Genai yra organizmo paveldimumo ir informacijos perdavimo vienetai. Žodis genos graikų kalboje reiškia giminė, kilmė. Genus pirmasis tyrinėti pradėjo ir jų buvimą įrodė Gregoras Mendelis (Čekija). Genų terminą pavartojo Vilhelmas Johansenas (Danija) 1909 metais.
Mendelio dėsniai
Zebrės visada atsiveda zebriukus, o ne paukščiukus, aguonos visada užaugina aguonų sėklas, o ne pupelių. Galima sakyti, kad tėvai perduoda paveldimą informaciją savo palikuonims. Tačiau, nesunku pastebėti, kad palikuonys retai būna tokie patys kaip tėvai: pavyzdžiui, juodų pelių vadoje gali pasitaikyti ir baltas jauniklis. Požymių paveldėjimo dėsniai turi paaiškinti ne tik iš kartos į kartą perduodamų požymių visumos pastovumą, bet ir atsirandanti jų kintamumą. Požymių paveldėjimą apibūdina trys Georgo Mendelio dėsniai. Georgas Mendelis buvo augustinų ordino vienuolis, kuris XIX a. viduryje tyrinėjo požymių paveldimumą. Jis, atlikdamas bandymus su žirniais, suformulavo tris pagrindinius paveldimumo dėsnius, kurie teigia, kad paveldimumo faktoriai (genai) yra individualūs, diskretiški ir, organizmams kryžminantis, susilieja ir neišnyksta.1. Pirmosios hibridų kartos vienodumo dėsnis. Sukryžminus individus, kurie vienas nuo kito skiriasi tik viena kontrastinių požymių pora (pvz., geltonsėklius žirnius su žaliasėkliais), visuose I kartos palikuonyse reiškiasi tik vieno iš tėvų požymis(pvz., geltona sėklų spalva) ir būtent tas, kuris dominuoja antrojo požymio atžvilgiu. T. y. pirmojoje kartoje visi palikuonys iš minėto kryžminimo tipo yra vienodi (vieno dominuojančio požymio atžvilgiu). Dėsnis galioja kiekvienos kontrastinių požymių poros atžvilgiu.2. Skilimo dėsnis. Sukryžminus pirmos kartos hibridus (pvz., geltonsėklius žirnius) tarpusavyje, II kartos (F2) palikuonys susiskaido į grupes ir pasiskirsto taip: ¾ turi dominuojantį, o ¼ – recesyvinį požymį (t. y. santykis 3:1) Į grupes gali susiskirstyti tik tie palikuonys, kurių abu tėvai yra heterozigotiniai toje pat genų poroje.
3. Nepriklausomo požymių paveldėjimo dėsnis. Kontrastinių požymių skirtingos poros paveldimos nepriklausomai vienas nuo kitų, t.y. kiekvienas genas (su tam tikromis išimtimis paveldimas nepriklausomai nuo kitų genų. Šiuo atveju hibridai pagal požymius pasiskirsto santykiu 9:3:3:1.Kaip dabar aiškinami Mendelio bandymų rezultatai parodyta 1 pav. Kiekvieną požymį lemia du aleliai (gr. allelon – vienas kitą, savitarpiškai) – alternatyvios geno formos, kurios lemia požymį – šiuo atveju stiebo ilgį. Genetikai alelius žymi raidėmis: didžiosiomis – dominantinį alelį (taip vadinamą dėl jo savybės užgožti arba paslėpti kito alelinio geno veikimą), o mažosiomis – recesyvinį alelį, kurio pasireiškimą dominantinis alelis nustelbia. 1 pav. trumpo stiebo alelis pažymėtas t, o ilgo – T . Kai organizmas turi abu vienodus alelius, sakoma, kad jis yra homozigotinis (gr. homos – vienodas + zygote – sujungta į porą). Kai organizmas turi du skirtingus kurio nors geno alelius, sakoma, kad jis yra heterozigotinis (gr. heteros – kitas, zygote – sujungta į porą).Genotipas ir fenotipas
Terminas genotipas (gr. genos – kilmė + typos – atspaudas, pavyzdys) nusako, kokie alelių deriniai susidaro po apvaisinimo. Tai vientisa sistema, kurioje vienas genas siejasi su kitais: 1 genas gali dalyvauti daugelio požymių susidaryme, daugelis genų gali dalyvauti 1 požymio susidaryme. Genotipas apsprendžia išorinių požymių visumą, vadinamą fenotipu. Genotipas lemia tam tikro požymio vystymosi kryptį su specifinio kintamumo diapazonu,kuris priklauso nuo aplinkos. Kai kurie organizmo požymiai visiškai priklauso nuo genotipo ir išlieka pastovūs per visą gyvenimą (pvz., kraujo grupė). Genotipas paveldimas iš tėvų ir išlieka visą gyvenimą pastovus, bet gali kisti mutacijų ir chromosominių translokacijų; šie pakitimai perduodami kitoms kartoms. Genotipą galima nurodyti raidėmis arba trumpai nusakyti. TT genotipas vadinamas dominantine homozigota, o genotipas tt – recesyvine homozigota. Tt genotipas vadinamas heterozigota.Terminas fenotipas (gr. phaino – rodau + typos – atspaudas, pavyzdys) nusako individo išvaizdą. Fenotipas nėra pastovi organizmo savybė, jis kinta dėl genetinio komponento ir aplinkos įtakos sąveikos. Fenotipo kintamumo genetinį komponentą sudaro abiejų tėvų chromosomų rinkiniai, patekę į zigotą. Aplinkos įtaką apsprendžia nechromosominiai faktoriai: zigotos motininė citoplazma; motininė aplinka,kurioje vystosi kiaušinis ir gemalas; zigotą iš išorės veikiantys faktoriai; bet kurie vidiniai ar išoriniai poveikiai,kurie gali turėti įtakos paveldimų požymių pasireiškimui individo fenotipe per visą jo gyvenimą. Normaliu fenotipu laikomas toks, kuris susidaro įprastomis sąlygomis, veikiant normaliam laukiniam (paprastai dominantiniam) genotipui.
Žirniai, turintys dominantinį geno alelį, tiek homozigotoje, tiek heterozigotoje yra vienodo fenotipo – aukšti, tuo tarpu recesyvinių homozigotų fenotipas – kitas – jie yra žemiMendelis atliko ir kitokių kryžminimų, kurie vadinami dihibridiniais, nes buvo kryžminami tėvai, kurie skiriasi dviem požymiais. Pavyzdžiui, Mendelis kryžmino dvi žirnių veisles, besiskiriančias anksčių spalva ir stiebo ilgumu: aukštus žaliomis ankštimis su žemais geltonomis ankštimis. Kaip parodyta (3 pav.) , kad F2 kartoje Mendelis gavo keturių fenotipų augalus ir paaiškėjo, kad, jei susidarant gametoms, F1 kartoje visi keturi faktoriai išsiskiria nepriklausomai vienas nuo kito, tai F2 kartoje atsiranda visi įmanomi požymių deriniai: aukštaūgiai žaliomis ankštimis, aukštaūgiai geltonomis ankštimis, žemaūgiai geltonomis ankštimis ir žemaūgiai žaliomis ankštimis.
Lyties paveldėjimas
Chromosominę paveldimumo teoriją beveik tuo pat metu (1902 m.) pasiūlė du mokslininkai Teodoras Boveris ir Valteris Satenas. Jie atskirai vienas nuo kito pastebėjo genų paveldėjimo ir chromosomų pasiskirstymo panašumus. Šią chromosominę paveldimumo teoriją patvirtina tokie faktai:
1. Ir chromosomos, ir aleliai diploidinėse ląstelėse yra poriniai.2. Ir homologinės chromosomos, ir kiekvienos poros aleliai mejozės metu atsiskiria, todėl gametose tėra po pusę viso jų kiekio.3. Ir homologinės chromosomos, ir kiekvienos poros aleliai išsiskiria nepriklausomai, todėl gametose susidaro visi galimi jų deriniai.4. Po apvaisinimo zigotose vėl atstatoma diploidinis chromosomų skaičius (visų – po dvi) ir visų alelių poros.
Lytis priklauso nuo lytinių chromosomų
Abiejų lyčių gyvūnai turi dalį vienodų chromosomų,kurios vadinamos autosomomis, ir jos sudaro homologines poras. Tačiau viena chromosomų pora būna kitokia. Šios chromosomos vadinamos lytinėmis chromosomomis, nes būtent ši pora lemia lytį. Moterys turi XX chromosomas, o vyrai – XY. Vyrų organizmuose susidaro dviejų tipų gametos – turinčios X ir turinčios Y chromosomą, taigi būsimojo kūdikio lytį lemia vyrai
Genų klonavimas
Genų inžinerijos metodais galima sukonstruoti ląsteles, kurios turi rekombinantinę DNR ir geba gaminti naują, joms nebūdingą baltymą.
Rekombinantinės DNR panaudojimas
Rekombinantinės DNR (rDNR) sudaryta iš DNR, gautos iš dviejų skirtingų šaltinių. Norėdamas pagaminti rekombinantinę, DNR inžinierius genetikas iš pradžių pasirenka vektorių, t.y. priemonę, kurios pagalba rekombinantinė DNR bus įvedama į ląstelę – recipientą. Dažniausiai vektoriumi būna plazmidė. Plazmidės yra mažos papildomos žiedinės DNR molekulės. (paveiksl genu klonavimas)
Svetimą DNR įterpti į vektoriaus DNR reikia dviejų fermentų (5 pav.). Pirmasis fermentas, vadinamas restriktaze, perkerpa plazmidės DNR, o antrasis vadinamas DNR ilgaze, įterpia svetimą DNR į tarpą, kurį atvėrė restriktazė. Restriktazės randamos bakterijose natūraliomis sąlygomis. Jos stabdo virusų dauginimąsi, karpydamos virusų DNR. Šie fermentai vadinami restriktazėmis nes apriboja virusų augimą. Antrasis fermentas, reikalingas rDNR paruošti, vadinamas DNR ilgaze (lot. ilgo – surišti). Jis yra ląstelės fermentas, surišantis bet kuriuos DNR molekulės trūkius. Genų inžinerijos specialistai naudoja šį fermentą svetimos DNR fragmentui įterpti į vektorių.
Vėžiniai susirgimai – genų veiklos sutrikimai
Vėžys ( lot. cancer), piktybinis navikas (pakitusių, neribotai besidauginančių žmogaus ar gyvūno ląstelių darinys su žalingomis organizmui biologinėmis savybėmis). Tai viena dažniausių mirties priežasčių; nuo jo kasmet miršta _5 mln. žmonių. Sergamumas vėžiu ir mirštamumas nuo jo palengva didėja (daugiausia dėl visuomenės senėjimo). Vyrai dažniausiai serga plaučių, lūpos, gerklų, skrandžio, prostatos o moterys – krūties, lytinų organų, skydliaukės ir tulžies pūslės vėžiu. Lietuvoje vis daugiau sergama storosios žarnos, prostatos, plaučių, krūties ir gimdos kūno vėžiu, bet vis mažiau skrandžio ir gimdos kaklelio vėžiu.
Vėžinių ląstelių ypatybės
Vėžinės ląstelės turi požymių, kad jose atsirado labai didelių sutrikimųreguliuojant genus, kurių koduojami produktai apsprendžia ląstelių dalijimąsi. Vėžinėms ląstelėms būdingos šios ypatybės, kurios skiria jas nuo kitų ląstelių.
Vėžinės ląstelės nėra diferencijuotos
Vėžinės ląstelės nėra specializuotos (t.y. neatlieka specifinių funkcijų organizme) ir neprisideda prie audinio funkcionavimo. Vėžinė ląstelė nepanaši į diferencijuotas raumenų, nervų ar jungiamojo audinio ląsteles, o jų forma ir išvaizda yra nenormali (6 pav.). Normalios ląstelės praeina ląstelės dalijimosi ciklą 50 kartų, o po to miršta. Vėžinės ląstelės gali visą laiką dalintis ir yra nemirtingos. Ląstelių kultūroje jos miršta tik todėl, kad joms pritrūksta mitybinių medžiagų arba jas užmuša jų pačių toksiški metabolizmo produktai.
Vėžinių ląstelių branduoliai nenormalūs
Vėžinių ląstelių branduoliai būna padidėję ir juose gali būti nenormalus chromosomų skaičius. Chromosomos būna mutavusios – kai kurios dalys gali būti padvigubėjusios, kaikurios iškritusios. Be to, jose žymiai dažniau negu normaliose ląstelėse stebima genų amplifikacija (papildomos specifinių genų kopijos).
Normalios ląstelės ® (šaia turi buti iterptas piešinys vez2)
Kontroliuojamas augimas;
Kontaktinis slopinimas;
Vienas organizuotas sluoksnis;
Diferencijuotos ląstelės.
Vėžinės ląstelės ®
Nekontroliuojamas augimas;
Nėra kontaktinio slopinimo;
Neorganizuotos, formuoja daug sluoksnių;
Nediferencijuotos ląstelės;
Nenormalūs branduoliai.
Vėžinės ląstelės formuoja navikus
Normalios ląstelės prisitvirtina prie substrato arba prilimpa prie kaimyninių ląstelių. Jose egzistuoja kontaktinis slopinimas – prisilietusios prie kaimyninės ląstelės jos nustoja dalytis. Kultūroje normalios ląstelės formuoja vieną sluoksnį padengiantį Petri lėkštelės dugną. Vėžinės ląstelės neturi jokių apribojimų, jos auga viena ant kitos ir keliais sluoksniais. Jų poreikis augimo faktoriams yra sumažėjas. Augimo faktoriai yra signaliniai baltymai, kuriuos priima plazminės membranos receptoriai, jų reikia normalioms ląstelėms augti.
Organizme vėžinė ląstelė dalijasi, suformuodama nenormalių ląstelių masę, vadinamą naviku, kuris įsiskverbia į greta esantį audinį ir jį sunaikiną. Šis naujas darinys vadinamas neoplazija, susidaro iš neorganizuotų ląstelių, kurių būvį apibrėžia terminas anaplazija. Nepiktybinis navikas yra neorganizuota ląstelių masė, paprastai padengta kapsule ir nesiskverbianti į aplinkinius audinius.Vėžinėms ląstelėms būdinga angiogenezė ir metastazės
Angiogenezė yra naujų kraujagyslių formavimasis. Dėl jos į piktybinį naviką, kurio augimo neriboja kapsulė, atnešama maisto medžiagų ir deguonies. Vėžinės ląstelės išskiria augimo faktorių, kuis priverčia greta esančius kraujo indus išsišakoti į vėžinį audinį. Kai kurie iš vėžio gydymo būdų yra pagrįsti angiogenezės slopinimu. Vėžys in situ randamas tik savo susiformavimo vietoje, neįsiskverbęs į normalų audinį. Navikas supiktybėja, kai metastazės (žr. žemiau) suformuoja naujus navikus, nutolusius nuo pirminio naviko. Kad atsirastų metastazė vėžinė ląstelė turi prasiskinti sau kelią pro tarpląstelinę medžiagą į kraujagysles arba limfagysles. Vėžinės ląstelės gali prilipti prie tarpląstelinės medžiagos komponentų, bei gali gaminti fermentus tirpdančius šią medžiagą ir leidžiančius įsiskverbti į gretimus audinius. Vėžinės ląstelės judrios, jų vidinis citoskeletas neorganizuotas, jose nėra intaktinių aktino filamentų plokštelių. Nukeliavusios krauju arba limfa, vėžinės ląstelės gali suformuoti naviką bet kurioje organizmo vietoje. Metastazės (gr. Metastasis – perkėlimas, perstatymas) – naujas piktybinio naviko (vėžio) židinys, susidarantis, kai naviko ląstelės iš pirminio židinio patenka į kitą organizmo vietą. Ląsteles perneša kraujas ir limfa. Piktybinio naviko ląstelės prigyja kitoje vietoje, ima daugintis ir sudaro antrinius vėžio židinius. Toks ligos persikėlimas vadinamas metastazavimu; jis pasunkina ligos eigą ir gydimą. Ligos baigties prognozė priklauso nuo vėžio išsivystymo laipsnio: ar navikas įsiskverbė į aplinkinius audinius; jei taip, tai ar yra pažeistų limfmazgių ir ar yra metastazinių navikų kitose kūno vietose. Kuo toliau pažengusi vėžinė liga, tuo blogesnė prognozė.
1. Literatūra:1. Lietuviškoji tarybinė enciklopedija. V. Areška, A. Barkauskas, A. Basalykas, F. Bieliauskas. Vilnius. Mokslas. 1976 – 1984, VI – VII tomai.2. Medicinos enciklopedija. A. Baubinienė, A. Dembinskas, V. Grabauskas. I tomas (A – M) . Vilnius. 1991. II tomas3. Sylvia S. Mader.Biologija. I knyga. Vilnius. 1999.