Molekularna genetika

Miha Povšič

Genetika

Izobraževanje odraslih

Področje molekularne genetike

• Je znanstvena disciplina genetike, ki z biokemijskimi metodami na molekularnem nivoju proučuje zgradbo in funkcijo genov

• Se ukvarja s proučevanjem prenašanja genetskih informacij iz generacije v generacijo

• V dednem materialu vsakega osebka je zapisano, kakšna bo struktura proteinov, celic, tkiv in organov tega osebka

• Zapisano je tudi, kako se bo ta organizem razvijal, deloval in do neke mere obnašal

Prenos dednih informacij

• Infromacije se prenašajo iz generacijo v generacijo

• PRENAŠAJO JO LE TISTI OSEBKI, KI SO USPEŠNI

Molekularna sistematika

• S pomočjo znanja molekularne genetike lahko molekularni genetiki pravilno klasificirajo organizme v sistem

• Molekularna genetika uporablja metode, ki se uporabljajo v genetiki in molekualrni biologiji

Kaj prenaša dedne informacije?

• Leta 1928 je Frederick Griffith demonstriral eksperiment, s katerim je dokazal, da je DNK tisti, ki prenaša genetski material

Griffith-ov eksperiment

• Poskus je izvajal na miših, katerim je vbrizgaval bakterije Streptococcus pneumoniae (krajše pnevmokoki), ki povzročajo pljučnico.

Griffith eksperiment

• Frederick Griffith je že vedel, da obstajata dve obliki (dva seva) pnevmokokov:

– 1. pnevmokoki seva G, ki so obdani z želatinozno ovojnico in so patogeni, saj povzročajo bolezen - pljučnico.

– 2. pnevmokoki seva H, ki niso obdani z želatinozno ovojnico in niso patogeni, saj ne povzročajo bolezni - pljučnice.

1. eksperiment

• Griffith je v prvem poskusu v zdrave miške vbrizgal nepatogene pnevmokoke seva H.

1. eksperiment

• Prav vse miške so ostale žive in zdrave.

2. eksperiment

• Sledil je poskus, pri katerem so zdravim miškam vbrizgali patogene pnevmokoke seva G.

2. eksperiment

• Kot so pričakovali, so vse miške pri tem poskusu poginile.

3. eksperiment

• Sledil je korak, v katerem so miškam vbrizgali s temperaturo uničene pnevmokoke seva G. Prekuhane pnevmokoke so precedili skozi tako gosto sito, da se skozenj ni mogla izmuzniti nobena bakterija.

3. eksperiment

• Vse miške so ostale zdrave.

4. eksperiment

• Griffith je naredil še en poskus. V zdrave miške je vbrizgal mešanico živih pnevmokokov seva H in precedek s temperaturo uničenih pnevmokokov seva G.

4. eksperiment

• Mnoge miške so, proti vsem pričakovanjem, poginile.

4. ekseperiment

• Ko je Griffith analiziral kri poginulih miši, je bil zelo presenečen.

4. eksperiment

• V njej je našel namreč tako nepatogene pnevmokoke seva H kot tudi patogene pnevmokoke seva G. Seveda si je takoj postavil vprašanje, kako so pnevmokoki seva G prišli v kri, če pa je v miške vbrizgal s temperaturo uničene pnevmokoke seva G.

Analiza Frederick Griffith eksperimenta

• Leta 1994 so Osvald Avery, Maclyn McCarty in Colin Munro MacLeod v seriji poskusov dokazali, da je snov, ki omogoči bakteriji pnevmokoku H tvorbo želatinoznega ovoja, molekula DNA. To so ugotovili tako, da so pnevmokokom seva H dodajali različne substance pnevmokokov seva G - in le kadar so dodali njihovo DNA, je prišlo do transformacije, ki je pnevmokokom seva H omogočila, da so se spremenili v sev G.

TRANSFORMACIJA

• Prenos dednih informacij

Vloga DNK v živih organizmih

• Alfred Hershey in Martha Cowles Chase leta 1952 izvedeta serijo poskusov za dokaz vloge DNK.

• Poskuse sta izvajala na bakteriji Escherichia coli (E. coli), ki se nahaja tudi v človeškem črevesju.

Hershey-Chase eksperiment

• V poskuse sta vključila bakteriofag T2, ki napada bakterijo E. coli. V enem gojišču sta gojila kulturo bakteriofagov T2, ki so imeli DNA označeno z radioaktivnim fosforjem, v drugem gojišču pa kulturo bakteriofagov, katerih beljakovinske ovojnice so bile označene z radioaktivnim žveplom

Delo s petrijevkami

Hershey-Chase eksperiment

• Alfred Hershey in Martha Chase sta, da bi dokazala, da je dedni material molekula DNA in ne beljakovine iz beljakovinske ovojnice bakteriofaga, izvedla eksperiment, v katerem sta bakterije E. coli ločeno enkrat okužila z bakteriofagom T2, ki je imel označeno DNA s 32P, in drugič ločeno okužila z bakteriofagom T2, označeno beljakovinsko ovojnico s 35S.

Hershey-Chase eksperiment

Hershey-Chase eksperiment

• Bakteriofagi T2 so v obeh kulturah napadli bakterijske celice E. coli in vanje prenesli dedni material, na podlagi katerega lahko nastajajo novi virusi T2.

Hershey-Chase eksperiment

• Po določenem času so obe kulturi bakterij

testirali. Tista kultura bakterij, ki so ji vbrizgali viruse z označeno DNA, je vsebovala radioaktivni fosfor, preostala kultura, ki so ji dodali viruse z označenimi beljakovinami, pa ni vsebovala radioaktivnega žvepla. Tako so potrdili, da je molekula DNA tista molekula, ki vsebuje informacije o nastanku novega organizma in tista, ki te informacije prenaša iz generacije organizmov v naslednjo generacijo.

Hershey-Chase eksperiment

Pomen odkritja zgradbe DNK in genski kod

• Dokaz prisotnosti molekule DNA v živih organizmih in njena vloga sta bili povod za nadaljnje raziskave na področju molekularne genetike.

DNK dvojna vijačnica

• James D. Watson in Francis Crick lahko predpostavila, da je genetska informacija v molekuli DNA zapisana z zaporedjem (sekvenco) nukleotidov in leta 1953 izdelala tridimenzionalen model dvojne vijačnice DNA.

• Molekularni genetiki so ugotovili, da zaporedje nukleotidov na DNA določa zaporedje aminokislin v beljakovinah.

GENSKI KOD

• Povezava med zaporedjem nukleotidov in aminokislin se imenuje genski kod. Drugače povedano, genski kod je informacija treh baz (kombinacije A-adenina, T-timina, C-citozina ali G-gvanina) na DNA, ki kodira eno aminokislino.

• Zaporedje treh nukleotidov (trojček ali triplet) omogoča nastanek 64 kombinacij baz, kar je dovolj za zapis vseh 20 različnih aminokislin.

• Genski kod je niz sporočil v DNK, zapisanih kot zaporedje treh nukleotidov, ki določa mesto aminokisline v polipeptidni verigi.

Dešifriranje genskega koda

• Dešifriranje genskega koda je pomenilo iskanje povezave med točno določenim tripletom na mRNA in vezavo specifične aminokisline v beljakovino.

• Znanstveniki izdelali RNA z nizi enakih nukleotidnih baz (enostavni poskusi)

• V naslednjih letih, vse do leta 1964, so v seriji poskusov dešifrirali genski kod, kar je pomenilo, da so za vseh 64 kombinacij ugotovili, katere aminokisline kodirajo.

• Znanstveniki so pričakovali, da bo en kodon vedno kodiral le eno aminokislino, a se je izkazalo, da lahko več različnih kodonov kodira isto aminokislino.

ZAKLJUČNI KODON

• Nekateri kodoni ne kodirajo nobene aminokisline, ampak se vedno nahajajo na koncih mRNA - zaključni kodoni (stop ali terminacijski kodoni).

Univerzalen genski kod

• Kasnejše raziskave so pokazale, da je genski kod univerzalen. To pomeni, da enak kodon na mRNA kodira vedno enako aminokislino v vseh organizmih.

Sinteza proteinov

Centralna genetska dogma

• Prenos informacije iz molekule DNA na molekulo mRNA imenujemo transkripcija. Gre za obojesmeren proces. Prenos informacije iz mRNA na beljakovine imenujemo translacija. Translacija je vedno enosmeren proces.

Centralna genetska dogma

• Genetska informacija se prenaša še ob podvajanju DNA, in sicer iz ene molekule DNA na dve molekuli DNA.

• Omenjene zakonitosti prenosa genetskega materiala so znane pod imenom centralna genetska dogma.