Genetyka (ze starożytnej greki: γένεσις genesis – "pochodzenie") – nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na informacji zawartej w podstawowych jednostkach dziedziczności – genach.

Zarys historii

Obserwacje Morgana dotyczące mutacji o dziedziczeniu sprzężonym z płcią powodującej występowanie białych oczu u Drosophili doprowadziły go do postawienia hipotezy, że geny znajdują się na chromosomach.

Pierwsze próby wyjaśnienia przyczyn dziedziczenia opierały się na teorii zapatrzenia dziś uznawanej za błędną. Inne koncepcje wiązały dziedziczenie z krwią.

Wiedza, iż istoty żywe dziedziczą cechy po swoich rodzicach była stosowana od czasów prehistorycznych w celu poprawy wielkości plonów oraz uzyskiwania lepszych odmian zwierząt poprzez hodowlę selektywną. Nowoczesna genetyka stara się zrozumieć proces dziedziczenia, a za jej prekursora uważa się niemiecko-czeskiego zakonnika i naukowca Grzegorza Mendla, który w 1886 roku po raz pierwszy opisał podstawowe prawa dziedziczenia cech. W swoich dokumentach "Experiments on Plant Hybridization" ("Eksperymenty krzyżowania roślin") zaprezentowanych w 1865 roku Stowarzyszeniu Badań Natury (Society for Research in Nature) w Brnie, Mendel naszkicował modele dziedziczenia pewnych cech w oparciu o groch zwyczajny i opisał je matematycznie.

W czasach Mendla podstawową teorią dziedziczenia była teoria mieszanego dziedziczenia. Polega ona na tym, że jednostki dziedziczą różny kompleks cech po swoich rodzicach. Prace Mendla obaliły tą teorię pokazując, że cechy są raczej kombinacją różnych genów niż stałym ich kompleksem. Inna teoria, która w ówczesnych czasach była dość popularna, mówiła o dziedziczeniu przyswojonych cech, tj. jednostki dziedziczą cechy wzmocnione przez ich rodziców. Teoria ta (zazwyczaj kojarzona z Jean-Baptiste de Lamarck) jest obecnie uważana za nieprawdziwą – doświadczenia jednostek nie mają wpływu na geny, które dziedziczą ich dzieci. Inne teorie to pangeneza Charlesa Darwina (która mówi o obu – nabytych i dziedziczonych cechach) i jej ponowne ujęcie pangenezy Francisa Galtona.

Rezultaty prac Mendla nie były rozumiane do czasu jego śmierci, kiedy to inni naukowcy pracujący nad podobnymi zagadnieniami ponownie odkryli jego badania. William Bateson orędownik pracy Mendla wymyślił w 1905 roku słowo "genetyka". Spopularyzował on użycie tego słowa, aby opisać badanie dziedziczenia w inauguracyjnej odezwie na Trzecią Międzynarodową Konferencję Krzyżowania Roślin w Londynie (The Third International conference on Plant Hybrydization in London) w 1906 roku.

Po ponownym odkryciu prac Mendla naukowcy starali się określić, które molekuły w komórkach były odpowiedzialne za dziedziczenie. W 1910 roku Thomas Hunt Morgan, bazując na obserwacjach udowodnił, że geny mają związek z chromosomami. W 1913 roku jego student Alfred Sturtevant użył fenomenu genetycznego łączenia, aby pokazać, że geny są rozmieszczone liniowo na chromosomach.

Genetyka molekularna

Pomimo, iż było jasne, że geny egzystują w chromosomach, chromosomy składają się z białek (zasadowych histonów, które tworzą strukturę oktanową) i DNA, uczeni nie wiedzieli, które elementy są odpowiedzialne za dziedziczenie. W 1928 roku Frederick Griffith odkrył fenomen transformacji, a mianowicie, iż martwa bakteria mogła przenieść materiał genetyczny, aby "przetransformować" inną wciąż żyjącą bakterię. 16 lat później w 1944 roku Oswald Theodore Avery, Colin McLeod i Maclyn McCarty zidentyfikował molekułę odpowiedzialną za transformację – DNA. Eksperyment przeprowadzony w 1952 roku przez Hershey–Chase także pokazał, że DNA jest materiałem genetycznym wirusów, które zarażają bakterie, dostarczając dalszych dowodów, że DNA jest molekułą odpowiedzialną za dziedziczenie.

James D. Watson i Francis Crick określili strukturę DNA w 1953 roku przy użyciu pracy krystalografii promieniami X Rosalindy Franklin, która wskazywała, że DNA ma strukturę spiralną (w formie korkociagu). Ich model podwójnej spirali ma dwa włókna DNA. Ta struktura pokazywała, że informacja genetyczna istnieje w sekwencji nukleotydów na każdym włóknie DNA i sugerowała łatwą metodę dla duplikacji: jeśli włókna są oddzielone nowe włókna mogą być zrekonstruowane na podstawie sekwencji starych włókien.

Pomimo, iż struktura DNA wskazywała na to, jak funkcjonuje dziedziczenie, w dalszym ciągu nie wiadomo było jak DNA wpływa na zachowanie komórek. W kolejnych latach naukowcy próbowali zrozumieć, jak DNA kontroluje proces produkcji białek. Odkryto, że komórki używają DNA jako szablonu do tworzenia nici RNA (molekuły z nukleoidami, bardzo podobnej do DNA) w procesie zwanym transkrypcją. Sekwencja nukleotydowa nici RNA jest używana w celu tworzenia sekwencji aminokwasów w białku w procesie translacji. Przekład między nukleotydami, a sekwencjami aminokwasów w białku jest znany jako kod genetyczny.

W 1977 roku Frederick Sanger odkrył terminację łańcucha sekwencjonowania DNA. Ta technologia pozwala naukowcom czytać sekwencje nukleotydową cząsteczki DNA. W 1983 roku Kary Banks Mullis odkrył reakcje łańcucha polimerazy, dostarczając łatwy sposób do izolacji i wzmocnienia specyficznej sekcji DNA z mieszanki. Dzięki wspólnemu wysiłkowi w ramach projektu Human Genome Project i jednoczesnych wysiłków Celera Genomics te oraz inne badania osiągnęły szczyt w sekwencjonowaniu ludzkiego genomu w 2003 roku.

Molekularna podstawa dziedziczenia

 Osobny artykuł: Kwas deoksyrybonukleinowy.

Molekularną podstawą genów jest kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). DNA jest zbudowane z łańcucha nukleotydów, które dzielą się na cztery rodzaje: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G), tymina (T). Informacja genetyczna znajduje się w sekwencji tych nukleotydów i geny egzystują jako odcinki sekwencji wzdłuż pierścienia DNA. Wirusy są jedynym wyjątkiem tej zasady – czasem wirusy wykorzystują uproszczoną w budowie cząsteczkę RNA zamiast DNA jako ich materiał genetyczny.

Zazwyczaj DNA występuje jako cząsteczka o podwójnym włóknie skręcona w kształt podwójnej spirali. Każdy nukleotyd w DNA specjalnie pasuje do drugiego nukleotydu po drugiej stronie: A pasują do T, a C pasują do G. Tak więc w formie z dwoma włóknami każde włókno zawiera wszystkie niezbędne informacje. Taka struktura DNA jest fizyczną bazą dziedziczności: replika DNA kopiuje informację genetyczną poprzez rozczepienie włókien i użycie każdego włókna jako szablon do syntezy nowego włókna.

Geny są umieszczone wzdłuż długich łańcuchów sekwencji DNA zwanymi chromosomami. U bakterii każda komórka ma pojedynczy okrężny chromosom, podczas gdy DNA organizmów eukariotycznych (zarówno roślin jak i zwierząt) jest umieszczone w wielu podłużnych chromosomach. Takie nici DNA są często bardzo długie. Dla przykładu najdłuższy ludzki chromosom ma długość ok. 247 milionów par zasad. DNA chromosomu jest połączone z proteinami strukturalnymi, które organizują, ściskają i kontrolują dostęp do DNA tworząc materiał zwany chromatyną. U eukariotów zazwyczaj tworzy on nukleosomy, powtarzając jednostki DNA pozwijane dookoła jądra protein histonowych. Pełny zestaw materiału genetycznego organizmu (zazwyczaj związane sekwencje DNA wszystkich chromosomów) jest nazywany genomem.

Podczas gdy organizmy haploidalne mają tylko jedną kopię każdego chromosomu, większość zwierząt i wiele roślin są diploidalne i zawierają dwa chromosomy i zatem dwie kopie każdego genu. Dwa allele dla genu znajdują się w identycznym miejscu jak chromatyda siostrzana, każda allela dziedziczona po oddzielnym rodzicu.

Wyjątek pojawia się w sześciu chromosomach. U wielu zwierząt rozwinęły się wyspecjalizowane chromosomy, które odgrywają rolę w określeniu płci organizmu. U ludzi i innych ssaków chromosom Y ma bardzo mało genów i inicjuje rozwój męskich cech seksualnych, podczas gdy chromosom X jest podobny do innych chromosomów i posiada wiele genów niezwiązanych z determinacją płci. Żeńskie mają dwie kopie chromosomów X, męskie mają jedno Y i tylko jeden chromosom X – ta różnica w liczbie kopii chromosomu X prowadzi do nienaturalnej formy dziedzicznych zaburzeń sprzężonych z płcią.

Rozmnażanie

Gdy komórki dzielą się ich całkowity genom jest kopiowany i każda komórka–córka dziedziczy jedną kopię. Ten proces nazywany mitozą jest najprostszą formą reprodukcji i jest podstawą rozmnażania bezpłciowego. Rozmnażanie bezpłciowe może także zdarzać się w organizmach wielokomórkowych produkujących potomstwo, które dziedziczy ich genomy po jednym rodzicu. Potomstwo, które ma identyczny materiał genetyczny jak rodzice nazywane jest klonem.

Organizmy eukariotyczne często rozmnażają się płciowo, aby wytwarzać potomstwo, które zawiera mieszankę materiału genetycznego od dwóch rodziców. Proces rozmnażania płciowego przeplata się między formami, które zawierają pojedyncze kopie genomu (haploidy) i podwójne kopie (diploidy). Komórki haploidalne łączą i mieszają materiał genetyczny, aby stworzyć komórkę diploidalną z parą chromosomów. Organizmy diploidalne z haploidów poprzez podział bez powielania ich DNA, w celu tworzenia komórek–córek, które losowo dziedziczą jedną z pary chromosomów. Większość zwierząt i wiele roślin są diploidalne przez większość ich rozpiętość życia z formą haploidalną zredukowaną do pojedynczych gamet komórkowych.

Jednakże nie używają one haploidalnych/diploidalnych metod rozmnażania płciowego. Bakteria ma wiele metod przyswajania nowej informacji genetycznej. Pewne bakterie mogą przechodzić koniugację, transfer małego okrężnego fragmentu DNA do innej bakterii. Bakteria może także zająć surowe fragmenty DNA znalezione w środowisku i zintegrować je do ich genomu. Ten fenomen nazywany jest transformacją. Procesy te wynikają z horyzontalnego transferu genów, transmitujących fragmenty materiału genetycznego między organizmami, które w przeciwnym wypadku byłyby niespokrewnione.

Rekombinacja i sprzężenie

Diploidalna natura chromosomów pozwala genom innych chromosomów na dobór niezależny podczas rozmnażania płciowego rekombinując nową kombinację genów. Geny tego samego chromosomu teoretycznie nigdy nie będą rekombinowane. Podczas krzyżowania się, chromosomy wymieniają odcinki DNA efektywnie mieszając allele genowe między chromosomami. Proces krzyżowania chromosomów następuje podczas mejozy – serii podziału, w wyniku której powstają komórki haploidalne.

Prawdopodobieństwo krzyżowania się chromosomów następującego między dwoma punktami genów odnosi się do odległości między dwoma punktami. Dla dowolnie długiego dystansu prawdopodobieństwo krzyżowania się jest wystarczająco wysokie, aby dziedziczenie genów nie korelowało ze sobą – allele dwóch genów dążą, aby być dziedziczone wspólnie. Liczbę krzyżowań między seriami genów można ustalić na podst. linearnej mapy krzyżowań, która ogólnie opisuje układ genów wzdłuż chromosomów.