісі процесін қалай басқаратынын түсінуге тырысты. Жасуша ДНК-ны үлгі ретінде пайдаланып, ДНК-ға өте ұқсас нуклеотидтерден тұратын жарғышы РНК-ны жасайтыны анықталды. Жарғышы РНК-ның нуклеотидтік тізбегі ақуыздағы аминқышқылдар тізбегін құру үшін қолданылады; нуклеотидтік және аминқышқылдар тізбектері арасындағы бұл аударма генетикалық код деп аталады. Мұрагерлік туралы жаңа молекулалық түсінік зерттеулердің өркендеуіне әкелді. 1973 жылы Томоко Ота молекулалық эволюцияның бейтарап теориясын толықтырды, осылайша молекулалық эволюцияның дерлік бейтарап теориясын жариялады. Бұл теорияда Ота табиғи іріктеу мен қоршаған ортаның генетикалық эволюцияның қарқынына тигізетін әсерін атап өтті. Маңызды жетістіктердің бірі – 1977 жылы Фредерик Сэнгердің тізбектерді аяқтау арқылы ДНК тізбегін анықтауы болды. Бұл технология ғалымдарға ДНК молекуласының нуклеотидтік тізбегін оқуға мүмкіндік береді. 1983 жылы Кэри Бэнкс Муллис полимераза тізбектік реакциясын (ПТР) ойлап тапты, бұл қоспадан ДНК-ның белгілі бір бөлігін оқшаулау және көбейтудің жылдам әдісін қамтамасыз етті. Адам геномдық жобасы, Энергетика министрлігі, NIH және Celera Genomics компаниясының жекеменшік жобаларының күш-жігері 2003 жылы адам геномын тізбектеп алуға әкелді.

Дискреттік мұрагерлік және Мендель заңдары

Организмдердегі тұқым қуалаудың ең негізгі деңгейінде ата-анадан ұрпаққа гендер деп аталатын дискретті, тұқым қуалайтын бірліктер беріледі. Бұл қасиетті алғаш рет Грегор Мендель байқаған, ол бұршақ өсімдіктеріндегі тұқым қуалайтын белгілердің бөлінуін зерттеді, мысалы, бір өсімдіктің гүлдері күлгін немесе ақ болады, бірақ екі түстің арасындағы аралық түс кездеспейді. Бір геннің тұқым қуалайтын сыртқы көрінісін (фенотиптерді) анықтайтын дискретті түрлері аллельдер деп аталады. Бұршақ – диплоидты түр болғандықтан, әрбір өсімдікте әр геннің екі данасы болады, олардың біреуі әкесінен, екіншісі анасынан мұраға көшеді. Жыныстық көбейту кезінде организмдер жұбының ұрпақтары әр ата-анадан екі аллельдің біреуін кездейсоқ түрде мұраға алады. Дискретті тұқым қуалау және аллельдердің бөлінуі жөніндегі осы байқаулар жиынтығы Мендельдің бірінші заңы немесе Бөліну заңы деп аталады. Дегенмен, бір геннің екіншісіне қарағанда пайда болу ықтималдығы доминантты, рецессивті, гомозигота немесе гетерозигота гендерге байланысты өзгеруі мүмкін. Мысалы, Мендель гомозигота доминантты белгісі мен гомозигота рецессивті белгісін будандастырғанда, доминантты белгіні алу ықтималдығы 3:1 болатынын анықтады. Нағыз генетиктер теориялық ықтималдықтарды, эмпирикалық ықтималдықтарды, көбейту ережесін, қосу ережесін және тағы да басқаларын қолданып, ықтималдықтарды зерттейді және есептейді.

Жазба және диаграммалар

Генетиктер мұрагерлік белгілерін сипаттау үшін диаграммалар мен символдарды пайдаланады. Ген бір немесе бірнеше әріппен көрсетіледі. Көбінесе "+" символы геннің қалыпты, мутацияланбаған аллелін белгілеу үшін қолданылады. Ұрықтандыру және селекциялық тәжірибелерде (әсіресе Мендель заңдарын талқылағанда) ата-аналар "P" буыны, ал ұрпақтар "F1" (бірінші ұрпақ) буыны деп аталады. Егер F1 буынының ұрпақтары бір-бірімен шағылысса, алынған ұрпақтар "F2" (екінші ұрпақ) буыны деп аталады. Будандастыру нәтижесін болжау үшін қолданылатын ең көп таралған диаграммалардың бірі – Пуннетт шаршысы. Адамның генетикалық ауруларын зерттегенде генетиктер белгілердің мұрагерлігін көрсету үшін жиі тектік кестелерді қолданады. Бұл кестелер отбасы шежіресіндегі белгінің мұрагерлік жолын көрсетеді.

Бірнеше геннің өзара әрекеттесуі

Организмдерде мыңдаған гендер бар, және жыныстық көбейту арқылы көбейетін организмдерде бұл гендер көбінесе бір-бірінен тәуелсіз түрде бөлінеді. Бұл, сары немесе жасыл бұршақ түсіне жататын аллельдің мұраға қалуы, ақ немесе күлгін гүлдерге жататын аллельдің мұраға қалуымен байланысты емес дегенді білдіреді. Бұл құбылыс "Мендельдің екінші заңы" немесе "тәуелсіз бөліну заңы" деп аталады, ол әртүрлі гендердің аллельдері ата-аналар арасында араласып, көптеген әртүрлі комбинацияларды құрайтын ұрпақтарға әкеледі. Әртүрлі гендер көбінесе бір белгіге әсер ету үшін өзара әрекеттеседі. Мысалы, көк көзді Марияда (Omphalodes verna) гүлдердің түсін анықтайтын аллельдері бар ген бар: көк немесе қызғылт. Бірақ, тағы бір ген гүлдердің түсті болуын немесе ақ болуын анықтайды. Егер өсімдікте осы ақ аллельдің екі данасы болса, оның гүлдері ақ болады – алғашқы геннің көк немесе қызғылт аллельдері бар-жоғына қарамастан. Бұл гендер арасындағы өзара әрекеттесу эпистаз деп аталады, онда екінші ген бірінші генге эпистаздық болады. Көптеген белгілер дискретті емес (мысалы, қызғылт немесе ақ гүлдер), олар үздіксіз белгілер болып табылады (мысалы, адамның бойы және терісінің түсі). Бұл күрделі белгілер көптеген гендердің нәтижесінде пайда болады. Бұл гендердің әсері организмнің өмір сүрген ортасымен әртүрлі дәрежеде байланысты. Организмнің гендері күрделі белгіге қаншалықты үлес қосатыны тұқым қуалаушылық деп аталады. Белгінің тұқым қуалаушылығын өлшеу салыстырмалы болып табылады – ортадағы өзгерімдер көп болғанда, ортаның белгінің жалпы өзгеруіне тигізетін әсері үлкенірек болады. Мысалы, адамның бойы күрделі себептерге байланысты белгі. АҚШ-та оның тұқым қуалаушылығы 89% құрайды. Нигерияда, алайда, адамдардың дұрыс тамақтануға және денсаулық сақтауға қол жеткізуі әртүрлі болғандықтан, бойдың тұқым қуалаушылығы тек 62% құрайды.

ДНК және хромосомалар

Гендердің молекулалық негізі - дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК). ДНК дезоксирибозадан (қант молекуласы), фосфат тобынан және негізден (амин тобы) тұрады. Төрт түрлі негіз бар: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) және тимин (Т). Фосфаттар қанттармен сутекті байланыс арқылы ұзын фосфат-қант тізбектерін құрайды. Негіздер екі тізбек арасында нақты жұптасады (T&A, C&G) және баспақы сатысына ұқсайды. Негіздер, фосфаттар және қанттар бірге нуклеотидті құрайды, ол ДНК-ның ұзын тізбегін жасау үшін бірігеді. Генетикалық ақпарат осы нуклеотидтердің тізбегінде сақталады, ал гендер ДНК тізбегі бойындағы тізбектер ретінде кездеседі. Бұл тізбектер қос спиральды құрылымға оралып, гистондар деп аталатын ақуыздардың айналасын орайды, олар құрылымдық қолдауды қамтамасыз етеді. Гистондармен оралған ДНК хромосомалар деп аталады. Вирустар кейде ДНК орнына ұқсас РНК молекуласын генетикалық материал ретінде пайдаланады. ДНК әдетте екі бұрандалы молекула түрінде болады. ДНК-дағы әрбір нуклеотид қарсы тізбектегі өзінің жұптас нуклеотидімен жұптасады: А – T, ал С – G. Осылайша, екі тізбекті түрінде әрбір тізбек өзінің жұптас тізбегімен бірге барлық қажетті ақпаратты қамтиды. ДНК-ның осы құрылымы – мұрагерлікке физикалық негіз: ДНК репликациясы генетикалық ақпаратты тізбектерді бөліп, әр тізбекті жаңа жұптас тізбекті синтездеу үшін қалыптық үлгі ретінде пайдалана отырып көшіреді. Гендер ДНК негіздері жұптарының тізбектері бойында сызықтық түрде орналасады. Бактерияларда әрбір жасушада әдетте бір ғана дөңгелек генофор болады, ал эукариотты организмдерде (өсімдіктер мен жануарлар сияқты) олардың ДНК-сы бірнеше сызықтық хромосомалар бойынша орналасады. Бұл ДНК тізбектері өте ұзын болуы мүмкін; мысалы, ең үлкен адам хромосомасының ұзындығы шамамен 247 миллион негіз жұбын құрайды. Хромосоманың ДНК-сы ДНК-ға қол жеткізуді ұйымдастыратын, тығыздайтын және бақылайтын құрылымдық белоктармен байланысты, нәтижесінде хроматин деп аталатын материал пайда болады; эукариоттарда хроматин әдетте нуклеосомалардан тұрады, ДНК сегменттері гистон белоктарының ядросының айналасына оралған. Организмдегі мұрагерлік материалдың толық жиынтығы (әдетте барлық хромосомалардың біріктірілген ДНК тізбектері) геном деп аталады. ДНК көбінесе жасуша ядросында табылса да, Рут Сейгер ядродан тыс хромосомалық емес гендерді ашуға көмектесті. Өсімдіктерде олар көбінесе хлоропластарда, ал басқа организмдерде митохондрияларда кездеседі. Көптеген түрлерде организмнің жынысын анықтайтын жыныстық хромосомалар бар. Адамда және басқа да көптеген жануарларда Y хромосомасы еркек ерекшеліктерін дамытуға ықпал ететін генді қамтиды. Эволюция барысында бұл хромосома мазмұнының көп бөлігін, соның ішінде көптеген гендерін жоғалтты, ал X хромосомасы басқа хромосомаларға ұқсас және көптеген гендерді қамтиды. Мэри Фрэнсис Лайон репродукция кезінде X хромосомасының белсенділігін төмендетуді анықтады, бұл ұрпаққа екі есе көп гендерді беруден сақтану үшін қажет. Лайонның бұл жаңалығы X хромосомасына байланысты аурулардың ашылуына әкелді. Эукариотты организмдер көбінесе екі түрлі ата-анадан мұрагерлік берілген генетикалық материалдың қоспасын қамтитын ұрпақ жасау үшін жыныстық көбеюді пайдаланады. Жыныстық көбею процесі геномның бір данасын (гаплоидты) және екі данасын (диплоидты) қамтитын нысандар арасында ауысады. Бактериялар жыныстық көбеюдің гаплоидты/диплоидты әдісін қолданбаса да, жаңа генетикалық ақпаратты алудың көптеген тәсілдеріне ие. Кейбір бактериялар конъюгацияға ұшырап, ДНК-ның кішкентай дөңгелек бөлігін басқа бактерияға жібере алады. Бактериялар қоршаған ортадан алынған шикі ДНК фрагменттерін де қабылдап, оларды өздерінің геномдарына енгізе алады, бұл құбылыс трансформация деп аталады. Бұл процестер гендердің көлденең берілуіне әкеледі, яғни генетикалық ақпараттың фрагменттерін басқа жағдайда туыс емес организмдер арасында беруге мүмкіндік береді. Табиғи бактериялық трансформация көптеген бактериялық түрлерде кездеседі және оны ДНК-ны бір жасушадан екінші жасушаға (әдетте бір түрге) берудің жыныстық процесі ретінде қарастыруға болады. Трансформация көптеген бактериялық ген өнімдерінің қатысуын қажет етеді, ал оның негізгі бейімделу функциясы қабылдаушы жасушадағы ДНК зақымдануын жөндеу болып табылады. Хромосомалық кроссингтің бұл процесі әдетте мейоз кезінде, яғни гаплоидты жасушаларды құрайтын жасушалардың бөлінуінің сериясында жүреді. Микробты эукариоттардағы мейоздық рекомбинация ДНК зақымдануын жөндеудің бейімделу функциясын атқаратын сияқты. Хромосомадағы екі белгілі нүкте арасында кроссингтің болу ықтималдығы олардың арақашықтығымен байланысты. Кез келген ұзын қашықтық үшін кроссинг ықтималдығы жоғары, сондықтан гендердің мұрагерлігі тиімді түрде корреляцияланбайды. Алайда, жақын орналасқан гендер үшін төмендеген кроссинг ықтималдығы гендердің генетикалық байланысын көрсетеді; екі геннің аллельдері бірге мұрагерлікке ие болуға бейім. Гендер тізбегіндегі байланыс мөлшерін хромосома бойындағы гендердің орналасуын шамамен сипаттайтын сызықтық байланыс картасын құру үшін біріктіруге болады.

Генетикалық код

Гендер функционалдық әсерін белоктар арқылы іске асырады, ал бұл молекулалар жасушадағы көптеген функциялар үшін жауапты. Белоктар бір немесе бірнеше полипептидтік тізбектерден тұрады, олардың әрқайсысы аминқышқылдарының тізбегінен құралған. Геннің ДНҚ тізбегі белгілі бір аминқышқылдарының тізбегін жасау үшін қолданылады. Бұл процесс геннің ДНҚ тізбегіне сәйкес РНК молекуласын жасаудан басталады, бұл процесс транскрипция деп аталады. Содан кейін бұл РНК молекуласы трансляция процесі арқылы сәйкес аминқышқылдарының тізбегін жасайды. Тізбектегі үш нуклеотидтен тұратын топ – кодон, ақуыздағы жиырма мүмкін аминқышқылының біріне немесе аминқышқылдарының тізбегін тоқтату туралы нұсқауға сәйкес келеді; мұндай сәйкестік генетикалық код деп аталады. Ақпарат ағыны бір бағытты: ақпарат нуклеотидтік тізбектерден ақуыздардың аминқышқылдық тізбегіне беріледі, бірақ ол ешқашан ақуыздан ДНҚ тізбегіне кері қайтпайды – бұл құбылысты Фрэнсис Крик молекулалық биологияның орталық догмасы деп атады. Аминқышқылдарының нақты тізбегі сол белок үшін ерекше үш өлшемді құрылымға әкеледі, ал белоктардың үш өлшемді құрылымдары олардың функцияларымен байланысты. Кейбіреулері қарапайым құрылымдық молекулалар, мысалы, белоктың құрамындағы коллагеннен жасалған талшықтар. Белоктар басқа белоктармен және қарапайым молекулалармен байланыса алады, кейде ферменттер ретінде әрекет етеді, байланысқан молекулалар ішінде химиялық реакцияларды жеңілдетеді (белоктың өзінің құрылымын өзгертпей). Белок құрылымы динамикалық; гемоглобин ақуызы сүтқоректілердің қанындағы оттегі молекулаларын ұстауға, тасымалдауға және босатуға көмектесетінін ескерсек, ол сәл өзгеше формаларға ие болады. ДНҚ-дағы бір нуклеотидтік айырмашылық белоктың аминқышқылдарының тізбегінде өзгеруге әкелуі мүмкін. Белок құрылымы олардың аминқышқылдық тізбегінің нәтижесі болғандықтан, кейбір өзгерістер белоктың құрылымын тұрақсыздандыру арқылы немесе белоктың бетін басқа белоктар мен молекулалармен өзара әрекеттесуін өзгертетіндей етіп өзгерту арқылы белоктың қасиеттерін күрт өзгерте алады. Мысалы, серпалы жасушалы анемия – гемоглобиннің β-глобин бөлігінің кодтау аймағындағы бір негіздік айырмашылықтан туындайтын, гемоглобиннің физикалық қасиеттерін өзгертетін бір ғана аминқышқылының өзгеруіне әкелетін адам генетикалық ауруы. Серпалы гемоглобиннің нұсқалары бір-біріне жабысып, белокты тасымалдайтын қызыл қан жасушаларының пішінін бұзатын талшықтар құрайды. Бұл серпалы жасушалар қан тамырлары арқылы тегіс ағып кетпейді, олар біте қалады немесе бұзылады, бұл аурумен байланысты медициналық проблемаларды тудырады. Кейбір ДНҚ тізбектері РНК-ға транскрипцияланады, бірақ ақуыз өнімдеріне аударылмайды – мұндай РНК молекулалары кодтамайтын РНК деп аталады. Кейбір жағдайларда бұл өнімдер жасушаның маңызды функцияларына қатысатын құрылымдарға (мысалы, рибосомалық РНК және трансферттік РНК) бүктеледі. РНК басқа РНК молекулаларымен (мысалы, микроРНК) гибридтеу арқылы реттеуші әсерлерге де ие бола алады.

Табиғат және тәрбие

Гендер организмнің жұмыс істеуі үшін қажетті барлық ақпаратты қамтиды, бірақ организмнің көрсететін түпкілікті фенотипін анықтауда қоршаған орта маңызды рөл атқарады. "Табиғат пен тәрбие" деген сөз тіркесі осы толықтыратын қатынасты көрсетеді. Организмнің фенотипі гендер мен қоршаған ортаның өзара әрекеттесуіне байланысты. Қызықты мысал – сиам мысығының түсі. Бұл жағдайда, қоршаған ортаның рөлі мысықтың дене температурасымен анықталады. Мысықтың гендері қара түске кодталады, сондықтан мысықтың түк шығаратын жасушалары қара түк құруға қажетті жасушалық ақуыздарды синтездейді. Бірақ, осы қара түк құратын ақуыздар температураға сезімтал (яғни, температураға сезімталдық тудыратын мутацияға ие) және жоғары температурада денатурацияланып, мысықтың дене температурасы жоғары болатын жерлерде қара пигмент өндіре алмайды. Алайда, төмен температурада ақуыздың құрылымы тұрақты болып қалады және қара түсті пигментті қалыпты түрде өндіреді. Ақуыз денесінің суық бөліктерінде – мысалы, аяқтарында, құлақтарында, құйрығында және бетінде – функционалды болып қалады, сондықтан мысықтың денесінің шеттерінде қара түк болады. Фенилкетонурия деген адамның генетикалық ауруының әсерлерінде қоршаған ортаның үлкен рөлі бар. Фенилкетонурияны тудыратын мутация организмнің фенилаланин аминқышқылын ыдырата алу қабілетін бұзады, нәтижесінде уытты аралық молекула жинақталады, ол прогрессивті зиякерлік кемістік пен ұстамалар сияқты ауыр симптомдарға әкеледі. Дегенмен, егер фенилкетонурия мутациясы бар адам осы аминқышқылынан аулақ болатын қатаң диета сақтаса, ол қалыпты және дені сау болып қалады. Генетикалық және қоршаған ортаның ("табиғат пен тәрбие") фенотипке қалай әсер ететінін анықтаудың бір әдеттегі тәсілі – біртекті және әртүрлі егіздерді немесе көп туған басқа да туыстарды зерттеу. Біртекті егіздер генетикалық тұрғыдан бірдей, өйткені олар бір зиготадан пайда болған. Ал әртүрлі егіздер бір-бірінен генетикалық тұрғыдан, тіпті басқа туыстар сияқты ерекшеленеді. Бір тәрізді егіздердегі белгілі бір аурудың қанша рет кездесетінін, әртүрлі егіздердегі осы аурудың кездесу жиілігімен салыстыру арқылы ғалымдар бұл аурудың генетикалық немесе туғаннан кейінгі қоршаған орта факторларынан туындағанын анықтай алады. Белгілі бір мысал – Генайн төрттігінің зерттеуі. Олар бірдей төрттік еді және барлығына шизофрения диагнозы қойылған.

Гендік реттеу

Бір организмнің геномында мыңдаған гендер бар, бірақ олардың бәрі бір уақытта белсенді болуы міндетті емес. Ген, РНҚ-ға транскрипцияланғанда экспрессияланады және гендердің экспрессиясын бақылаудың көптеген жасушалық әдістері бар, сондықтан ақуыздар жасушаға қажет болған кезде ғана өндіріледі. Транскрипция факторлары – геннің транскрипциясын ынталандыратын немесе тежейтін ДНК-ға байланысатын реттеуші ақуыздар. Мысалы, Escherichia coli бактериясының геномында аминқышқылы триптофанды синтездеуге қажетті гендер тізбегі бар. Бірақ, егер триптофан жасушаға қолжетімді болса, триптофан синтезіне қатысты бұл гендер енді қажет емес. Триптофанның болуы гендердің белсенділігіне тікелей әсер етеді – триптофан молекулалары триптофан репрессорына (транскрипция факторына) байланысады, бұл репрессордың құрылымын өзгертеді және репрессор гендерге байланысады. Триптофан репрессоры гендердің транскрипциясы мен экспрессиясын тоқтатады, осылайша триптофан синтезі процесіне теріс кері байланыс реттелуін қамтамасыз етеді. Гендік экспрессиядағы айырмашылықтар ең айқын түрде көпжасушалы организмдерде көрінеді, онда барлық жасушалар бірдей геномды қамтиды, бірақ әртүрлі гендер жиынтығының экспрессиясына байланысты өте әртүрлі құрылымдар мен мінез-құлықтарға ие. Көпжасушалы организмдегі барлық жасушалар бір жасушадан пайда болады, сыртқы және жасушаішілік сигналдарға жауап ретінде әртүрлі жасуша түрлеріне дифференциалданады және әртүрлі мінез-құлықтарды құру үшін гендік экспрессияның әртүрлі үлгілерін біртіндеп қалыптастырады. Көпжасушалы организмдердегі құрылымдардың дамуына ешбір жеке ген жауапты емес, сондықтан бұл үлгілер көптеген жасушалар арасындағы күрделі өзара әрекеттесулер нәтижесінде пайда болады. Эукариоттарда хроматиннің құрылымдық ерекшеліктері бар, олар гендердің транскрипциясына әсер етеді, көбінесе ДНК мен хроматиннің өзгертулері түрінде, олар қыз жасушаларға тұрақты түрде мұрагерлік болып беріледі. Бұл ерекшеліктер «эпигенетикалық» деп аталады, өйткені олар ДНК тізбегінің «үстінде» орналасқан және бір жасушадан екіншісіне мұрагерлікпен жалғасады. Эпигенетикалық ерекшеліктердің арқасында, бір ортада өсірілген әртүрлі жасуша түрлері өте әртүрлі қасиеттерді сақтай алады. Эпигенетикалық ерекшеліктер даму барысында динамикалық бола тұра, кейбіреулері, мысалы, парамутация құбылысы, бірнеше буынға мұрагерлікпен беріледі және ДНК-ның мұрагерлік негізіне сирек кездесетін ерекшеліктер болып табылады.

Мутация

ДНҚ репликациясы процесінде екінші тізбектің полимерленуі кезінде кейде қателер пайда болады. Мутация деп аталатын бұл қателер организмнің фенотипіне әсер етуі мүмкін, әсіресе егер олар геннің ақуыздық кодтау тізбегінде туындаса. Қателік деңгейі әдетте өте төмен – 10–100 миллион негізге 1 қате – бұл ДНҚ полимеразаларының "тексеру" қабілетіне байланысты. ДНҚ-дағы өзгерістердің жылдамдығын арттыратын процестер мутагендік деп аталады: мутагендік химиялық заттар ДНҚ репликациясында қателерді тудырады, көбінесе базалық жұптасу құрылымын бұзып, ал ультракүлгін сәулелену ДНҚ құрылымына зақым келтіру арқылы мутацияларды шақырады. ДНҚ-ның химиялық зақымдануы табиғи түрде де жүреді, ал жасушалар сәйкессіздіктер мен үзілістерді жөндеу үшін ДНҚ жөндеу механизмдерін пайдаланады. Дегенмен, жөндеу әрқашан бастапқы тізбекті толыққанды қалпына келтірмейді. ДНК зақымдануының маңызды көзі – жасушалық аэробтық тыныс алу нәтижесінде түзілетін реактивті оттегі түрлері болып табылады, олар мутацияларға әкелуі мүмкін. ДНК алмасу және гендерді қайта біріктіру үшін хромосомалық кроссингті пайдаланатын организмдерде мейоз кезінде дұрыс емес сәйкестендіру де мутацияларға себеп болуы мүмкін. Кроссингтегі қателер, әсіресе, ұқсас тізбектердің әсерінен жұптас хромосомалардың қате сәйкестенуіне ұшырағанда жиі кездеседі; бұл геномдардың кейбір аймақтарын осылай мутацияға бейім етеді. Бұл қателер ДНҚ тізбегінде үлкен құрылымдық өзгерістерге алып келеді: дубликациялар, инверсиялар, толық аймақтардың жойылуы немесе әртүрлі хромосомалар арасында тізбек бөліктерінің кездейсоқ алмасуы – хромосомалық транслокация.

Табиғи іріктеу және эволюция

Мутация ағзаның генотипін өзгертеді, және кейде бұл әртүрлі фенотиптердің пайда болуына себеп болады. Көптеген мутациялар ағзаның фенотипіне, денсаулығына немесе көбелекке жарамдылығына аз әсер етеді. Әсер ететін мутациялар көбінесе зиянды болады, бірақ кейде олардың арасында пайдалылары да кездеседі. Drosophila melanogaster шыбығындағы зерттеулер көрсеткендей, егер мутация ген өндіретін белокты өзгертетін болса, осы мутациялардың шамамен 70 пайызы зиянды, ал қалғаны бейтарап немесе аз пайдалы болады. Популяциялық генетика популяция ішіндегі генетикалық айырмашылықтардың таралуын және осы таралулардың уақыт өте қалай өзгеретінін зерттейді. Популяциядағы аллельдің жиілігінің өзгеруіне негізінен табиғи іріктеу әсер етеді, онда белгілі бір аллель ағзаға іріктеулік немесе көбелекке артықшылық береді, сондай-ақ мутация, генетикалық дрейф, генетикалық серуендеу, жасанды іріктеу және көші-қон сияқты басқа факторлар да әсер етеді. Көптеген буын қатарынан өтетін организмдердің геномдары айтарлықтай өзгеріп, эволюцияға алып келеді. Адаптация процесінде пайдалы мутацияларға іріктеу жасау түрдің өз ортасында жақсырақ тіршілік етуге бейімделген формаларға эволюциялануына себеп болуы мүмкін. Жаңа түрлер түрлену процесі арқылы қалыптасады, көбінесе популяциялардың бір-бірімен гендер алмасуына кедергі келтіретін географиялық оқшауланудан туындайды. Әртүрлі түрлердің геномдарының гомологиясын салыстыру арқылы олардың арасындағы эволюциялық қашықтықты және олардың қашан айырылғанын анықтауға болады. Генетикалық салыстырулар, әдетте, фенотиптік ерекшеліктерді салыстыруға қарағанда түрлер арасындағы туыстықты анықтаудың дәлірек әдісі болып саналады. Түрлер арасындағы эволюциялық қашықтықты эволюциялық ағаштар құру үшін пайдалануға болады; бұл ағаштар түрлердің уақыт өте келе ортақ тегінен шығуы мен айырмашылығын көрсетеді, бірақ олар туыс емес түрлер арасындағы генетикалық материалдың (горизонтальді геннің ауысуы деп аталады және бактерияларда көп кездеседі) берілуін көрсетпейді.

Үлгілік организмдер

Генетиктер бастапқыда тұқым қуалауды алуан түрлі организмдерде зерттегенімен, зерттелетін түрлердің шеңбері тарылды. Мұның бір себебі – егер белгілі бір организмге қатысты маңызды зерттеулер болған жағдайда, жаңа зерттеушілер оны одан әрі зерттеуге бейімді болады, нәтижесінде бірнеше модельді организмдер генетикалық зерттеулердің басым бөлігіне негіз болды. Модельді организмдер генетикасындағы негізгі зерттеу тақырыптарына гендік реттелуді және гендердің даму мен қатерлі ісік процесіне қатысуын зерттеу кіреді. Организмдердің таңдалуының бір себебі – олардың қолдануға ыңғайлы болуында: қысқа өмірлік цикл және оңай генетикалық өзгертуге болатындығы кейбір организмдерді генетикалық зерттеулерде кеңінен қолданылатын құралға айналдырды. Көп қолданылатын модельді организмдерге ішек бактериясы Escherichia coli, Arabidopsis thaliana өсімдігі, нан ашытқысы (Saccharomyces cerevisiae), Caenorhabditis elegans нематодасы, үй шыбығы (Drosophila melanogaster), зебра балығы (Danio rerio) және үй тышқаны (Mus musculus) жатады.

Медицина

Медициналық генетика генетикалық өзгерістің адам денсаулығы мен ауруларына қалай қатысты екенін түсінуге бағытталған. Ауруға қатысы болуы мүмкін белгісіз генді іздеу кезінде зерттеушілер әдетте генетикалық байланыс және генеалогиялық кестелерді пайдаланып, геномдағы аурумен байланысты орнына анықтауға тырысады. Халық деңгейінде зерттеушілер мендельдік рандомизация әдісін қолданады, ол геномдағы аурулармен байланысты аймақтарды анықтауға мүмкіндік береді, бұл әдіс бір генмен анықталмайтын көпгендік белгілер үшін ерекше пайдалы. Ұсынылған ген табылғаннан кейін, әдетте модельдік организмдердің сәйкес (немесе гомологты) гендері зерттеледі. Генетикалық ауруларды зерттеуден өзге, генотипілеу әдістерінің кеңеюі фармакогенетика саласының дамуына әкелді: генотиптің дәрілерге реакцияға қалай әсер ететінін зерттеу. Адамдардың қатерлі ісікке бейімділігі әртүрлі, ал қатерлі ісік – генетикалық ауру. Денедегі қатерлі ісік дамуы – бірнеше оқиғалардың жиынтығы. Жасушалар бөлінетін кезде денеде спорадикалық мутациялар пайда болады. Бұл мутациялар ұрпаққа берілмейді, бірақ жасушалардың мінез-құлқына әсер етіп, олардың жиірек өсуіне және бөлінуіне себеп болуы мүмкін. Бұл процесті тоқтатуға бағытталған биологиялық механизмдер бар; дұрыс бөлінбеген жасушаларға жасуша өліміне әкелуі тиіс сигналдар жіберіледі, бірақ кейде жасушалардың бұл сигналдарды елемеуіне себеп болатын қосымша мутациялар пайда болады. Денеде табиғи іріктеу процесі жүреді, содан кейін мутациялар жасушаларда жинақталып, олардың өсуін ынталандырады, нәтижесінде организмнің әртүрлі тіндеріне таралатын қатерлі ісік пайда болады. Әдетте жасушалар тек өсу факторлары деп аталатын сигналдарға жауап ретінде бөлінеді және қоршаған жасушалармен жанасқанда және өсуді тежейтін сигналдарға жауап ретінде өсуді тоқтатады. Олар әдетте шектеулі санда бөлінеді және басқа органдарға тарала алмайтын эпителийде қалып өледі. Қатерлі жасушаға айналу үшін жасушада бірнеше генде (3-ден 7-ге дейін) мутациялар жинақталуы керек. Қатерлі жасушалар өсу факторы болмаса да бөлінеді және тежеуші сигналдарды елемеуге тырысады. Сонымен қатар, олар өлмейді және көрші жасушалармен жанасқаннан кейін де шексіз өсе алады. Олар эпителийден және соңында бастапқы ісіктен қашып кетуі мүмкін. Содан кейін қашып шыққан жасуша қан тамырларының эндотелийін басып өтіп, қан ағыны арқылы жаңа органға қоныстанып, қатерлі метастаздардың пайда болуына себеп болады. Қатерлі ісіктердің шағын бөлігінде генетикалық бейімділік болғанымен, басым бөлігі бір немесе азғантай жасушаларда пайда болатын және жинақталатын жаңа генетикалық мутациялар жиынтығына байланысты, олар ісікті құрастыру үшін бөлінеді және ұрпаққа берілмейді (соматикалық мутациялар). Ең көп кездесетін мутациялар – p53 белоктың (ісікке қарсы) немесе p53 жолының функциясын жоғалту, ал Ras ақуыздарында немесе басқа онкогендерде функцияның күшеюі.

Зерттеу әдістері

ДНК зертханада манипуляциялануы мүмкін. Рестрикциялық ферменттер – ДНК-ны белгілі бір тізбектерде кесіп, болжамды ДНК фрагменттерін құрайтын ферменттер. ДНК фрагменттерін олардың ұзындығы бойынша бөлетін гельдік электрофорез арқылы көруге болады. Лигаза ферменттерін қолдану ДНК фрагменттерін қосуға мүмкіндік береді. Әртүрлі көздерден ДНК фрагменттерін біріктіру арқылы ("лигациялау") зерттеушілер рекомбинантты ДНК-ны, яғни генетикалық өзгертілген организмдермен байланысты ДНК-ны жасай алады. Рекомбинантты ДНК көбінесе плазмидтермен байланысты қолданылады: бірнеше гендері бар қысқа, дөңгелек ДНК молекулалары. Молекулалық клондау процесінде зерттеушілер ДНК фрагменттерін плазмидтерді бактерияларға енгізу арқылы және оларды агар табақшаларында өсіту арқылы (бактерия жасушаларының клондарын бөліп алу үшін) көбейтуге болады. "Клондау" сондай-ақ клондалған организмдерді жасаудың әртүрлі әдістерін білдіруі мүмкін. ДНК полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) деп аталатын процедураны қолдану арқылы да көбейтілуі мүмкін. ПТР ДНК-ның қысқа тізбектерін пайдаланып, ДНК-ның белгілі бір аймағын бөліп алып, экспоненциалды түрде көбейтуге болады. ПТР өте аз ДНК мөлшерінен көбейтуге қабілетті болғандықтан, ол көбінесе белгілі ДНК тізбектерінің болуын анықтау үшін қолданылады.

ДНК-ны секвенирлеу және геномика

ДНК-ны секвенирлеу – генетиканы зерттеу үшін жасалған ең маңызды технологиялардың бірі. Ол зерттеушілерге ДНК фрагменттеріндегі нуклеотидтердің тізбегін анықтауға мүмкіндік береді. 1977 жылы Фредерик Сангер басқарған ғалымдар тобы әзірлеген тізбек тоқтату секвенирлеу әдісі бүгінгі күнге дейін ДНК фрагменттерін секвенирлеу үшін қолданылып келеді. Осы технологияның арқасында зерттеушілер көптеген адам ауруларына байланысты молекулалық тізбектерді зерттей алды. Секвенирлеудің құны төмендеген сайын, ғалымдар геномдық құрастыру деп аталатын әдіс арқылы көптеген организмдердің геномдарын секвенирледі. Бұл әдіс түрлі фрагменттерден алынған тізбектерді біріктіру үшін есептеу құралдарын пайдаланады. Осы технологиялар 2003 жылы аяқталған Адам геномдық жобасында адам геномын секвенирлеу үшін қолданылды. Жаңа, жоғары өнімді секвенирлеу технологиялары ДНК секвенирлеудің құнын күрт төмендетуде, көптеген зерттеушілер адам геномын қайта секвенирлеу құнын мың долларға дейін жеткізуге үміттенеді. Келесі буын секвенирлеу (немесе жоғары өтімділік секвенирлеу) – төмен құнды секвенирлеуге деген сұраныстың артуына байланысты пайда болды. Бұл технологиялар бір уақытта миллиондаған тізбектерді жасауға мүмкіндік береді. Қолда бар үлкен көлемдегі тізбек деректері геномика тармағын құрады, ол есептеу құралдарын пайдалана отырып организмдердің толық геномдарындағы үлгілерді іздеу және талдаумен айналысады. Геномиканы биоинформатиканың да бір саласы деп қарастыруға болады, ол биологиялық деректердің үлкен жиынтығын талдау үшін есептеу әдістерін қолданады. Осы зерттеу салаларының ортақ мәселесі – адамдарға қатысты және жеке басын анықтауға болатын ақпаратты басқару және бөлісу қалай жүзеге асырылуы керек.

Қоғам және мәдениет

2015 жылдың 19 наурызында жетекші биологтар тобы адам геномын ұрпақтан ұрпаққа берілетіндей етіп өңдеуге арналған әдістерді, әсіресе CRISPR және мырыш саусақтарын клиникалық қолдануға бүкіл әлем бойынша тыйым салуға шақырды. 2015 жылдың сәуір айында қытайлық зерттеушілер CRISPR қолданып, тірі қалуға жарамсыз адам эмбриондарының ДНК-сын өңдеу жөніндегі негізгі зерттеулердің нәтижелерін хабарлады.