Genetika (ze starořeckého γενετικός genetikos, „genitive“ a z γένεσις genesis, „origin“[1][2][3]), obor biologie, je věda o dědičnosti a variacích v živých organismech.[4][5] Skutečnost, že živé věci dědí rysy po svých rodičích, se od pravěku používá ke zlepšení rostlinných plodin a živočichů prostřednictvím selektivního šlechtění. Moderní věda o genetice, která se snaží porozumět procesu dědičnosti, však začala až s prací Gregora Mendela v polovině devatenáctého století.[6] I když Mendel neznal fyzikální základ dědičnosti, pozoroval, že organismy dědí rysy diskrétním způsobem – tyto základní jednotky dědičnosti se dnes nazývají geny.
DNA, molekulární základ pro dědičnost. Každý řetězec DNA tvoří řetězec nukleotidů, které se v centru vzájemně shodují a vytvářejí něco, co vypadá jako příčle na pokrouceném žebříku.
Geny odpovídají oblastem v DNA, molekule složené z řetězce čtyř různých typů nukleotidů – sekvence těchto nukleotidů je genetická informace, kterou organismy dědí. DNA se přirozeně vyskytuje ve dvouvláknové formě, přičemž nukleotidy na každém vlákně se vzájemně doplňují. Každé vlákno může fungovat jako šablona pro vytvoření nového partnerského vlákna – to je fyzikální metoda pro vytváření kopií genů, které lze zdědit.
Sekvence nukleotidů v genu je buňkami překládána do řetězce aminokyselin, čímž vznikají bílkoviny – pořadí aminokyselin v bílkovině odpovídá pořadí nukleotidů v genu. Tomu se říká genetický kód. Aminokyseliny v bílkovině určují, jak se složí do trojrozměrného tvaru; tato struktura je zase zodpovědná za funkci bílkoviny. Bílkoviny vykonávají téměř všechny funkce potřebné k životu buněk. Změna DNA v genu může změnit aminokyseliny bílkoviny, změnit její tvar a funkci: to může mít dramatický vliv v buňce i na organismus jako celek.
I když genetika hraje velkou roli ve vzhledu a chování organismů, je to kombinace genetiky s tím, co organismus prožívá, která určuje konečný výsledek. Zatímco například geny hrají roli při určování výšky člověka, výživa a zdraví, které člověk prožívá v dětství, mají také velký vliv.
Morganovo pozorování pohlavně vázané dědičnosti mutace způsobující bílé oči v Drosophile ho přivedlo k hypotéze, že geny se nacházejí na chromozomech.
Mendelova a klasická genetika
Moderní věda o genetice má kořeny v Gregoru Johannu Mendelovi, německo-českém augustiniánském mnichovi a vědci, který studoval podstatu dědičnosti v rostlinách. Ve své práci „Versuche über Pflanzenhybriden“ („Pokusy o hybridizaci rostlin“), kterou v roce 1865 předložil Naturforschender Verein (Společnost pro výzkum v přírodě) v Brně, Mendel vystopoval dědičné vzorce určitých znaků v rostlinách hrachu a popsal je matematicky.[9] Ačkoli tento dědičný vzorec bylo možné pozorovat jen u několika znaků, Mendelova práce naznačila, že dědičnost je částicová, nikoli získaná, a že dědičné vzorce mnoha znaků lze vysvětlit jednoduchými pravidly a poměry.
Význam Mendelovy práce získal široké pochopení až v 90. letech 19. století, po jeho smrti, kdy jiní vědci pracující na podobných problémech znovu objevili jeho výzkum. William Bateson, zastánce Mendelovy práce, vytvořil slovo genetika v roce 1905.[10][11] (Přídavné jméno genetické, odvozené z řeckého slova genesis – γένεσις, „původ“ a to ze slova genno – γεννώ, „rodit“, předchází podstatnému jménu a poprvé bylo použito v biologickém smyslu v roce 1860.)[12] Bateson popularizoval používání slova genetika k popisu studia dědičnosti ve svém inauguračním projevu na Třetí mezinárodní konferenci o hybridizaci rostlin v Londýně v Anglii v roce 1906.[13]
Po znovuobjevení Mendelovy práce se vědci pokusili určit, které molekuly v buňce jsou zodpovědné za dědičnost. V roce 1910 Thomas Hunt Morgan tvrdil, že geny jsou na chromozomech, na základě pozorování mutace bílých očí vázaných na pohlaví u octomilek.[14] V roce 1913 jeho student Alfred Sturtevant použil fenomén genetické vazby, aby ukázal, že geny jsou uspořádány lineárně na chromozomu.[15]
Watson (na snímku) a Francis Crick určili strukturu DNA v roce 1953.
Ačkoli bylo známo, že geny existují na chromozomech, chromozomy se skládají jak z bílkovin, tak z DNA – vědci nevěděli, který z nich je zodpovědný za dědičnost. V roce 1928 objevil Frederick Griffith fenomén transformace (viz Griffithův experiment): mrtvé bakterie mohly přenášet genetický materiál k „transformaci“ dalších dosud žijících bakterií. O šestnáct let později, v roce 1944, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod a Maclyn McCarty identifikovali molekulu zodpovědnou za transformaci jako DNA.[16] Experiment Hershey-Chase v roce 1952 také ukázal, že DNA (spíše než bílkovina) je genetický materiál virů, které infikují bakterie, což poskytuje další důkaz, že DNA je molekula zodpovědná za dědičnost.[17]
James D. Watson a Francis Crick určili strukturu DNA v roce 1953 pomocí rentgenové krystalografické práce Rosalindy Franklinové, která naznačila, že DNA má šikmou strukturu (tj. ve tvaru vývrtky).[18][19] Jejich model s dvojitou šroubovicí měl dva řetězce DNA s nukleotidy směřujícími dovnitř, z nichž každý odpovídal komplementárnímu nukleotidu na druhém řetězci, aby vytvořil něco, co vypadá jako příčky na pokrouceném žebříku.[20] Tato struktura ukázala, že genetická informace existuje v posloupnosti nukleotidů na každém řetězci DNA. Struktura také navrhla jednoduchou metodu duplikace: pokud jsou řetězce odděleny, mohou být nové partnerské řetězce rekonstruovány pro každý z nich na základě posloupnosti starého řetězce.
Ačkoli struktura DNA ukázala, jak funguje dědičnost, stále nebylo známo, jak DNA ovlivňuje chování buněk. V následujících letech se vědci snažili pochopit, jak DNA řídí proces tvorby proteinů. Bylo zjištěno, že buňka používá DNA jako šablonu k vytvoření odpovídající messenger RNA (molekula s nukleotidy, velmi podobná DNA). Sekvence nukleotidů messenger RNA se používá k vytvoření sekvence aminokyselin v proteinu; tento překlad mezi sekvencemi nukleotidů a aminokyselin je známý jako genetický kód.
S tímto molekulárním chápáním dědičnosti se stala explozí výzkumu. Jedním z důležitých vývojů bylo sekvenování DNA s ukončením řetězce v roce 1977 Frederickem Sangerem: tato technologie umožňuje vědcům číst nukleotidovou sekvenci molekuly DNA.[21] V roce 1983 Kary Banks Mullis vyvinul polymerázovou řetězovou reakci, poskytující rychlý způsob, jak izolovat a zesílit specifický úsek DNA ze směsi.[22] Prostřednictvím společného úsilí Projektu lidského genomu a paralelního soukromého úsilí Celera Genomics, tyto a další techniky vyvrcholily sekvenování lidského genomu v roce 2003.[23]
Diskrétní dědictví a Mendelovy zákony
Punnettův čtverec znázorňující křížence dvou rostlin hrachu heterozygotních pro fialové (B) a bílé (b) květy
Na nejzákladnější úrovni se dědičnost v organismech vyskytuje prostřednictvím diskrétních znaků, zvaných geny.[24] Tuto vlastnost poprvé pozoroval Gregor Mendel, který studoval oddělování dědičných znaků v rostlinách hrachu.[9][25] Ve svých experimentech studujících znak pro barvu květů Mendel pozoroval, že květy každé rostliny hrachu jsou buď fialové nebo bílé – a nikdy nejsou meziproduktem mezi oběma barvami. Tyto různé, diskrétní verze stejného genu se nazývají alely.
V případě rostlin hrachu má každý organismus dvě alely od každého genu a rostliny dědí jednu alelu od každého rodiče.[26] Mnoho organismů, včetně lidí, má tento vzorec dědičnosti. Organismy se dvěma kopiemi stejné alely se nazývají homozygotní, zatímco organismy se dvěma různými alelami jsou heterozygotní.
Soubor alel pro daný organismus se nazývá jeho genotyp, zatímco pozorovatelná vlastnost, kterou organismus má, se nazývá jeho fenotyp. Když jsou organismy heterozygotní, často se jedna alela nazývá dominantní, protože její vlastnosti dominují fenotypu organismu, zatímco druhá alela se nazývá recesivní, protože její vlastnosti ustupují a nejsou pozorovány. Některé alely nemají úplnou dominanci a místo toho mají neúplnou dominanci tím, že exprimují meziprodukt fenotypu, nebo kodominanci tím, že exprimují obě alely najednou.[27]
Když se pár organismů rozmnoží pohlavně, jejich potomci náhodně zdědí jednu ze dvou alel od každého rodiče. Tato pozorování diskrétní dědičnosti a segregace alel jsou souhrnně známa jako Mendelův první zákon nebo zákon segregace.
Genetické rodokmeny grafy pomáhají sledovat dědičnost vzorů znaků.
Genetici používají k popisu dědičnosti diagramy a symboly. Gen je reprezentován písmenem (nebo písmeny) – velké písmeno představuje dominantní alelu a recesivní je reprezentováno malými písmeny.[28] K označení obvyklé, nemutované alely pro gen se často používá symbol „+“.
Při pokusech s oplodněním a chovem (a zejména při diskusích o Mendelových zákonech) jsou rodiče označováni jako generace „P“ a potomci jako generace „F1“ (první filiální). Když se potomci F1 páří mezi sebou, jsou potomci označováni jako generace „F2“ (druhá filiální). Jedním ze společných diagramů používaných k předpovídání výsledku křížení je Punnettův čtverec.
Při studiu lidských genetických onemocnění genetici často používají rodokmenové grafy, které znázorňují dědičnost znaků.[29] Tyto grafy mapují dědičnost znaku v rodokmenu.
Interakce více genů
Lidská výška je komplexní genetický rys. Data Francise Galtona z roku 1889 ukazují vztah mezi výškou potomstva jako funkci střední výšky rodiče. I když koreluje, zbývající variace výšky potomstva naznačuje, že prostředí je také důležitým faktorem tohoto rysu.
Organismy mají tisíce genů a v sexuálně se rozmnožujících organismech je sortiment těchto genů obecně na sobě nezávislý. To znamená, že dědičnost alely pro žlutou nebo zelenou barvu hrachu nesouvisí s dědičností alel pro bílé nebo fialové květy. Tento jev, známý jako „Mendelův druhý zákon“ nebo „zákon nezávislého sortimentu“, znamená, že alely různých genů se míchají mezi rodiči, aby vytvořily potomky s mnoha různými kombinacemi. (Některé geny se nemísí nezávisle, což prokazuje genetickou vazbu, což je téma, o kterém se pojednává později v tomto článku.)
Často se různé geny mohou vzájemně ovlivňovat způsobem, který ovlivňuje stejnou vlastnost. Například u modrooké Marie (Omphalodes verna) existuje gen s alelami, které určují barvu květů: modrou nebo purpurovou. Jiný gen však kontroluje, zda mají květy vůbec barvu: barvu nebo bílou. Pokud má rostlina dvě kopie této bílé alely, její květy jsou bílé – bez ohledu na to, zda má první gen alely modré nebo purpurové. Tato interakce mezi geny se nazývá epistáza, přičemž druhý gen je epistatický k prvnímu.[30]
Mnoho znaků nejsou diskrétní znaky (např. fialové nebo bílé květy), ale naopak kontinuální znaky (např. lidská výška a barva kůže). Tyto komplexní znaky jsou produktem mnoha genů.[31] Vliv těchto genů je v různé míře zprostředkován prostředím, které organismus zažil. Míra, do jaké geny organismu přispívají ke komplexnímu znaku, se nazývá dědičnost.[32] Měření dědičnosti znaku je relativní – v variabilnějším prostředí má prostředí větší vliv na celkovou variabilitu znaku. Například lidská výška je komplexní znak s dědičností 89% ve Spojených státech. V Nigérii, kde lidé zažívají variabilnější přístup k dobré výživě a zdravotní péči, má však výška dědičnost jen 62%.[33]
Molekulární základ pro dědičnost
Molekulární struktura DNA. Základy se párují prostřednictvím uspořádání vodíkových vazeb mezi vlákny.
DNA normálně existuje jako dvouvláknová molekula, stočená do tvaru dvoušroubovice. Každý nukleotid v DNA se přednostně spáruje se svým partnerským nukleotidem na opačném vlákně: A se spáruje s T, a C se spáruje s G. Ve své dvouvláknové formě tedy každé vlákno efektivně obsahuje všechny potřebné informace, nadbytečné se svým partnerským vláknem. Tato struktura DNA je fyzikálním základem pro dědičnost: replikace DNA duplikuje genetickou informaci rozdělením vláken a použitím každého vlákna jako šablony pro syntézu nového partnerského vlákna.[36]
Geny jsou uspořádány lineárně podél dlouhých řetězců sekvencí DNA, nazývaných chromozomy. U bakterií má každá buňka jeden kruhový chromozom, zatímco eukaryotické organismy (které zahrnují rostliny a zvířata) mají svou DNA uspořádanou do více lineárních chromozomů. Tyto řetězce DNA jsou často extrémně dlouhé; největší lidský chromozom má například délku asi 247 milionů párů bází.[37] DNA chromozomu je spojena se strukturálními proteiny, které organizují, kompaktují a kontrolují přístup k DNA, čímž vytvářejí materiál zvaný chromatin; u eukaryot je chromatin obvykle složen z nukleozomů, opakujících se jednotek DNA omotaných kolem jádra histonových proteinů.[38] Úplná sada dědičného materiálu v organismu (obvykle kombinované sekvence DNA všech chromozomů) se nazývá genom.
Zatímco haploidní organismy mají pouze jednu kopii každého chromozomu, většina živočichů a mnoho rostlin jsou diploidní, obsahují od každého chromozomu dvě a tedy dvě kopie každého genu.[26] Obě alely pro gen se nacházejí na identických lokusech sesterských chromatid, každá alela je zděděna od jiného rodiče.
Schéma eukaryotického dělení buněk Walthera Flemminga z roku 1882. Chromozomy se kopírují, kondenzují a organizují. Poté, jak se buňka dělí, se chromozomy oddělují do dceřiných buněk.
Výjimka existuje u pohlavních chromozomů, specializovaných chromozomů se vyvinulo mnoho zvířat, která hrají roli při určování pohlaví organismu.[39] U lidí a jiných savců má chromozom Y velmi málo genů a spouští vývoj mužských pohlavních charakteristik, zatímco chromozom X je podobný ostatním chromozomům a obsahuje mnoho genů nesouvisejících s určením pohlaví. Ženy mají dvě kopie chromozomu X, ale muži mají jeden chromozom Y a pouze jeden chromozom X – tento rozdíl v počtu kopií chromozomu X vede k neobvyklým dědičným vzorcům poruch spojených s pohlavím.
Když se buňky rozdělí, zkopíruje se celý jejich genom a každá dceřiná buňka zdědí jednu kopii. Tento proces, nazývaný mitóza, je nejjednodušší formou reprodukce a je základem pro asexuální reprodukci. Asexuální reprodukce se může objevit i v mnohobuněčných organismech, kde vznikají potomci, kteří zdědí svůj genom od jednoho rodiče. Potomci, kteří jsou geneticky identičtí se svými rodiči, se nazývají klony.
Eukaryotické organismy často používají pohlavní reprodukci ke generování potomků, kteří obsahují směs genetického materiálu zděděného od dvou různých rodičů. Proces pohlavní reprodukce se střídá mezi formami, které obsahují jednotlivé kopie genomu (haploidní) a dvojité kopie (diploidní).[26] Haploidní buňky se slučují a kombinují genetický materiál za účelem vytvoření diploidní buňky s párovými chromozomy. Diploidní organismy tvoří haploidy dělením, aniž by kopírovaly svou DNA, za účelem vytvoření dceřiných buněk, které náhodně zdědí jeden z každého páru chromozomů. Většina zvířat a mnoho rostlin je diploidních po většinu svého života, přičemž haploidní forma je redukována na jednobuněčné gamety.
Ačkoli bakterie nepoužívají haploidní/diploidní metodu pohlavního rozmnožování, mají mnoho metod získávání nové genetické informace. Některé bakterie mohou projít konjugací, přenesením malého kruhového kousku DNA na jinou bakterii.[40] Bakterie mohou také převzít surové fragmenty DNA nalezené v prostředí a integrovat je do svého genomu, což je jev známý jako transformace.[41] Tyto procesy vedou k horizontálnímu přenosu genů, přenosu fragmentů genetické informace mezi organismy, které by jinak nebyly příbuzné.
Ilustrace dvojitého křížení chromozomů od Thomase Hunta Morgana z roku 1916
Diploidní povaha chromozomů umožňuje genům na různých chromozomech, aby se během pohlavní reprodukce nezávisle sdružovaly a rekombinovaly se do nových kombinací genů. Geny na stejném chromozomu by se však teoreticky nikdy nerekombinovaly, nebýt procesu chromozomálního křížení. Během křížení si chromozomy vyměňují úseky DNA, čímž efektivně míchají genové alely mezi chromozomy.[42] K tomuto procesu chromozomálního křížení obvykle dochází během meiózy, série buněčných dělení, která vytváří haploidní buňky.
Pravděpodobnost chromozomálního křížení mezi dvěma danými body na chromozomu souvisí se vzdáleností mezi nimi. U libovolně dlouhé vzdálenosti je pravděpodobnost křížení natolik vysoká, že dědičnost genů je v podstatě nekorelovaná. U genů, které jsou blíže u sebe, však nižší pravděpodobnost křížení znamená, že geny vykazují genetickou vazbu – alely pro oba geny bývají děděny společně. Množství vazby mezi sérií genů lze kombinovat do lineární mapy vazeb, která zhruba popisuje uspořádání genů podél chromozomu.[43]
Geny obecně vyjadřují svůj funkční účinek produkcí proteinů, což jsou složité molekuly zodpovědné za většinu funkcí v buňce. Proteiny jsou řetězce aminokyselin a sekvence DNA genu (přes RNA meziprodukt) se používá k vytvoření specifické sekvence proteinu. Tento proces začíná produkcí molekuly RNA se sekvencí odpovídající sekvenci DNA genu, což je proces zvaný transkripce.
Tato messenger RNA molekula se pak používá k vytvoření odpovídající sekvence aminokyselin procesem zvaným translace. Každá skupina tří nukleotidů v sekvenci, nazývaná kodon, odpovídá jedné z dvaceti možných aminokyselin v proteinu – tato korespondence se nazývá genetický kód.[44] Tok informací je jednosměrný: informace se přenáší z nukleotidových sekvencí do aminokyselinové sekvence proteinů, ale nikdy se nepřenáší z proteinu zpět do sekvence DNA – jev, který Francis Crick nazval ústředním dogmatem molekulární biologie.[45]
Dynamická struktura hemoglobinu je zodpovědná za jeho schopnost transportovat kyslík v savčí krvi.
Jediná změna aminokyseliny způsobí, že hemoglobin vytvoří vlákna.
Specifická sekvence aminokyselin má za následek unikátní trojrozměrnou strukturu tohoto proteinu a trojrozměrné struktury proteinu souvisí s jejich funkcí.[46][47] Některé jsou jednoduché strukturní molekuly, jako vlákna tvořená proteinovým kolagenem. Proteiny se mohou vázat na jiné proteiny a jednoduché molekuly, někdy působí jako enzymy tím, že usnadňují chemické reakce uvnitř vázaných molekul (aniž by měnily strukturu samotného proteinu). Struktura proteinu je dynamická; protein hemoglobin se ohýbá do mírně odlišných forem, protože usnadňuje zachycování, transport a uvolňování molekul kyslíku v savčí krvi.
Jediný nukleotidový rozdíl v rámci DNA může způsobit jedinou změnu v aminokyselinové sekvenci bílkoviny. Protože bílkovinné struktury jsou výsledkem jejich aminokyselinových sekvencí, některé změny mohou dramaticky změnit vlastnosti bílkoviny destabilizací struktury nebo změnou povrchu bílkoviny způsobem, který mění její interakci s jinými bílkovinami a molekulami. Například srpkovitá anémie je lidské genetické onemocnění, které vyplývá z jediného bazálního rozdílu v rámci kódovací oblasti pro β-globinovou sekci hemoglobinu, což způsobuje jedinou změnu aminokyseliny, která mění fyzikální vlastnosti hemoglobinu.[48] Srpkovité buněčné verze hemoglobinu se drží samy sebe, skládají se do tvaru vláken, která deformují tvar červených krvinek nesoucích bílkovinu. Tyto srpkovité buňky již neproudí hladce cévami, mají tendenci se ucpávat nebo degradovat, což způsobuje zdravotní problémy spojené s tímto onemocněním.
Některé geny jsou přepsány do RNA, ale nejsou převedeny do proteinových produktů – ty se nazývají nekódující RNA molekuly. V některých případech se tyto produkty skládají do struktur, které se podílejí na kritických buněčných funkcích (např. ribozomální RNA a transferová RNA). RNA může mít také regulační účinek prostřednictvím hybridizačních interakcí s jinými RNA molekulami (např. mikroRNA).
Siamské kočky mají mutaci citlivou na teplotu v produkci pigmentu.
Ačkoli geny obsahují všechny informace, které organismus využívá ke své funkci, prostředí hraje důležitou roli při určování konečného fenotypu – dichotomie často označovaná jako „příroda vs. výchova“. Fenotyp organismu závisí na interakci genetiky s prostředím. Příkladem je případ mutací citlivých na teplotu. Často jediná změna aminokyseliny v rámci sekvence proteinu nezmění jeho chování a interakce s ostatními molekulami, ale destabilizuje strukturu. V prostředí s vysokou teplotou, kde se molekuly pohybují rychleji a narážejí do sebe, to vede k tomu, že protein ztrácí svou strukturu a nefunguje. V prostředí s nízkou teplotou je však struktura proteinu stabilní a funguje normálně. Tento typ mutace je viditelný v zbarvení srsti siamských koček, kde mutace v enzymu zodpovědném za produkci pigmentu způsobuje jeho destabilizaci a ztrátu funkce při vysokých teplotách.[49] Protein zůstává funkční v oblastech kůže, které jsou chladnější – nohy, uši, ocas a obličej – a tak má kočka na končetinách tmavou srst.
Prostředí také hraje dramatickou roli v účincích lidské genetické choroby fenylketonurie.[50] Mutace, která způsobuje fenylketonurii, narušuje schopnost těla odbourávat aminokyselinu fenylalanin, což způsobuje toxické hromadění mezimolekuly, která následně způsobuje závažné příznaky progresivní mentální retardace a záchvaty. Pokud někdo s mutací fenylketonurie dodržuje přísnou dietu, která se této aminokyselině vyhýbá, zůstává však normální a zdravý.
Genom daného organismu obsahuje tisíce genů, ale ne všechny tyto geny musí být v daném okamžiku aktivní. Gen je vyjádřen, když je přepsán do mRNA (a přeložen do proteinu), a existuje mnoho buněčných metod kontroly exprese genů tak, že proteiny jsou produkovány pouze tehdy, když je buňka potřebuje. Transkripční faktory jsou regulační proteiny, které se vážou na počátek genů a buď podporují, nebo inhibují transkripci genu.[51] V genomu bakterií Escherichia coli například existuje řada genů nezbytných pro syntézu aminokyseliny tryptofanu. Když je však tryptofan již buňce k dispozici, tyto geny pro syntézu tryptofanu již nejsou potřeba. Přítomnost tryptofanu přímo ovlivňuje aktivitu genů – molekuly tryptofanu se vážou na tryptofanový represor (transkripční faktor), čímž mění strukturu represoru tak, že se represor váže na geny. Tryptofan represor blokuje transkripci a expresi genů, čímž vytváří negativní zpětnou vazbu regulace procesu syntézy tryptofanu.[52]
Transkripční faktory se vážou na DNA a ovlivňují transkripci přidružených genů.
Rozdíly v expresi genů jsou zvláště zřetelné v rámci mnohobuněčných organismů, kde všechny buňky obsahují stejný genom, ale mají velmi odlišné struktury a chování v důsledku exprese různých souborů genů. Všechny buňky v mnohobuněčném organismu se odvozují z jediné buňky, diferencují se na variantní typy buněk v reakci na vnější a mezibuněčné signály a postupně vytvářejí různé vzorce exprese genů za účelem vytvoření různých chování. Protože žádný jednotlivý gen není zodpovědný za vývoj struktur v rámci mnohobuněčných organismů, vznikají tyto vzorce ze složitých interakcí mezi mnoha buňkami.
Uvnitř eukaryot existují strukturální rysy chromatinu, které ovlivňují transkripci genů, často ve formě modifikací DNA a chromatinu, které jsou stabilně děděny dceřinými buňkami.[53] Tyto rysy se nazývají „epigenetické“, protože existují „navrchu“ sekvence DNA a zachovávají si dědičnost z jedné buněčné generace na druhou. Díky epigenetickým rysům si mohou různé typy buněk pěstované v rámci jednoho média zachovat velmi odlišné vlastnosti. Ačkoli epigenetické rysy jsou obecně dynamické v průběhu vývoje, některé, jako jev paramutace, mají vícegenerační dědičnost a existují jako vzácné výjimky z obecného pravidla DNA jako základu pro dědičnost.[54]
Duplikace genů umožňuje diverzifikaci tím, že poskytuje redundanci: jeden gen může mutovat a ztratit svou původní funkci, aniž by poškodil organismus.
Během procesu replikace DNA se občas vyskytnou chyby v polymerizaci druhého vlákna. Tyto chyby, nazývané mutace, mohou mít dopad na fenotyp organismu, zejména pokud se vyskytují v rámci proteinové kódovací sekvence genu. Míra chyb je obvykle velmi nízká – 1 chyba v každých 10-100 milionech bází – kvůli schopnosti DNA polymeráz „korektury“.[55][56] (Bez korektury je míra chyb tisíckrát vyšší; protože mnoho virů spoléhá na DNA a RNA polymerázy, které nemají schopnost korektury, dochází u nich k vyšší míře mutace.) Procesy, které zvyšují rychlost změn v DNA, se nazývají mutagenní: mutagenní chemikálie podporují chyby v replikaci DNA, často tím, že zasahují do struktury párování bází, zatímco UV záření vyvolává mutace tím, že způsobuje poškození struktury DNA.[57] K chemickému poškození DNA dochází také přirozeně a buňky používají mechanismy opravy DNA k nápravě neshod a zlomů v DNA – nicméně oprava někdy nedokáže vrátit DNA do původní sekvence.
U organismů, které používají chromozomální crossover k výměně DNA a rekombinaci genů, mohou chyby v alignmentu během meiózy také způsobit mutace.[58] Chyby v crossoveru jsou zvláště pravděpodobné, když podobné sekvence způsobí, že partnerské chromozomy přijmou chybné alignment; to způsobuje, že některé oblasti v genomech jsou náchylnější k mutaci tímto způsobem. Tyto chyby vytvářejí velké strukturální změny v sekvenci DNA – duplikace, inverze nebo delece celých oblastí nebo náhodná výměna celých částí mezi různými chromozomy (tzv. translokace).
Přirozený výběr a evoluce
Mutace produkují organismy s různými genotypy a tyto rozdíly mohou mít za následek různé fenotypy. Mnoho mutací má malý vliv na fenotyp organismu, jeho zdraví a reprodukční způsobilost. Mutace, které mají vliv, jsou často škodlivé, ale občas jsou mutace prospěšné. Studie na mouše Drosophila melanogaster naznačují, že pokud mutace změní protein produkovaný genem, bude to pravděpodobně škodlivé, protože asi 70 procent těchto mutací má škodlivé účinky a zbytek je buď neutrální nebo slabě prospěšný.[59]
Evoluční strom eukaryotických organismů, sestavený porovnáním několika ortotologických genových sekvencí
Populační genetický výzkum zkoumá distribuci těchto genetických rozdílů v rámci populací a to, jak se distribuce mění v čase.[60] Změny ve frekvenci alely v populaci mohou být ovlivněny přirozeným výběrem, kdy vyšší míra přežití a rozmnožování dané alely způsobí, že se v populaci v průběhu času stává častější.[61] Může dojít i ke genetickému driftu, kdy náhodné události vedou k náhodným změnám ve frekvenci alel.[62]
Během mnoha generací se genomy organismů mohou měnit, což vede k fenoménu evoluce. Mutace a selekce prospěšných mutací mohou způsobit, že se druh vyvine do forem, které lépe přežijí své prostředí, což je proces zvaný adaptace.[63] Nové druhy vznikají prostřednictvím procesu speciace, což je proces často způsobený geografickými separacemi, které umožňují, aby se různé populace geneticky lišily.[64] Použití genetických principů při studiu biologie a evoluce populace se označuje jako moderní syntéza.
Vzhledem k tomu, že se sekvence během procesu evoluce rozcházejí a mění, mohou být tyto rozdíly mezi sekvencemi použity jako molekulární hodiny pro výpočet evoluční vzdálenosti mezi nimi.[65] Genetická srovnání jsou obecně považována za nejpřesnější metodu charakterizace příbuznosti mezi druhy, což je zlepšení oproti někdy klamnému srovnávání fenotypových charakteristik. Evoluční vzdálenosti mezi druhy mohou být kombinovány za účelem vytvoření evolučních stromů – tyto stromy představují společný sestup a rozdílnost druhů v čase, i když nemohou představovat přenos genetického materiálu mezi nepříbuznými druhy (známý jako horizontální přenos genů a nejčastější u bakterií).
Modelové organismy a genetika
Muška obecná (Drosophila melanogaster) je oblíbeným modelovým organismem v genetickém výzkumu.
Přestože genetici původně studovali dědičnost v širokém spektru organismů, výzkumníci se začali specializovat na studium genetiky určité podmnožiny organismů. Skutečnost, že pro daný organismus již existoval významný výzkum, by povzbudila nové výzkumníky, aby si jej vybrali pro další studium, a tak se nakonec několik modelových organismů stalo základem většiny genetických výzkumů.[66] Mezi běžná témata výzkumu v genetice modelových organismů patří studium genové regulace a zapojení genů do vývoje a rakoviny.
Organismy byly vybírány částečně kvůli pohodlí – díky krátkým generačním časům a snadné genetické manipulaci se některé organismy staly oblíbenými nástroji genetického výzkumu. Mezi široce používané modelové organismy patří střevní bakterie Escherichia coli, rostlina Arabidopsis thaliana, pekařské kvasnice (Saccharomyces cerevisiae), hlístice Caenorhabditis elegans, moucha obecná (Drosophila melanogaster) a myš domácí (Mus musculus).
Lékařská genetika se snaží porozumět tomu, jak genetická variabilita souvisí s lidským zdravím a onemocněním.[67] Při hledání neznámého genu, který by se mohl podílet na onemocnění, výzkumníci běžně používají genetické vazby a genetické rodokmenové grafy k nalezení umístění na genomu spojeném s onemocněním. Na populační úrovni výzkumníci využívají Mendelovy randomizace k hledání míst v genomu, která jsou spojena s onemocněními, což je technika zvláště užitečná pro multigenní znaky, které nejsou jasně definovány jedním genem.[68] Jakmile je kandidátní gen nalezen, další výzkum se často provádí na stejném genu (nazývaném ortogonální gen) v modelových organismech. Kromě studia genetických onemocnění vedla zvýšená dostupnost genotypizačních technik k oblasti farmakogenetiky – studiu toho, jak genotyp může ovlivnit lékové odpovědi.[69]
I když se nejedná o dědičné onemocnění, rakovina je také považována za genetické onemocnění.[70] Proces vzniku rakoviny v těle je kombinací událostí. Mutace se občas vyskytují uvnitř buněk v těle při dělení. I když tyto mutace nedědí žádný potomek, mohou ovlivnit chování buněk a někdy způsobit jejich častější růst a dělení. Existují biologické mechanismy, které se pokoušejí tento proces zastavit; signály jsou dávány nevhodně se dělícím buňkám, které by měly vyvolat buněčnou smrt, ale někdy dochází k dalším mutacím, které způsobují, že buňky tyto zprávy ignorují. V těle dochází k vnitřnímu procesu přirozeného výběru a nakonec se v buňkách hromadí mutace, které podporují jejich vlastní růst a vytvářejí rakovinný nádor, který roste a napadá různé tkáně těla.
Kolonie E coli na destičce agaru, příklad buněčného klonování a často používaný při molekulárním klonování.
DNA může být také amplifikována pomocí postupu zvaného polymerázová řetězová reakce (PCR).[72] Pomocí specifických krátkých sekvencí DNA může PCR izolovat a exponenciálně amplifikovat cílenou oblast DNA. Protože může amplifikovat z extrémně malého množství DNA, je PCR také často používána k detekci přítomnosti specifických sekvencí DNA.
Sekvenování DNA a genomika
Jedna z nejzákladnějších technologií vyvinutá pro studium genetiky, sekvenování DNA umožňuje výzkumníkům určit sekvenci nukleotidů v fragmentech DNA. Vyvinutá v roce 1977 Frederickem Sangerem a spolupracovníky, sekvenování ukončení řetězce se dnes běžně používá k sekvenování fragmentů DNA.[73] S touto technologií byli výzkumníci schopni studovat molekulární sekvence spojené s mnoha lidskými nemocemi.
Jak se sekvenování stalo méně nákladným a s pomocí výpočetních nástrojů, výzkumníci sekvenovali genomy mnoha organismů sešitím sekvencí mnoha různých fragmentů (proces zvaný sestavení genomu).[74] Tyto technologie byly použity k sekvenování lidského genomu, což vedlo k dokončení projektu lidského genomu v roce 2003.[23] Nové vysoce výkonné sekvenovací technologie dramaticky snižují náklady na sekvenování DNA, přičemž mnoho výzkumníků doufá, že sníží náklady na resekvenování lidského genomu na tisíc dolarů.[75]
Velké množství dostupných sekvencí vytvořilo obor genomika, výzkum, který využívá výpočetní nástroje k vyhledávání a analýze vzorů v celých genomech organismů. Genomiku lze také považovat za dílčí obor bioinformatiky, který využívá výpočetní přístupy k analýze velkých souborů biologických dat.