Allel jest to jedna z wersji genu w określonym miejscu (locus) na danym chromosomie homologicznym. Allele tego samego genu różnią się mutacją w jednego lub więcej nukleotydów. Dzięki zdegenerowaniu kodu genetycznnego tylko część tych różnic przekłada się na różnice w budowie kodowanych białek. Powoduje to zróżnicowanie właściwości cząsteczek białka kodowanego przez różne allele jednego genu.
Allele mogą być dominujące (oznaczany zwyczajowo wielką literą i kursywą: A) lub recesywne (oznaczany: a). W heterozygocie efekt działania allelu dominującego sprawi, że obecność allelu recesywnego nie będzie manifestowała się (fenotyp dominujący). Obecność alleli recesywnych ulega ekspresjii tylko przy braku alleli dominujących. Allele mogą też być kodominujące, jak to jest w przypadku grup krwi. Przyjęto, że allele jednego genu oznacza się różnymi wariantami tej samej litery: A i a, IA, IB, i0 itp. W puli genowej populacji na ogół występuje wiele alleli tego samego genu.
W najnowszych publikacjach naukowych nazwę "allel" stosuje się wymiennie z nazwą "gen", co wiąże się z faktem, że praktycznie każdy gen występuje w co najmniej dwóch postaciach. W massmediach częste są doniesienia o odkryciu genu czegoś tam np. genu jakiejś choroby. Taka informacja może budzić pytanie Po co jest gen powodujący jakąś chorobę? Otóż w ogromnej większości przypadków są to doniesienia o odkryciu jakiejś formy genu, którego głównym celem jest spełnianie często ważnej funkcji, natomist omawiany w doniesieniach efekt jest skutkiem ubocznym lub jest to doniesienie o nowej formie genu, którego efektywność działania (w górę lub w dół) jest znacząco inna od dotychczas znanych.
Mejoza, skrót: R! (R - od redukcji) - proces podziału komórki występujący u organizmów rozmnażających się płciowo. Polega na takich podziałach jądra komórki diploidalnej, że w rezultacie powstają 4 komórki haploidalne. Pierwszy podział mejotyczny nazywany jest podziałem redukcyjnym, a drugi zaś podziałem ekwatorialnym. Skrótowo piszemy: mejoza I i mejoza II.
Przebieg mejozy I
profaza I
leptoten
Chromatyna zaczyna przybierać kształt długich nici, które oplatają jądro. Chromosomy mają rodzaj białkowego rdzenia stanowiącego ich oś. Każdy z chromosomów mejotycznych jest przytwierdzony do otoczki jądrowej za pomocą płytki przyczepowej (attachment plaque). Chromosomy składają się z dwóch chromatyd sprawiających wrażenie pojedynczej linii. Tworzy się wrzeciono podziałowe (tzw. kariokinetyczne).
zygoten
Dochodzi do koniugacji (synapsis). Chromosomy homologiczne łączą się ze sobą za pomocą tworzącego się kompleksu synaptonemalnego. Do łączenia się dochodzi, gdy zetkną się ze sobą dwa końce chromosomów na wewnętrznej stronie jądra. Cały kompleks przesuwa się dalej ku środkowi, swym działaniem przypominając zamek błyskawiczny. Dwa koniugujące chromosomy to biwalent lub tetrada.
pachyten
Pomiędzy wewnętrznymi chromatydami skoniugowanych chromosomów tworzą się węzły, zwane chiazmami, mającymi ułatwić wymianę materiału genetycznego, czyli crossing-over. Kompleks synaptemalny jest zwarty. Dosyntetyzowywane jest 0,3% DNA.
diploten
Rozdzielenie chromosomów homologicznych tzw. desynapsis . Kompleks synaptonemalny ulega rozpuszczeniu. Każdy z biwalentów połączony jest poprzez jedną lub więcej chiazm. Intensywna synteza RNA i dekondensacja chromosomów.
diakineza
Zmniejszenie syntezy RNA, kondensacja chromosomów (grubieją i oddalają się od otoczki jądrowej). Kinetochory każdego z dwóch chromosomów tworzących biwalent zlewają się ze sobą. Mikrotubule łączą kinetochor tylko z jednym centromerem. Chromatydy niesiostrzane pozostają połączone w chiazmach, których liczba systematycznie maleje.
metafaza I
powstanie wrzeciona podziałowego, zanik otoczki jądrowej, ustawienie tetrad w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego.
anafaza I
rozejście się chromosomów homologicznych do przeciwległych biegunów komórki.
telofaza I
zaniknięcie wrzeciona, odtworzenie otoczki jądrowej, powstanie dwóch jąder potomnych o liczbie chromosomów zredukowanej do połowy w stosunku do komórki macierzystej. Niektórzy twierdzą że telofaza I nie zachodzi.
Przebieg mejozy II
profaza II
kondensacja chromatyny do chromosomów, rozerwanie centromerów.
metafaza II
zanik otoczki jądrowej, powstanie wrzeciona podziałowego, ustawienie centromerów w płaszczyźnie równikowej komórki.
anafaza II
oddzielenie chromatyd siostrzanych i ich wędrówka do przeciwnych biegunów komórki; wrzeciono podziałowe kurczy się, centromery pękają, czego skutkiem jest oddzielenie się chromatyd.
telofaza II
przekształcenie chromatyd w chromosomy potomne.
W rezultacie mejozy I dostajemy 2 komórki haploidalne, a kolejny podział, już bez redukcji materiału genetycznego, sprawia, że w wyniku całej mejozy z jednej komórki diploidalnej powstają 4 komórki haploidalne.
Znaczenie mejozy
Podczas mejozy powstaje komórka o zredukowanej liczbie chromosomów, dzięki czemu w procesie zapłodnienia zostaje odtworzona diploidalna komórka. Komórki haploidalne powstajęce po podziale posiadają nowe kombinacje genów. Wynika to z faktu, że do jąder potomnych wędrują przypadkowe chromosomy spośród chromosomów homologicznych (anafaza I), a poza tym w trakcie mejozy następuje również losowa wymiana części chromatyd chromosomów homologicznych pochodzących od obojga rodziców (crossing-over).
Crossing-over - to wymiana materiału genetycznego między chromosomami homologicznymi, w wyniku którego zwiększa się zmienność genetyczna. Proces ten zachodzi w profazie I mejozy (pachytenie) i polega na tworzeniu połączeń chiazm między chromatydami, a następnie rozrywaniu tych połączeń, ale tak, że następuje wymiana ich odcinków. Crossing-over jest procesem o dużym znaczeniu dla różnorodności genetycznej, ponieważ prowadzi do powstania komórek potomnych o genotypie innym od rodzicielskiego.
W wyniku crossing-over dochodzi do rozszczepienia genów sprzężonych i powstania nowych sprzężeń. Częstość tego procesu zależy od odległości pomiędzy rozpatrywanymi genami w chromosomie: im bliżej są one położone, tym silniej są sprzężone i mniejsze jest prawdopodobieństwo rozdzielenia ich pomiędzy dwa różne chromosomy homologiczne. Wystąpienie crossing-over w określonym miejscu chromosomu wpływa ograniczająco na możliwość zajścia c-o w pobliżu. Zjawisko to określane jest terminem interferencji.
Replikacja DNA to proces, w którym podwójna nić DNA ulega skopiowaniu. Replikacja jest semikonserwatywna - w każdej z dwóch uzyskanych podwójnych nici DNA będzie jedna nić macierzysta i jedna nowa. Nie licząc niewielkiego prawdopodobieństwa (ok. 1 błąd na 109 nukleotydów, dla porównania błąd transkrypcji - 1 na 104) wystąpienia błędu obie cząsteczki DNA będą identyczne.
Substratami tego procesu są:
matryca DNA;
trifosforany deoksyrybonukleotydów (dNTP);
ATP - energia dla helikaz;
W procesie tym stwierdzono wiele aktywności enzymatycznych (udział enzymów) tj.:
helikazy - rozrywają wiązania wodorowe między nićmi matrycowego DNA, rozkręcając helisę i umożliwiając rozpoczęcie procesu;
prymaza - syntetyzuje starter;
polimerazy DNA - polimeryzuje zgodnie z zasadą komplementarności fosforany deoksyrybonukleotydów;
egzonukleaza - usuwa startery RNA z nici;
ligaza DNA - uzupełnia brakujące wiązania fosfodiestrowe w szkielecie nowo-zsyntezowanej nici DNA
różne enzymy pomocnicze
Zasady replikacji są podobne u wszystkich organizmów, przy czym największe różnice występują między bakteriami z jednej strony, a archea i eukariontami z drugiej.
U bakterii replikacja zaczyna się w ustalonym miejscu i postępuje bardzo szybko, z prędkością rzędu 1000 nukleotydów na sekundę. U eukariotów replikacja jest o wiele wolniejsza, ok. 50 nukleotydów na sekundę, jednak zachodzi równocześnie w wielu miejscach.
Polimeraza DNA działa jedynie w kierunku od końca 3' do końca 5' (czyli syntetyzuje nową nić w kierunku od 5' do 3'). Z tego powodu jedna z nici jest syntezowana w sposób ciągły, druga (ta, którą chcielibyśmy zsyntezować w przeciwną stronę) fragmentami (tzw. fragmenty Okazaki).
Przebieg replikacji DNA
Szczegóły procesu
Kopiowanie podwójnej helisy DNA jest procesem złożonym. Proces dzieli się na fazy inicjalizacji, wydłużania i terminacji. W kolistych cząsteczkach DNA replikacja rozpoczyna się w miejscu inicjacji, o długości ok. 200-300 par nukleotydów. Miejsce to oznacza się skrótem ori od ang. origin. W liniowych chromosomach aktywnych przebiegać może wiele (tysiące) jednoczesnych procesów replikacji. Aby replikacja przebiegła prawidłowo, podczas rozdzielenia obu nici musi nie może dojść do ich struktury podstawowej (I-rzędowej). Muszą także zostać spełnione następujące warunki:
matryca DNA musi zostać dokładnie odczytana,
dostępna musi być odpowiednia ilość wolnych nukleotydów
podczas procesu musi zostać zachowana komplementarność nici.
Na koniec musi dojść do terminacji replikacji, ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowopowstałego łańcucha i połączenia nowego łańcucha z łańcuchem macierzystym w helisę. U bakterii zakończenie replikacji następuje niemal automatycznie (po skopiowaniu całego kolistego DNA, który jest pojedynczym replikonem). U eukariotów miejsc replikacji (replikonów) jest wiele. Terminacja replikacji następuje w momencie ukończenia procesów przebiegających jednocześnie w różnych miejscach replikujących się cząsteczek DNA. Do terminacji dochodzi, gdy widełki replikacyjne replikonu natkną się na specjalną sekwencję terminacyjną. Proces replikacji niekolistych (eukariotycznych) cząsteczek DNA wiąże się z problemem wolnych zakończeń powstających cząsteczek DNA. Zakończenia te, zwane telomerami składają się z krótkich wielokrotnie powtórzonych sekwencji. Replikazy wydłużają jedynie istniejące już nici, nie są natomiast w stanie zsyntetyzować końcowych odcinków telomerów. W rezultacie odcinki te narażone są na regularne skracanie. Skracaniu temu zapobiega obecność telomerazy, która przeprowadza odwrotną transkrypcję tych odcinków, posługując się jako "matrycą" nie DNA, ale RNA, będącym częścią składową tego enzymu. Zapobiega to usunięciu znaczących fragmentów DNA.
Grupa białek rozwijających widełki replikacyjne to prymosom.
Różnice między grupami organizmów
Replikacja DNA u bakterii oraz archea i eukariotów (które prawie zawsze mają takie same mechanizmy przetwarzania informacji) różni się w istotny sposób. Nie wszystkie enzymy uczestniczące w tym procesie są uważane za homologiczne, co może sugerować, że u ich ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka proces replikacji DNA był tylko częściowo wykształcony.
Transformacja, transformacja bakteryjna, transformacja DNA - zjawisko i proces aktywnego pobierania DNA, zwykle plazmidowego DNA, przez organizmy jednokomórkowe, najczęściej bakterie i drożdże. Zdolność do transformacji nazywa się kompetencją. Naturalnie bakterie i drożdże mają stosunkowo niską kompetencję. W celach eksperymentalnych kompetencja może być podwyższona przez traktowanie organizmów roztworami soli.
Transformacja pełni u bakterii funkcję namiastki procesu płciowego, umożliwiając wymianę genów, często nawet między odległymi organizmami. Zjawisko transformacji ma ogromne znaczenie medyczne, gdyż geny warunkujące lekooporność są wymieniane na plazmidach, znacznie przyspieszając rozprzestrzenianie się oporności na antybiotyki.
Zjawisko transformacji ma rozległe zastosowanie w technikach biologii molekularnej. Jest używane do klonowania genów, powielania plazmidowego DNA, wymuszonej ekspresji obcych genów w organizmach jednokomórkowych, etc.