6. 1. Molekuláris genetika

Alapfogalmak

• Gén: a DNS-molekula adott szakasza, amely valamilyen öröklődő jelleg kialakulását megszabja egy adott polipeptidlánc kódolásán keresztül
  • Az öröklődés anyagi egysége
    • Klasszikus genetikai génfogalom: a gén egy tulajdonság kialakulását határozza meg
    • Molekuláris genetikai génfogalom: a gén a DNS molekula egy szakasza, amely egy polipeptidlánc amonosavsorrendjét kódolja
  • Vírusok: a DNS túlnyomó része hordoz információt
  • Prokarióták: a DNS zöme átíródik, elenyésző része nem
  • Eukarióták: a DNS csak néhány %-a hordoz információt
• Genom: a hapoloid sejtek teljes genetikai állománya
  • A genom mérete sokkal nagyobb, mint a róla átírt, érett mRNS-é à az információ a DNS-ben nem kontinuus
  • Emberben: 21.000 gén léte, a teljes genom 1-2%-a
  • A gének kisebb-nagyobb távolságra vannak egymástól
  • Maradék: gének átíródási folyamatainak irányítása
• Allél: a kromoszóma egy adott szakaszán elhelyezkedő gén variációja
  • Homológ kromoszómapárok: apai és anyai változat
    • A gén két alléljával rendelkezik az élőlény
  • Homozigóta allél: a két allél teljesen azonos (AA vagy aa)
  • Heterozigóta allél: a két allél különbözik (Aa)
  • Vad típusú allél: a leggyakoribb allél
  • Mutáns allél: új változatú allél

• Genetikai kód: szabályrendszer, kódolási eljárás, ami szerint a nukleinsavban szereplő szöveg lefordítható a fehérjékben szereplő szövegre
  • Nukleinsavak: 4 betű (bázisok száma), fehérjék: 20 betű (aminiosavak száma)
  • Kodon: egy aminosavat kódoló jel
    • 3 nukleotidból 64 féle kombináció létrehozása lehetséges
    • Tripletek: nukleotid hármasok, jelentését a kodonszótár tartalmazza
  • Általános jellemzők:
    • Degenerált: egy aminosav több triplet határoz meg
      • Ált. 4-6 kodon, a ritkábban előfordulókat 1-2 kodon
      • Start jel: AUG
      • Stop-jel: három kodon jelzi, nem kódolnak aminosavakat
    • Univerzális: a genetikai kód a szervezetek fejlettésgi szintjétől függetlenül egységes, minden élőlényre igaz
    • Átfedés- és kihagyásmentes: egyetlen nukleotid sem lehet tagja két szomszédos kodonnak
      • Ha egy vagy két nukleotid kiesik / beékelődik, az eltolja a leolvasási keretet -> frame shift mutáció: értelmetlen aminosavsorrend, teljesen működésképtelen fehérjét eredményez

• Kromoszóma
  • Kromoszóma alapszám, kromoszómaszerelvény: a fajra jellemző kromoszómák egy sorozata
  • Haploid sejtek: egy genomot (n) tartalmaznak
    • Ivarsejtek, spórák, mohák testi sejtjei, mohák, harasztok előtelepei
  • Diploid sejtek: kétszeres (2n) genomot tartalmaznak
    • Ált. testi sejtek
  • Poliploid sejtek: többszörös kromoszómaszerelvényt tartalmaznak
    • Termesztett növények egy része
• Rekombináció: a meglévő tulajdonságokat kialakító örökítő tényezők újrarendeződnek, ezzel új génkombinációkat hoznak létre
  • A meiózis során zajlik le
• A sejten belüli információáramlás főbb lépései
  • DNS-szintézis szemikonzervatív jellegű: a replikáció során elváló DNS-láncok temlátként szolgálnak az új láncok szintéziséhez
    • Az utód DNS-molekulák egyik lánca a szülői DNS-ből származik
    • A másik komplementer lánc újonnan szintetizálódik hozzá
    • Szemikonzervatív: félig megmaradó

• Replikáció: a DNS-szál kezdő pontján indul (replikációs origó)
  • • Kicsavaró fehérjék (helikázok) kapcsolódnak a lánchoz
    • Felszakítják a bázisok közötti H-kötéseket
    • A DNS-szálak elválnak egymástól
    • Egyszálú DNS-t kötő fehérjék: megakadályozzák a kettős hélix formába való visszarendeződést
    • A DNS-függő polimeráz segítségével megindul az RNS-primer szintézise
    • Csak az egyik szál szintézise lehet folyamatos
    • A másik szál ellenkező irányba növő szál szintézise csak szakaszosan mehet végbe
    • Az egyes DNS-szakaszokat a ligáz kapcsolja össze: két nukleotidegység között foszfodiészter kötés kialakulását katalizálja

• A másolás pontossága
  • • Hibajavító mechanizmusok
    • DNS polimeráz I
      • Felismeri a deformált szakaszt
      • A hiba mellett hasadékot létesít a DNS-szálon
      • Megfelelő nukleotidokat épít a hibásak helyébe
    • Hiánya: xeroderma pigmentosum betegség
      • A betegek bőre érzékeny a napfényre, UV sugárzásra
      • Bőr száraz, szemlencse szarusodik
      • Bőrrák
      • Max 30 életév
    • Uv sugárzás hatása: a bőrben timindimereket hoz létre
      • A pirimidinbázisok UV határása egymással kovalensen összekapcoslódnak
      • Nem illeszkednek be a kettős hélixbe
      • Megállítják a replikációt mindaddig, amíg nem javatja ki a DNS polimeráz I

• Transzkripció: átírás (DNS ->RNS, sejtmagban)
  • • az élő szervezetek bármilyen életjelensége fehérjék működésén keresztül valósul meg
    • A különböző funkciókért specifikus fehérjék felelősek
    • Specifitás: aminosavsorrendtől függ -> a DNS bázissorrendjével hozható összefüggésbe
    • DNS – transzkripció – RNS – transzláció  – fehérje – tulajdonság
    • Kezdés: iniciáció
      • Az RNS polimeráz hozzákötődik az átírás kezdőpontjához (promoter)
      • A DNS két szála elválik egymástól
      • Az értelmes szálon megindul az átarás
    • Folytatás: elongáció
      • Az RNS polimeráz leolvassa a DNS értelmes szálát
      • A ribonukleotidokat foszdodiészter kötéssel kapcsolja egybe
      • Értelmes szál: íródik át, néma szál: soha nem íródik át
      • Az értelmes szál: egy adott génre mindig állandó
    • Befejezés: termináció
      • A szintézis addig tart, amíg az RNS polimeráz eléri a stopjelt
    • A folyamat jellemzői
      • A prokariótáknál a transzkripció és transzláció szimultán folyamat
      • Eukariótáknál az RNS polimeráz hatására kialakulo poliribonukleotid még nem teljes értékű végtermék -> érésen kell még keresztülmennie, mielőtt kikerül a citoplazmába

• RNS-érés folyamatai
  • • • Poszttranszkripciós módosítások
      • A két végéhez különböző szerkezeti elemek kapcsolódnak
        • Védősapka, cap-képződés, 5’-vég
        • Poli-A farok a 3’-végen
      • Splicing: az mRNS-ből különböző méretű szakaszok hasadnak ki
        • Intron szakaszok: átírási terméke az érett messengerből kivágódik, tartalmaz
        • Exonokat: a gének kifejező szakaszai
        • A gén átírata folyamatos à az elsődleges átiratból kihasadnak az üzenetet nem tartalmazó intron szakaszok
        • A szabadon maradt végek egymással összeillesztődnek

• Transzláció: a fehérjék bioszintézise (citoplazmában)
  • • Szabályrendszer, kódolási eljárás (genetikai kód) alapján
    • tRNS feladata
      • megfelelteti egymásnak az aminosavat és az aktuális kodont
      • a polipeptidlánc szintézise energiát igényel: az aminosavakat aktiválni kell (ATP segítségével)
    • tRNS szerkezete: 75-90 nukleotidegyeség
      • specifikus háromdimenziós szerkezet
      • 1. az mRNS kodon felismerését biztosító antikodon rész
      • 2. az aminosav megkötésére szolgáló, CCA szekvenciájú 3’-vég
      • Az aktiváló enzimmel való kapcsolódást biztosító enzimfelismerő hely
      • Riboszóma kapcsolódási hely
      • Az antikodon lehetővé teszi, hogy az adott tRNS molekula, amely adott aminosavat szállít, a megfelelő kodonhoz kapcsolódjon
      • mRNS kodon és tRNS antikodon komplementaritása -> azonos DNS-bázisszekvenciáról azonos aminosav-szekvencia

• riboszómák: a fehérjeszintézis helyszínei
  • • • rRNS-ből és fehérjéből
      • citoplazmában, ill mitokondriumban, színtestekben
      • Az mRNS nukleotid sorrendjében foglalt információt lefordítják aminosavsorrendre
      • Egy nagyobb és egy kisebb alegység
    • Iniciáció: a polipeptidlánc szintézise, egy irányba halad
      • Az mRNS kapcsolódik a riboszómához, megkezdődik a szintézis
      • Start-kodon (AUG)-hoz kapcsolódik az első aminosavat szállító tRNS (metionin, ez később lehasad a polipeptidláncról)
    • Elongáció: a kodon felismerése révén a megfelelő aminosav-tRNS-ek egymást követően a riboszómához kapcsolódnak
      • Az aminosavak között kialakul a peptidkötés
      • A kialakult peptidszakasz továbbítódik (a riboszóma odébb mozdul), újabb peptidkötés kialakíása
    • Termináció
      • Ha a riboszóma ablaka elérkezik a stop kodonhoz, a transzláció befejeződik
      • A három stop kodonhoz nem kapcsolódik tRNS
      • A polipeptidlánc leválik a riboszómáról
• Baktériumok felhasználása emberi fehérje előállítására
  • Baktériumokra kifejlesztett módszerek a fejlettebb élőlényekkel kapcsolatban is használhatók
  • GMO: Genetically Modified Organismus
    • Olyan élő szervezet, amelynek genetikai anyaga a modern géntechnológia alkalmazásával új genetikai kombinációkkal rendelkezik
    • Így a természetben nem található meg
    • 1. generációs GMO: a megváltoztatott gének ellenállóvá teszik a növényt
      • Szárazság
      • Hideg
      • Patogének
      • Gyomirtószerek
    • 2. generációs GMO: a fogyasztók számára hasznos anyagot termelnek nagyobb mennyiségben
    • 3. generációs GMO: bioreaktorok, olyan anyagokat termeltetünk velük, amelyeket hagyományosan az ipar produkál (vakcina, hormonok, véralvadási faktor stb.)
  • Genetikailag módosított haszonállatok
    • Gyorsabban növő lazac
    • Több kazein fehérjét kifejező tehén
  • GMO előnyök
    • Csökkentik a környezet növényvédőszer terhelését
    • Megtakaríthatók a permetezési és vegyszerköltségek
    • Nem kártevő ízeltlábúak között kevesebb kár
    • Gyomirtás totális gyomirtószerekkel
    • Csökkenti az öntözővíz szükségletét
  • GMO ellenérvek
    • Transzgén megszökése
    • Pollen a szomszédos, hagyományos állományokban is beporoz
    • Antibiotikumrezisztencia-gén esetén átkerülhetnek az emberek és állatok baktériumaiba
    • Új allergének megjelenése
    • Nem ismert a környezeti, ökológiai, egészségügyi, társadalmi hatások, kockázatok

Mutáció

• Genetikai változékonyság forrásai
  • Mutáció: a DNS megváltozása
  • Ivaros szaporodás
    • Véletlenszerű tulajdonságkombinációk végtelen lehetősége
    • A homológok véletlenszerű szétválása
    • Az ivarsejtek véletlenszerű találkozása
    • Az átörökítő DNS átrendeződése (intrakromoszómális rekombináció)
• Mutáció: az örökítő anyag (DNS) egyetlen nemzedéken belüli, ugrásszerű, öröklődő megváltozása
  • Mindig átadódik az utódsejtekre
    • Generatív mutáció: Az utódokba csak az a mutáció öröklődik, amely az ivarsejteket érinti
    • Szomatikus mutáció: a testi sejtekben történő mutáció, nem öröklődő, mozaikos jellegű
      • A változások a vad típushoz képest jelentenek változást
      • Vad típus: olyan működőképes génváltozatot takar, amelyet közmegegyezéssel alaptípusnak nevezünk / leggyakoribb allél
    • Letális mutáció: minden olyan mutáció, ami a szaporodóképesség kialakulása előtt leállítja a fejlödést
  • Evolúciós szerepe: a populációk genetikai sokféleségének (diverzitásának, polimorfizmusának) alapja
  • Lehetséges hatásai
    • Hátrányos: begségek kialakulása
    • Közömbös
    • Előnyös: genetikai sokszínűség kialakulása
  • Példa az emberi népességben többféle génváltozat tartós jelenlétére: pl. hajszín, szemszín
• Mutációk okai
  • Spontán mutáció: pontos kiváltó okát nem ismerjük
  • Indukált mutáció: ismert környezeti hatások, mutagének váltják ki
  • Mutagén: hatás vagy anyag, amely mutációt képes kiváltani, ill. a mutációk számát megnövelni a spontán mutációk gyakoriságához viszonyítva

• Mutagén hatások
  • Biológiai: baktérium- és gombatoxinok, más növényi / mikrobiális eredetű anyagok
  • Kémiai: replikációs hibákhoz vezetnek
    • A bázisok szerkezete átalakul: a változás következtében másik, egyébként nem komplementer bázissal képes kapcsolódni
    • Alkiláló szerek (mustárgáz): a bázisok rosszul párosodnak
  • Fizikai: nagyenergiájú sugárzások roncsolják a DNS-t
    • UV, rtg, radioaktív sugárzás
      • UV: a DNS-ben fotodimer termékeket eredményez, amelyek szomszédos pirimidinek kémiai összekapcsolódásával keletkeznek -> torzulás a spirál szerkezetében
    • hőmérsékletemelkedés
  • Mutagén és rákkeltő hatás gyakran jár együtt
    • A környezetbe kikerülő vegyi anyagok közül a mutagén hatás karcinogén hatással jár együtt

• 21-es triszómia: Down-szindróma
  • Tünetek
    • Mongoloid szemrés
    • Holdvilág arc
    • Nagy nyelv
    • 50 körüli IQ
    • Négyujjas tenyérbarázda
    • Szívhibák
    • Sokféle belső fejlődési rendellenesség
  • Valószínűsége az anyag életkorával nő
    • Petesejtek osztódásukat már az embrionális időszakban megkezdik

• Sarlósejtes vérszegénység genetikai háttere: pontmutáció a 11-es kromoszómán

• Albinizmus genetikai háttere: örökölt pigmenthiány
  • Autoszomális recesszív öröklődés, pontmutáció eredménye
  • Szem színe: pupilla piros
  • Pigmenthiány miatt a sejtek nem megfelelően védettek az UV sugaraktól
• Fenilketonúria öröklésmenete: hibás enzim helytelen működése – a fenil-alanin aminosavat nem tirozinná alakítja át, hanem kóros anyagcseretermékké
  • Pontmutáció eredménye
  • Hatása: visszamaradottság, anyagcserezavar
  • Kezelésének módja: fenilalanin-szegény diéta
• Mutációk gyakorisága, mutációs ráta: az ivarsejtek képződésekor bekövetkező mutációk gyakorisága
  • 10^-3: 1000 ivarsejt képződésekor 1 mutáció jön létre
  • Fajonként eltérő
  • Diploid szervezetekben gyakoribb
  • Egy fajon belül génenként változó
  • Emberben átl. 10^-5 nagyságrendű
• Génmutációk: egy vagy néhány nukleotidot érint
  • Replikáció során
  • Kicserélődhet egy bázis, pl. stop jellé alakulhat
  • Kieshetnek / beépülhetnek bázisok, frame shift mutációk: az egész leolvasási keret eltolódása

• Kromoszómamutációk: A kromoszómarészek átrendeződéseA kromoszóma számának megváltozásaEgész kromoszómaszerelvény számának változása
  • Szerkezeti: meiózis során, a folyamatban természetszerűen törnek-egyesülnek a kromoszómák
    • Mutáció, ha: a letört darab rendellenesen forr vissza
    • Deléció: egy kromoszóma darab kiesése
    • Duplikáció: egy kromoszóma régió megkétszereződése
    • Inverzió: egy kromoszóma szakasz 180 fokos átfordulása egy adott kromoszómán belül
    • Transzlokáció: két nem homológ kromoszóma közötti részek áthelyeződése
  • Számbeli
    • Haploid kromoszómaszám
      • Ivarsejtek, spórák, algák, mohák testi sejtjei, hím méhek, darazsak, hangyák (szúznemzés)
    • Euploid: a haploid kromoszómakészlet egészszámú többszörösét hordozzák (diploid, triploid, tetraploid)
      • Triploidok sterilek: a meiózis során páratlan számú kromoszómának kellene párba állni
      • Triploidokat diploid és tetrapolid szülők keresztezésével állítanak elő
      • (termesztett banán, nincs magja)
    • Aneuploid: néhány kromoszómával több / kevesebb van a genomban
      • Ivarsejtek képződésekor a meiózis során a kromoszómák hibás szétválása
    • Poliploid: több mint kétszeresét hordozzák az alap kromoszómaszámnak
      • Genommutációval jön létre
      • Tönkölybúza (21 pár kromoszóma): 7 pár kromoszómás kecskebúza és 7 pár kromoszómás alakor búza
        • Előnyös tulajdonság (nagyobb szem), terméketlen

A génműködés szabályzása

• Különböző felépítésű és működésű testi sejtjeink genetikai információtartalma azonos
  • Ezt mutációk megváltoztathatják
• Miért nem mindig aktív minden gén
  • A sejt típusa határozza meg, hogy milyen funkciót hív le a DNS-ből
  • Minden sejt minden gént tartalmaz
  • Minden testi sejt a zigótából származik
  • „bekapcsolt” gének: sejt / szövetspecifikus
  • „kikapcsolt” gének
• A gének megnyilvánulását a hormonális állapot is befolyásolja:
  • Apoláris hormonok: átdiffundálnak a sejtmembránokon
  • A citoplazmában úszó receptorhoz kötődnek
  • A sejtmag DNS-ének meghatározott szakaszain fehérjeszintézist indítanak be, géneket aktiválnak

• Laktóz-operon részei, szerepük
  • Génexpresszió szabályzása, mitől függ hogy melyik gének íródnak át
  • Operon: teljes szabályozó rendszer és működő gén
    • Egy hosszú DNS-szakasz
      • Kódoló gének szakasza: a funkcionális fehérjét kódolják (sruktúrgének)
      • Szabályozó régió
        • Promoter: innen kezdi az RNS-polimeráz a másolás
        • Operátor régió: ki-bekapcsoló (történjen-e transzkripció
        • Regulátor gén: a szabályozó fehérjét kódolja, az operon működését irányítja (sokszor „messze” van)
  • A lac-operon működése (E.Coli baktériumból)
    • Laktózbontás képességét irányítja, a laktózbontó enzimek működését szabályozzák
    • Glükózt használ energiatermelésre, de ha nincs glükóz, a laktózt is fel tudja használni
      • Laktózbontó enzimek csak akkor termelődnek, ha nincs glükóz és van laktóz (energiaspórolás)
    • Struktúrgének
      • Lacz, lacy és laca gének
      • Egyszerre íródnak át (egy promoter)
      • LacZ: béta-galaktozidáz-enzim; laktóz kettévágásáért felelős
      • LacY: permeáz;a laktóz nagy mennyiségben lévő felvétele a sejtbe
      • lacA: nem ismerjük a funkcióját ebben a folyamatban
    • Operátor
    • Promoter
    • Regulátor gén: folyamatosan transzkriptálódik -> represszor / gátló fehérje
      • KIKAPCSOLÁS: bekötődik az operátor régióhoz -> ha az RNS a promoterhez kötődik, a represszortól fizikailag nem tud tovább haladni -> nincs átírás
      • BEKAPCSOLÁS: megszűnik a gátlás
        • A laktóz kis mértékben bejut a sejtbe spontán -> ha van jelen laktóz, kötődik a represszor fehérjéhez és megváltoztatja a szerkezetét
        • Nem tud hozzákapcsolódni a a promoterhez
        • Az RNS akadály nélkül át tudja írni a DNS-szakaszt -> van laktózbontó enzim
    • A sejt környezete határozza meg a gének be- és kikapcsolódását
• Rák: genetikai betegség, megjelenését meghatározott génekben bekövetkező mutációk okozzák
  • A testi sejtekben bekövetkezett mutációk vezetnek daganatképződéshez
  • Proto-onkogének: a rákkal kapcsolatos gének
    • Mutációval onkogénné válnak
    • Az onkogének meghatározottt kombinációja miatt a sejt elveszíti szöveti azonosságát, korlátlan osztódásba kezd -> daganatképződés
  • Egyetlen sejtből keletkező mutáns klón

• Jó- és rosszindulatú daganat
  • Benignus: jóindulatú     
    • Kontrollálhatatlanul növekedik, de nem tör be a környező szövetekbe
    • Hártya borítja, ami elszigeteli a környezetétől
    • Lassabban növekednek
    • Eltávolíthatók, legtöbbször nem újulnak ki
    • Nem életveszélyesek
  • Malignus: rosszindulatú
    • Nem borítja hártya
    • Gyors növekedés
    • Betörnek a környező szövetekbe (infiltráció)
    • Karcinómák: hámszövetben
    • Szarkómák: kötőszövetben
• Áttétel / metasztázis
  • A rákos sejtek más szervekben, képletekben is előfordul
  • Limfogén és hematogén ill. üreges képletekbe jutva terjed
  • Karcinómák: limfogén
  • Szarkómák: hematogén
• Daganattípusok

• Bőrrák
  • • Az anyajegy elváltozása
      • Asszimetria
      • Egyenetlen szélek
      • Eltérő színű területek
      • Gyors növekedés
      • Vérzés, kifekélyesedés
      • Viszketés

• Emlőrák
  • • Csomó a mellben, hónaljban
    • A mellbimbó behúzódik
    • Ekcémának tűnő elváltozás
    • Az emlő bőre duzzadt, kemény, piros
    • Véres váladékozás

• Hererák
  • • Borsónyi, tömött, fájdalmatlan csomó a herében
    • Here megnagyobbodása
    • Tompa fájdalom az alsó hasban, lágyékban
    • Hirtelen folyadékfelhalmozódás a herezacskóban
    • Kényelmetlen, húzó érzés, fájdalom a herezacskóban, herében

• Prosztatarák
  • • Gyakori, éjjeli vizelés
    • Nehezen induló vizelés
    • Vizelet-visszatartás nehézsége
    • Gyenge, v. vizelés közben időnként megszakadó vizeletsugár
    • Fájdalmas, égető érzés vizelés közben
    • Vér megjelenése a vizeletben, ondóban
    • Előrehaladott: deréktáji fájdalom, merevség

• Méhnyakrák
  • • Szokatlan hüvelyi vérzés (nemi aktust követően)
    • A vérzés nem a menstruáció ideje alatt jelentkezik
    • Vérzés a menopauza után
    • Hüvelyi fájdalom (nemi aktust követően)
    • Kellemetlen szagú hüvelyi folyás
    • Fájdalomérzet vizeletürítés közben
• Korai felismerés jelentősége
  • Az elsődleges tumor sokáig anélkül növekedhet, hogy a beteg észrevehető tüneteket produkál
  • Gyógyulásra nagyobb esély van a betegség elején (áttétek képződése előtt)
  • Rendszeres szűrővizsgálatok