GENEETIKA. Ain Heinaru

Transcript

1 GENEETIKA Ain Heinaru

2 Foto: S. Kuuse Foto: B. L. Sikut Foto: A. Prodel Sulev Kuuse Rein Sikut Mart Viikmaa Toimetanud Sulev Kuuse, Rein Sikut ja Mart Viikmaa Keeleliselt toimetanud Leelo Jago Kujundanud Kairi Kullasepp Kaanefoto: Ain Heinaru Tagakaane foto: Maris Heinaru Joonised: Ain Heinaru Autoriõigus: Ain Heinaru, 2012 Ilmunud riikliku programmi Eestikeelsete kõrgkooliõpikute koostamine ja väljaandmine ( ) toetusel Käesoleva raamatu valmimist toetasid Tartu Ülikool, TÜ Loodus- ja tehnoloogia teaduskond, TÜ Molekulaar- ja rakubioloogia instituut ning Tartu Ülikooli Kirjastus. ISBN Tartu Ülikooli Kirjastus

3 EESSÕNA Siiani on meil puudunud eestikeelne üldgeneetika õpik. Käesolev õpik on oma materjali ülesehituselt ja mahult just see, mida meie õppetool on bioloogia ja geenitehnoloogia tudengitele aastaid Tartu Ülikoolis kahe geneetika põhikursuse raames õpetanud. Geneetikaõpiku esimene pool sisaldab pärast sissejuhatavat ajaloo- ja rakubioloogia teadmiste esitust käsitlust nukleiinhapetest kuni tunnuste avaldumise geneetilise regulatsiooni mehhanismideni. Teine pool lisab üldisele geneetikale erigeneetika käsitluse, alustades viirustest ja lõpetades evolutsioonigeneetikaga. Seniste kogemuste põhjal on viimastel aastatel geneetikakursuste kuulajaid olnud aastas kuni 500. Peale LOTE (TÜ loodus- ja tehnoloogiateaduskonna) üliõpilaste on osalejate hulgas olnud kõigi TÜ teaduskondade, samuti EMÜ ja TTÜ üliõpilasi ja fi rmade töötajaid. Seda arvestades on käesolev õpik püütud kirjutada üldistavalt, ilma viideteta konkreetsetele teaduskatsetele. Nii on õpikut teatmeteosena kergem kasutada ka TÜ teiste teaduskondade ja teiste ülikoolide üliõpilastel, kooliõpetajatel ning õpilastel, tervishoiutöötajatel, ministeeriumide ametnikel ning tavainimestel-huvilistel. Seepärast on õpikus ka konkreetsete teadustulemuste selgitamisel loobutud kirjanduse üksikviidetest ning illustreerivast fotomaterjalist (neid on raamatus vaid kümmekond) ning tabelandmed ja skeemid on esitatud üldistavate, autori enda poolt disainitud ja koostatud 614 skemaatilise joonisena. Kirjanduses on esitatud geneetika üld- ja erikursuste uusimad õpikud, mida kasutati käesoleva õpiku koostamisel ning mis katavad sisuliselt kogu käsitletava õpiku materjali. Õpiku lõpus on esitatud sõnastik, mis sisaldab pea 2500 geneetikaterminit ja nende lühidat sisukirjeldust. Terminitele on antud sõnastikus ja tekstis ingliskeelsed vasted, et huvilised saaksid täiendada teadmisi ingliskeelsest kirjandusest ning elektroonsetest andmebaasidest. Sõnastik on siinkohal kui eestikeelne geneetikaalane keeleõpik, terminoloogiakogu. Lisaks sõnastikule on aineregistris viited ligi 4000 mõistele ja terminile. Loodetavasti hõlbustavad need metoodilised eripärad materjalist arusaamist ja teadmiste omandamist. Tänapäeval on geneetika tunginud pea kõigisse loodusteadustesse ja mitte ainult. Geneetika küsimused seostuvad ühiskonna probleemide ja huvidega (nt. personaalmeditsiin ja geenivaramu, GMO-d ja geneetiliselt muundatud toit, organismide kloonimine ning eugeenika jt.). Seepärast oli kahtlemata terav küsimus, kui palju ja kuidas uut teadusinformatsiooni õpikusse lülitada. Geneetika on samas kiiresti muutuv ja arenev teadus, mis mõningates lõikudes vananeb üsna kiiresti. Siit ka petliku mulje võimalus, Eessõna 5

4 nagu oleks geneetikaõpik juba ilmudes vananenud. Kitsa erialaga seotult võib see nii ollagi, kuid üldaineõpikus on asendust nõudev osa siiski väike. Ideaalis peaks õpikut täiendama iga 2 3 aasta tagant. See asjaolu eeldab õpiku edasist täiendamist ning vajadust täiendatud kordustrükkide järele, samuti internetiversiooni koostamist ja ilmutamist. Olen tänulik kõigi ettepanekute, konstruktiivse kriitika, samuti võimalike vigade ja muutmisettepanekute eest, et edaspidi õpiku materjali ja esitust parandada. Ain Heinaru Tartus Eessõna 6

5 TÄNUD Ehkki käesoleva õpiku on kirjutanud üks autor, on selles oluline osa väga paljudel inimestel ja asutustel. Autor on tänulik Sihtasutusele Archimedes, Tartu Ülikoolile ja Tartu Ülikooli Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituudile õpiku koostamise võimaluse loomise ja raha eraldamise eest. Õpiku fi nantsilise kaastoetuse eest tänan TÜ rektorit prof. Alar Karist, õppeprorektorit Martin Hallikut, loodus- ja tehnoloogiateaduskonna dekaani prof. Peeter Burki, Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituudi direktorit prof. Toivo Maimetsa ning TÜ Kirjastuse direktorit Vaiko Tigast. Olen väga tänulik paljudele kaastöötajatele asjakohaste märkuste ja ettepanekute eest, eelkõige oma kitsama erialaga seotud lõikude osas, terminoloogia ühtlustamisel. Suurim panus oli alljärgnevatel kaastöötajatel: prof. Maia Kivisaar, prof. Ants Kurg, prof. Maido Remm, prof. Jaanus Remme, prof. Margus Pooga, prof. Andres Merits, prof. Maris Laan, prof. Raivo Mänd, prof. Jüri Kärner, prof. Andres Salumets, prof. Juhan Sedman, dots. Andres Mäe, dots. Tiina Alamäe, dots. Evi Padu, vanemteadurid ja teadurid Mart Viikmaa, Arnold Kristjuhan, Hannes Kollist, Rita Hõrak, Anne Kilk, Tiina Tamm, Kersti Lilleväli, Sulev Kuuse. Tugeva toetuse eest õpiku valmimisel tänan samuti prof. Richard Villemsit, prof. Andres Metspalu, prof. Mart Ustavit, prof. Jaanus Harrot, prof. Jaak Vilo, prof. Raivo Uibot, prof. Pärt Petersoni, prof. Tanel Tensonit, prof. Jüri Allikut. Eriliselt soovin tänada toimetajaid Sulev Kuuset, Rein Sikutit ja Mart Viikmaad sisulise töö eest. Lisaks Mart Viikmaad terminoloogilise ühtlustustöö ning Sulev Kuuset töö eest peatoimetaja rollis. Samuti tänan keeletoimetajat Leelo Jagot, küljendajat-disainerit Kairi Kullaseppa ja kunstnikku Kalle Paalitsat. Suurimad tänud minu perele kallile abikaasale Eevale ja armsatele tütardele Piretile ja Marisele koos nende elukaaslaste Danieli ja Thomasega ja inspireerivale tütretütrele Natachale. Nende armastus ja innustus käesoleva õpiku valmimisel on olnud väga suur. Tänan veel kord kõiki abi eest, ka neid, keda siinkohal ei ole ära märgitud, eelkõige minu paljusid tudengeid ja õpilasi. Ain Heinaru Tänud 7

6 SISUKORD I. GENEETIKA AJALUGU GENEETILISE MÕTTE ARENG Geneetika Eelteaduslik periood Varateaduslik periood Mendelismi stiihilised ja teadlikud eelkäijad Kromosoomide seondamine pärilikkusega Teaduslik periood Klassikalise geneetika etapp Molekulaargeneetika etapp Geneetika rakendused Põllumajandus Meditsiin Väärkasutused GENEETIKA EESTIS Geneetika uurimissuunad ja struktuurid Antropoloogia, eugeenika ja tsütogeneetika Eestis Sordiaretus Eestis Klassikalise geneetika periood Nõukogude periood Eesti geneetikas TÜ MRI 49 II. PALJUNEMINE JA GENEETIKA MUDELORGANISMID RAKK Rakk kui elusorganismi ehituskivi Prokarüootne rakk Eukarüootne rakk Kromosoomid Rakujagunemine Mitoos Meioos 64 Sisukord 9

7 Meioosi ja mitoosi erinevused Põlvkondade vaheldus taimedel Gametogenees ja spermatogenees Gametogenees Spermatogenees GENEETIKA MUDELORGANISMID Bakterid Escherichia coli Seened Saccharomyces cerevisiae Neurospora crassa Selgrootud Drosophila melanogaster Caenorhabditis elegans Selgroogsed Mus musculus Danio rerio Taimed Arabidopsis thaliana 78 Sisukord III. KVALITATIIVSETE TUNNUSTE PÄRANDUMINE MENDELISM Mendeli pärandumisseadused Mendeli I seadus ja domineerimisprintsiip Mendeli II seadus ja alleelide lahknemisprintsiip Mendeli III seadus ja geenide sõltumatu lahknemise printsiip Mendeli seaduste esitusviisid Punnetti ruutmeetod Hargnemismeetod Tõenäosusmeetod Geneetilise hüpoteesi testimine Hii-ruut-meetod MENDELISMI EDASIARENDUSED Alleelidevahelised vastastikused toimed geeni avaldumisel Ebatäielik domineerimine ja kodomineerimine Polüalleelsus Alleeliseeriad Mutatsioonide alleelsuse testimine Kõrvalekalded oodatavatest lahknemissuhetest Geenide vastastikused toimed: genotüübist fenotüübiks Geeni penetrantsus Geeni ekspressiivsus Komplementaarsus

8 Epistaas Pleiotroopsus 102 IV. PÄRILIKKUSE KROMOSOOMITEOORIA GENOOM Kromosoomid Kromosoomide arv Sugukromosoomid Soo geneetiline määratus Inimese soo määramine Soo määramine loomorganismidel Geneetiliselt mosaiiksed isendid PÄRILIKKUSE KROMOSOOMITEOORIA Suguliiteline pärandumine X-liiteline pärandumine Tunnuste suguliiteline avaldumine Ristpärandumine X-liiteliste ja autosoomsete geenide sõltumatu lahknemine Kromosoomide mittelahknemine meioosis Tunnuste pärandumise kromosoomne alus Lahknemisreegel Sõltumatu kombineerumise reegel KROMOSOOMSED ÜMBERKORRALDUSED Genoommutatsioonid Euploidsus Auto- ja allopolüploidsus Viljakate allopolüploidide saamine Koespetsiifi line polüploidsus ja polüteensus Aneuploidsus Trisoomia ja monosoomia Kromosoomisegmentide deletsioonid ja duplikatsioonid Kromosoommutatsioonid Kromosoomi struktuuri ümberkorraldused Inversioonid Liitkromosoomid Mittehomoloogsete kromosoomide vahetused Translokatsioonid Robertsoni translokatsioonid 138 V. EUKARÜOODI KROMOSOOMI KAARDISTAMINE GEENIDE AHELDUS, REKOMBINATSIOON JA RISTSIIRE Geenide aheldus Kõrvalekalded geenide sõltumatu lahknemise seadusest Aheldunud geenide pärandumine 142 Sisukord 11

9 Aheldusgrupi määramine Ristsiire Rekombinantsed gameedid Ristsiirde ilmnemine analüüsival ristamisel Ühe- ja mitmekordne krossingover Rekombinatsioon ja krossingover Rekombinatsioon ja krossingover maisil Rekombinatsioon ja krossingover äädikakärbsel Kiasmid KROMOSOOMIKAARDID Kromosoomide geneetiline kaardistamine Geneetiline kaugus Kahepunktiline ristamine Kolmepunktiline ristamine Geenide järjekorra määramine Geenidevahelise kauguse määramine Interferents Tegelik geneetiline kaugus Kiasmide sagedus ja geneetiline kaugus Kromosoomide tsütoloogiline kaardistamine Tsütogeneetiline kaardistamine deletsioonidega Tsütogeneetiline kaardistamine duplikatsioonidega Tsütoloogiliste ja geneetiliste kaartide võrdlus 168 Sisukord VI. GEENI KONTSEPTSIOON GEENI MÕISTE EVOLUTSIONEERUMINE Geen kui üksus Geen kui jagamatu üksus Geen kui jaotatav üksus Geen kui funktsionaalne üksus Üks geen üks tunnus Üks mutantne geen üks metaboolne blokk Üks geen üks ensüüm Üks geen üks polüpeptiid Geen kui struktuurne üksus Geenisisene krossingover (rekombinatsioon) Nukleotiidipaaride-vaheline rekombinatsioon Rekombinatsioooni geneetiline kontroll Rekombinatsiooni evolutsiooniline tähtsus Krossingoveri pidurdamine inversioonidega Inversioonid sugukromosoomides Geeni ja polüpeptiidi kolineaarsus E. coli trpa- geeni ja trüptofaani süntetaasi α-polüpeptiidi kolineaarsus

10 Bakteriofaag MS2 kestavalgu geeni ja polüpeptiidi vaheline kolineaarsus GEENI DEFINITSIOON Geeni geneetiline defi nitsioon Geenidevaheline komplementatsioon Komplementatsioonitesti ja rekombinatsioonitesti võrdlus Geenisisene komplementatsioon Polaarsed mutatsioonid Geeni struktuurne defi nitsioon Geeni struktuuri avaldumine Deletsioonanalüüs Mutatsioonide kuumad punktid Geenid geenide sees Geeni defi neerimatus Alternatiivne splaissing Geenide reassambleerimine Geen kui geneetilise informatsiooni üksus 197 VII. DNA JA KROMOSOOMIDE MOLEKULAARSTRUKTUUR GENEETILISE INFO KANDJAD DNA DNA vahendatud transformatsioon Faagide T2 DNA RNA RNA-viirused Viroidid Prioonid DNA JA RNA STRUKTUUR Nukleiinhapete ehitus Nukleiinhappe alaüksused DNA kaksikheeliks DNA kaksikheeliksite alternatiivvormid DNA superspiralisatsioon KROMOSOOMIDE STRUKTUUR Viirused Prokarüoodid Eukarüoodid Histoonid DNA uni- ja multineemsus DNA kokkupakkimise kolm taset Tsentromeerid Telomeerid Kordusjärjestused 225 Sisukord 13

11 Sisukord VIII. DNA REPLIKATSIOON DNA REPLIKATSIOON IN VIVO Poolkonservatiivne replikatsioon Tsentrifuugimistehnikad CsCl tasakaaluline tihedusgradienttsentrifuugimine Sahharoosi kiiruslik tihedusgradienttsentrifuugimine Meselsoni ja Stahli katse Eukarüootse kromosoomi märgistamine Replikatsiooni jälgimine Replikatsiooni alguspunkt oric bakteritel ARS-elemendid pärmseentel Eukarüootide viirus SV Replikatsiooni kahesuunalisus DNA REPLIKATSIOON IN VITRO DNA polümeraasid DNA polümeraas I (Kornbergi polümeraas) DNA polümeraas III (replikaas) DNA polümeraaside paljusus DNA polümeraaside vigu parandav (e. korrektiivne) aktiivsus Valgulised DNA sünteesi praimerid DNA REPLIKATSIOONIAPARAAT Replikatsiooni suund DNA sünteesi liider- ja viivisahel Okazaki fragmendid Avastamine DNA praimaas RNA praimerite kõrvaldamine DNA ligaasid DNA replikatsiooni abivalgud DNA helikaasid DNA üksikahelaga seonduvad valgud DNA topoisomeraasid DNA topoisomeraas I DNA topoisomeraas II DNA replikatsioonikahvel Eelpraimerkompleks Praimosoom Replisoom DNA replikatsiooni veereva ratta mudel Eukarüootse kromosoomi replikatsiooni eripära Replikonide paljusus Mitu DNA polümeraasi ühes replikatsioonikahvlis Nukleosoomide duplikatsioon replikatsioonikahvlis

12 Telomeraas Telomeeri pikkuse seos inimese vananemisega 259 IX. TRANSKRIPTSIOON JA RNA PROTSESSING TRANSKRIPTSIOON Transkriptsiooni üldpõhimõtted Molekulaarbioloogia põhipostulaat RNA tüübid RNA süntees ja lagundamine Transkriptsioon prokarüootidel RNA polümeraas RNA-ahela initsiatsioon RNA-ahela elongatsioon RNA-ahela terminatsioon Transkriptsioon ja RNA protsessing eukarüootidel Kolm RNA polümeraasi RNA-ahela initsiatsioon RNA-ahela elongatsioon ja 5 -metüülguanosiinmütsi lisamine RNA-ahela terminatsioon ja 3 -polü(a)-saba lisamine RNA korrektuur Lämmastikaluste muutmine mrna-s Uridiinmonofosfaatide lisamine ja kõrvaldamine mrna-s GEENIDE INFORMATSIOONILINE KATKENDLIKKUS Eukarüootsed katkelised geenid Eksonid ja intronid RNA splaissing trna eellaste splaissing Autokatalüütiline splaissing Splaissosoomid 288 X. TRANSLATSIOON JA GENEETILINE KOOD VALGUD Valkude ehitus Aminohapped Polüpeptiidid Valkude struktuuri tasemed Valgusünteesi komponendid ja translatsiooni I etapp Ribosoomid Translatsiooni I etapp: aminohape ~ trna Translatsiooni II etapp valgusüntees Polüpeptiidahela initsiatsioon Polüpeptiidahela elongatsioon Polüpeptiidahela terminatsioon 309 Sisukord 15

13 2. GENEETILINE KOOD Geneetilise koodi üldiseloomustus Koodi sõnastik Koodon-tRNA interaktsioonid Lõõgastuspositsioon trna supressormutatsioonid 317 XI. GENOOMIKA DNA PEENSTRUKTUUR Sekveneerimine Maxami ja Gilberti meetod Sangeri meetod DNA amplifi katsioon PCR Kvantitatiivne PCR KROMOSOOMIDE PEENSTRUKTUUR Kromosoomide geneetiliste, tsütoloogiliste ja füüsiliste kaartide võrdlus Positsiooniline kloonimine Restriktsioonifragmentide pikkuspolümorfi sm (RFLP) Kontiigid Kromosoomil jalutamine Kromosoomil hüppamine GENOOMIDE NUKLEOTIIDIJÄRJESTUSTE MÄÄRAMINE Inimese genoom Genoomi kaardistamine Genoomi sekveneerimine Transkriptooomika Proteoomika Võrdlev genoomika Bioinformaatika Prokarüootsed genoomid Eukarüootsed genoomid Pärmseente genoom Ainuraksete genoom Varbussi genoom Äädikakärbse genoom Müürlooga genoom Hiire genoom Genoomide evolutsioon 354 Sisukord XII. MUTATSIOONID MUTATSIOONIDE TEKE Mutatsioonide olemus

14 Somaatilised ja generatiivsed mutatsioonid Spontaansed ja indutseeritud mutatsioonid Mutatsiooniteke kui juhuslik protsess Otse-, pöörd- ja supressormutatsioonid Neutraalsed ja kahjulikud mutatsioonid Tinglikult letaalsed mutatsioonid Mutatsioonide molekulaarsed alused Transitsioonid ja transversioonid Raaminihkemutatsioonid Keemiline mutagenees N-aluste analoogid Lämmastikushape Akridiinvärvid Alküülivad ühendid Hüdroksüülamiin Kiirgusmutagenees Kiirguse mutageense toime avastamine Ioniseeriv kiirgus Fotoionisatsioon Transposoonmutagenees Sait-spetsiifi line mutagenees in vitro Kordusjärjestustest põhjustatud mutagenees 384 XIII. REPARATSIOON JA REKOMBINATSIOON DNA REPARATSIOON DNA-KAHJUSTUSED DNA-d kahjustavad tegurid DNA-kahjustuste tüübid REPARATSIOONI TÜÜBID Reparatsioon keemiliste pöördreaktsioonidega Lämmastikaluste väljalõikereparatsioon Nukleotiidide väljalõikereparatsioon Valepaardumisega reparatsioon Rekombinatsiooniline reparatsioon SOS-vastus ja vea-aldis DNA süntees kahjustatud DNA-lt Pärilikud reparatsioonivead GENEETILINE REKOMBINATSIOON REKOMBINATSIOONIMEHHANISMID Homoloogne retsiprookne rekombinatsioon Üksikahelaliste katkemiste mudel Kaksikahelaliste katkemiste mudel Homoloogne mitteretsiprookne rekombinatsioon (geeni konversioon) Mittehomoloogne rekombinatsioon 408 Sisukord 17

15 Viburite faasivariatsioonid Integronid Transpositsioon 410 Sisukord XIV. GEENIREGULATSIOON PROKARÜOOTIDEL JA FAAGIDEL GEENIEKSPRESSIOONI TÜÜBID Kvoorumitundlikkus Atsüülhomoseriinlaktoonid Peptiidsed autoinduktorid Bakterinfektsiooni levik Bakterite kompetentsusfaas Keskkonnastiimulite toime Konstitutiivne geeniekspressioon Indutseeritud geeniekspressioon Escherichia coli laktoosi lagundamine (katabolism) Pidurdatud geeniekspressioon Escherichia coli trüptofaani biosüntees (anabolism) GEENIEKSPRESSIOONI KONTROLLSÜSTEEMID Operon kui regulatsiooniüksus Geneetilise kontrolli tüübid Positiivne geneetiline kontroll Negatiivne geneetiline kontroll Geeniekspressiooni kontroll transkriptsiooni initsiatsiooni tasemel Sigmafaktorid DNA topoloogia Aktivaatorid ja repressorid E. coli laktoosi operoni induktsioon E. coli laktoosi operoni kataboolne repressioon E. coli trüptofaani operoni repressioon (pidurdamine) Geeniekspressiooni kontroll transkriptsiooni terminatsiooni tasemel Atenuatsioon Autogeenne regulatsioon Geeniekspressiooni kontroll mrna stabiilsuse tasemel mrna degradatsiooniensüümid Ekso- ja endonukleaasid RNA degradosoom mrna stabiilsust mõjutavad nukleotiidsed järjestused Palindroomsed järjestused Operonisisene geeniekspresssiooni regulatsioon Geeniekspressiooni kontroll translatsiooni tasemel Translatsiooniline geeniregulatsioon Koodonikasutus Antisenss-RNA Translatsiooni atenuatsioon

16 Lugemisraami nihkumine ja ribosoomihüpe Posttranslatsiooniline geeniregulatsioon Lõpp-produktne inhibitsioon R-valkude sünteesi kontroll FAAGIDE GENEETILINE REGULATSIOON Mõõdukad faagid Lambda lüsogeenne repressorahel Lambda lüütiline regulatsioonikaskaad Faag λ lüütilise ja lüsogeense tsükli ümberlülitused Virulentsed faagid Bacillus subtilis e faag SP XV. GEENIREGULATSIOON EUKARÜOOTIDEL GEENIDE RUUMILINE JA AJALINE REGULATSIOON Geenide ruumiline regulatsioon Tubuliinigeenide ruumiline regulatsioon taimedel Geenide ajaline regulatsioon Globiinigeenide ajaline regulatsioon loomadel GEENIREGULATSIOON TRANSKRIPTSIOONI TASEMEL DNA-järjestused transkriptsiooni kontrollil Geenide võimendajad e. enhanserid Äädikakärbse geeni yellow koespetsiifi line võimendaja Ahvi viiruse SV40 võimendaja Valgulised transkriptsioonifaktorid Transkriptsiooni aktivatsioon keskkonna ja bioloogiliste faktorite mõjul Temperatuuri mõju: temperatuurišoki geenid Äädikakärbse temperatuurišokivalk HSP Valguse mõju: ribuloos 1,5-bifosfaadi karboksülaasi/ oksügenaasi- (RuBisCO) geenid taimedes Signaalmolekulide mõju: geenide aktivatsioon hormoonide toimel Steroidhormoonid Peptiidhormoonid TRANSKRIPTSIOONIJÄRGNE GEENIREGULATSIOON RNA alternatiivne splaissing Alternatiivne splaissing troponiini T-geeni avaldumisel Äädikakärbse sugu määravate geenide alternatiivne splaissing RNA stabiilsuse tsütoplasmaatiline kontroll Interferents-RNA (RNAi): sirna-d ja mirna-d Varbussi valku kodeeriva geeni lin-14 mrna ja mir-geeni lin-4 mrna-de paardumine 475 Sisukord 19

17 4. KROMOSOOMIDE ORGANISATSIOON JA GEENIEKSPRESSIOON Transkriptsioon lambiharikromosoomide lingudel Transkriptsioon polüteenkromosoomide puffi del Transkriptsiooniliselt aktiivse DNA molekulaarne organisatsioon Inimese ß-globiinigeeni transkriptsiooniline aktiivsus Kromatiini modifi tseerimine Eu- ja heterokromatiin Geenide vaigistamine Geenivaigistus äädikakärbsel Polycomb-grupi geenide valkudega Paardumistüübi geenikassettide vaigistamine pagaripärmil Trüpanosoomide pinna glükoproteiini vgs-geenide vaigistamine DNA metüülimine ja geeni mälu DNA metüülimine ja CpG-saarekesed Geeni vermimine e. imprinting Imetaja mälugeenid DNA amplifi katsioon Amfi ibide ribosoomi rrna geenide amplifi katsioon KROMOSOOMIDE AKTIVATSIOON JA INAKTIVATSIOON Imetaja X-kromosoomide inaktivatsioon (geenidoosi kompensatsioon) Äädikakärbse X-kromosoomi hüperaktivatsioon Varbussi X-kromosoomi hüpoaktivatsioon 492 Sisukord XVI. VIIRUSEGENEETIKA VIIRUSTE GENEETILINE ORGANISATSIOON Viirus: rohkem kui molekul ja vähem kui elusrakk Viiruste defi nitsioon Viiruste avastamine Viriooni ehitus ja viiruste klassifi katsioon FAAGIGENEETIKA Faagide elutsükkel λ-faag T-faagid Restriktsiooni-modifi katsioonisüsteem Geenide peenstruktuur Faagilaigud Rekombinatsioonanalüüs Genoomi struktuur Terminaalne redundantsus ja tsirkulaarsed permutatsioonid Faagide heterosügootsus EUKARÜOOTIDE VIIRUSED AIDS-i põhjustav viirus HIV Genoom

18 Struktuur ja elutsükkel Gripiviirus Seagripp H1N Linnugripp H5N Gripiviiruse genoom RNA-viiruste geneetiline stabiilsus Papilloomiviirused Papilloomiviiruse genoom Emakakaelavähk 525 XVII. BAKTERIGENEETIKA BAKTERIGENEETIKA Genoom Kromosoom Plasmiidid Mutagenees Mutantide tüübid Amesi test Mutantide selektsioon Lokaliseeritud mutagenees Transformatsioon Looduslik transformatsioon Kunstlik transformatsioon Kotransformatsioon Konjugatsioon Konjugatsiooni avastamine Plasmiidne ülekanne Kromosoomne ülekanne Seksduktsioon Kolmefaktorilised ristamised Transduktsioon Üldine transduktsioon Spetsialiseeritud transduktsioon Geenide kaardistamine 558 XVIII. SEENEGENEETIKA PÄRMSEENTE PAARDUMISTÜÜBID Paardumismistüüpide geneetiline regulatsioon Paardumistüüpi määrav lookus Paardumistüüpide ümberlülitumine MAT-lookuse poolt kodeeritavad transkriptsioonifaktorid Transkriptsiooni aktivatsioon Transkriptsiooni repressioon Feromoonid 566 Sisukord 21

19 2. TETRAADANALÜÜS Pärmseente tetraadanalüüs Askuste tüübid Geenide ahelduse uurimine Neurospora crassa tetraadanalüüs Tsentromeeri kaardistamine Aheldusgruppide kaardi koostamine GENEETILINE KOMPLEMENTATSIOON Geneetiline komplementatsioon Tingimusmutatsioonid Kaksikmutandid Geneetiline komplementatsioon Biosünteesiahelate analüüs Signaaliülekanderadade analüüs Supressormutatsioonid ja sünteetilis-letaalsed mutatsioonid Funktsionaalne komplementatsioon Genoteegi saamine Plasmiidsed süstikvektorid Rekombinantsete kloonide arv Kloonide sõelumine Komplementatsioon Kolooniahübridatsioon Pärmseente kaksikhübriidisüsteem 585 Sisukord XIX. TRANSPOSOONID TRANSPOSOONIDE AVASTAMINE TRANSPOSOONIDE TÜÜBID Transposoonid bakteritel IS-elemendid Komplekssed transposoonid Replikatiivsed transposoonid Transposoonide osa geeniülekandel Transposoonid eukarüootidel Transposoonid maisil Drosophila P-elemendid Äädikakärbse mariner-elemendid RETROTRANSPOSOONID Retroviiruselaadsed transposoonid Retrotransposoonid pärmseentel Retrotransposoonid äädikakärbsel Retroposoonid Äädikakärbse retroposoonid LINE-elemendid inimesel SINE-elemendid inimesel

20 4. TRANSPONEERUVAD ELEMENDID GENOOMI EVOLUTSIOONIS 611 XX. TEHNOGENEETIKA GEENIDE KLOONIMINE Restriktsioon Restriktaasid Restriktsioonikaardid Rekombinantne DNA Rekombinantse DNA saamine in vitro Rekombinantse DNA amplifi katsioon in vivo Plasmiidsed vektorid Faagvektorid Fagemiidid Kosmiidid Süstikvektorid Kunstlikud kromosoomid YAC-id BAC-id Faagi P1 süsteem PAC-id Spetsiaalvektorid Genoteegid Genoomsed klonoteegid cdna-genoteegid Geenide sõelumine Geneetiline selektsioon Nukleiinhapete in situ hübriidimine Immunoloogiline testimine MOLEKULAARNE TESTIMINE DNA, RNA ja valkude molekulaarne analüüs Agaroosgeelelektroforees Southern-ülekande analüüs Nothern-ülekande analüüs Western-ülekande analüüs 644 XXI. MITOKONDRITE JA KLOROPLASTIDE GENEETIKA EUKARÜOOTSE RAKU SÜMBIONTSED ORGANELLID ORGANELLIDE TUNNUSTE PÄRANDUMINE Kloroplastide tunnuste pärandumine Emapärilikkus Kahevanemalik segapärilikkus Ühevanemalik pärilikkus Mitokondriaalsete tunnuste pärandumine 653 Sisukord 23

21 Pärmseente hingamismutandid Isasteriilsus maisil ORGANELLIDE GENOOM Mitokondrite genoom Mitokondriaalne DNA Mitokondriaalsete geenide regulatsioon Mitokondriaalsed kattuvad geenid RNA korrektuur Trans-splaissing Koostoime tuumageenidega Inimese mitokondriaalsed haigused Kloroplastide genoom 663 Sisukord XXII. INIMESEGENEETIKA GEENID JA KROMOSOOMID Geenivigade pärandumine Monogeensete tunnuste pärandumine Alleelne heterogeensus Lookusheterogeensus Pleiotroopne toime Geenide aheldus Sugupuude koostamine Suguliiteliste geenide aheldus Autosoomsete geenide aheldus Geenide pärandumine Geenide ja keskkonna mõju konkordantsus Autosoomdominantne pärandumine Autosoomretsessiivne pärandumine X-liiteline pärandumine Y-liiteline pärandumine Geneetiline konsultatsioon Tunnuse tekke tõenäosus Riskianalüüs Inimese kromosoomistik Rakugeneetika Kromosoomide värvimine Kromosoomide diferentsiaalvärvimine Inimese karüotüüp Inimese kromosoomanomaaliad Amniotsentees ja biopsia Rakkude hübriidimine Geeni aheldusgrupi määramine Geeni asukoha määramine kromosoomis Molekulaarne rakugeneetika

22 FISH Võrdlev genoomhübriidimine (VGH) Molekulaaarne karüotüüpimine GENOOM Genoomi üldine struktuur Kordusjärjestused Insertsioonkordused Tandemkordused Geenide tuvastamine Positsiooniline kloonimine Kromosoomil jalutamine ja hüppamine Isikute tuvastamine DNA-sõrmejäljed Rakendused kriminalistikas Epigenotüüp Üksiknukleotiidne polümorfi sm Snipid ja haplotüübid SNP-haigused Mitokondriaalne genoom TUNNUSTE EBAHARILIK PÄRANDUMINE Trinukleotiidsed kordusjärjestushaigused Polü-Q-haigused Huntingtoni tõbi Mitte-polü-Q-haigused Fragiilse X-kromosoomi sündroom Lihasdüstroofi a Epigeneetilised haigused Prioonhaigused Genoomivermimine Geenide mosaiikne avaldumine 714 XXIII. IMMUNOGENEETIKA KAASASÜNDINUD IMMUUNSUS Immuunsustüübid Keemiline kaitse Põletik Komplemendisüsteem Rakuline kaitse Patogeeni spetsiifi lisus ADAPTIIVNE IMMUUNSUS Imuunsüsteemi komponendid B-rakud T-rakud Immunoglobuliinid 727 Sisukord 25

23 T-rakkude retseptorid Koesobivusantigeenid: oma eristamine võõrast Imuunvastuse tüübid Raku vahendatud immuunvastus Humoraalne e. antikeha vahendatud immuunvastus Immunoloogiline mälu ANTIKEHADE MITMEKESISUSE GENEETILINE DETERMINATSIOON JA KONTROLL Antikeha geenide assambleerimine Kerge ahela lambdageenide assambleerimine kahest geenisegmendist Kerge ahela kapageenide assambleerimine kolmest geenisegmendist Raske ahela geenide assambleerimine neljast geenisegmendist Antikehageenide geneetiline kontroll Rekombinatsioonilised signaaljärjestused Varieeruvad ühendussaidid Somaatilised hüpermutatsioonid RAKULISE IMMUUNVASTUSE GENEETILINE KONTROLL Rakuline determinatsioon Rakkude ümberlülitumine ühest antikehatüübist teiseks T-rakkude retseptorite geenide assambleerimine somaatilisel rekombinatsioonil Immunoglobuliine kodeerivate geenide rakuline regulatsioon Alleelne välistamine Koespetsiifi lised enhanserid (transkriptsiooni võimendajad) 749 Sisukord XXIV. ONKOGENEETIKA KASVAJATE TEKE JA PÄRITAVUS Rakutsükkel ja apoptoos Vähkkasvajate tekkeahelad Kasvajate geneetiline determineeritus Kasvajate geneetilised avaldumisahelad Käärsoole-pärasoole polüüpne vähk Eesnäärmevähk Aju glioom ONKOGEENID Viirusonkogeenid Rakulised proto-onkogeenid Mutantsed rakulised onkogeenid Kromosoomsed ümberkorraldused ONKOGEENIDE SUPRESSORID Pärilikud kasvajad

24 Retinoblastoom Pärilik mittepolüüpne käärsoole-pärasoolevähk Rinna- ja munasarjavähk Kasvajate supressorvalgud Valk p Valk p XXV. ARENGUGENEETIKA ARENGUPROGRAMMI REALISEERUMINE Inimese loote varane areng Sugurakkude moodustumine ja viljastumine Blastula ja arenguprogrammi käivitumine Gastrula ja morfogenees Varane areng selgrootutel Äädikakärbse areng Varbussi areng DIFERENTSEERUMISRAJAD GENEETILINE SOO MÄÄRAMINE Soo määramine äädikakärbsel X:A-suhte tuvastamine Arengusignaalid soo diferentseerumisel Mutatsioonid sugu määravates geenides Soo määramine varbussil EMAEFEKTIGEENID Avaldumine emasliini kaudu Sümmeetriatelgede moodustumine äädikakärbsel Selgmise-kõhtmise telje moodustumine Keha esiosa-tagaosa telje moodustumine SÜGOOTSETE ARENGUGEENIDE AVALDUMINE Keha segmentatsioon Segmentatsioonigeenid Homeootilised geenid Selgroogsete ja selgrootute arengugeenide homoloogia Rakutüüpide spetsialiseerumine ja organite teke Geneetilised mosaiigid Günandromorfi d Somaatiline rekombinatsioon TRANSGEENSED RAKUD JA ORGANISMID Tüvirakud Transgeensed organismid Kimäärsed organismid Geennokaudiga organismid Tunnusnokaudiga organismid 815 Sisukord 27

25 Sisukord XXVI. GEENITEHNOLOOGIA TRANSGEENSED MIKROORGANISMID Bakterid Eukarüootsete valkude tootmine prokarüootide abil Molekulaarsed tšaperonid Sekretsioonisüsteemid Prokarüootsete valkude tootmine prokarüootide abil Seened TRANSGEENSED TAIMED Ti-plasmiidid Teisi meetodeid transgeenide viimiseks taimerakku Herbitsiidiresistentsed taimed Kahjuriresistentsed taimed Muud transgeenid taimedes Külmatolerantsed taimed Köögiviljade säilivusaja pikendamine Transgeenne riis TRANSGEENSED LOOMAD Saamisviisid Tuuma mikrosüstimine Viirusvektorite kasutamine Transgeenide viimine tüvirakkudesse Tuumkloonimine Rakendused Kasvuhormoon Ravimunad Ravipiim Trendikad hiired Moskiitod Ökotundlikud reoained GEENITERAAPIA INIMESEL Lähenemisviisid ja tulemused Geeniteraapia meetodid Immuunpuudulikkuse geeniteraapia Ajukasvajate geeniteraapia PÖÖRDGENEETIKA Pöördgeneetika mõiste Antisenss-RNA T-DNA ja transposooninsertsioonid RNA interferents mirna sirna Ribosüümid

26 6. BIOTEHNOLOOGIA JA TÄNAPÄEV Biosõjad ja bioterrorism Molekulaarsed sõjavahendid Bioeetika Eugeenika GMO-d Meditsiinilised manipulatsioonid Biotehnoloogia ja eetika 853 XXVII. KÄITUMISGENEETIKA BIOLOOGILISED RÜTMID: BIOLOOGILINE KELL Biorütmide geenid Tsirkadiaanrütmid seentel ja bakteritel Äädikakärbse perioodilisuse geenid Biorütmid taimedel Bioloogilised rütmid loomadel Ajavahe mõju inimesele KVALITATIIVSED KÄITUMISTUNNUSED Käitumisgeenid Kemo- ja fototaksis Putukate pesakoristuskäitumine Seksuaalne käitumine Lapsehülgajad hiireemad Käitumisgeenide mutatsioonid inimesel Laste neuroloogilised haigused Fenüülketonuuria Leshi-Nyhani sündroom Tay-Sachsi haigus Dementsus Huntingtoni tõbi Alzheimeri tõbi Käitumuslikud geenidoosimutandid Autosoomsed karüotüübianomaaliad Downi sündroom Patau ja Edwardsi sündroomid Genoomsed karüotüübianomaaliad Klinefelteri sündroom e. diplo-x-sündroom XYY-mehed e. üli-mehed Turneri sündroom XXX-naised e. triplo-x-sündroom KVANTITATIIVSED KÄITUMISTUNNUSED Intelligentsusomadused Psüühikahäired ja sõltuvused Alkoholism 877 Sisukord 29

27 Suitsetamine Skisofreenia, bipolaarne meeleoluhäire ja agressiivsus Käitumisgeenide valik 881 XXVIII. KVANTITATIIVSETE TUNNUSTE PÄRITAVUS KOMPLEKSSED TUNNUSED Pidev muutlikkus Mendellikud tunnused Näivalt mittemendellikud tunnused Katkendlik muutlikkus Kvantitatiivne geneetika (statistiline geneetika) Populatsiooni keskmine ja modaalklass Korrelatsioonikoefi tsient Regressioonanalüüs Päritavus Varieeruvuse komponendid Päritavus laiemas tähenduses Päritavus kitsamas tähenduses Päritavus ühe- ja erimunakaksikutel ARETUS Valikumeetodid Individuaalne valik Fenotüüpide ennustamine Massvalik Kvantitatiivse tunnuse lookus Aretusmeetodid Sise- ja välisaretus Ühiseellased 904 Sisukord XXIX. POPULATSIOONIGENEETIKA ALLEELISAGEDUSED POPULATSIOONIS Tasakaaluline populatsioon Hardy-Weinbergi seadus Üks autosoomne dialleelne geen Üks autosoomne polüalleelne geen Suguliitelised geenid Geneetiline konsultatsioon Haige lapse sünni tõenäosus autosoomse tunnuse korral Haige lapse sünni tõenäosus suguliitelise tunnuse korral Mittetasakaaluline populatsioon Mittejuhuslik ristumine Ebavõrdne ellujäävus Liigendunud populatsioonid ja geograafi line isolatsioon Migratsioon ja ühendpopulatsioonid

28 2. LOODUSLIK VALIK Looduslik valik fenotüübi tasemel Kohasus Valiku tüübid Suunav valik Lõhestav valik Stabiliseeriv valik Looduslik valik geeni tasemel Suhteline kohasus (selektsioonikoefi tsient) Tööstusreostus JUHUSLIK GEENITRIIV Populatsiooni efektiivne suurus Populatsiooni heterosügootsus Geenisageduste juhuslikud muutused Paardumistüüpide erinev osakaal Pöidlaküüdiefekt Pudelikaelaefekt Rajajaefekt POPULATSIOONI TASAKAALUSEISUND Populatsiooni dünaamiline tasakaal Tasakaalustav valik Mutatsiooni-selektsiooni tasakaal Mutatsiooni-geenitriivi tasakaal 931 XXX. EVOLUTSIOONIGENEETIKA EVOLUTSIOONITEOORIA MOLEKULAARNE EVOLUTSIOONITEOORIA DNA ja valkude polümorfi sm Valgu struktuuri varieeruvus Kromosoomi struktuuri varieeruvus Nukleiinhapete järjestuste varieeruvus DNA-fragmentide pikkuspolümorfi sm Vaikiv polümorfi sm Üksiknukleotiidne polümorfi sm Molekulaarne evolutsioon Molekulaarne fülogenees Populatsioonide fülogeneesipuu Hominoidide fülogenees Valkude molekulaarne evolutsioon Valkude molekulaarse evolutsiooni kiirus Molekulaarne kell DNA molekulaarne evolutsioon DNA molekulaarse evolutsiooni kiirus 949 Sisukord 31

29 Neutraalsed mutatsioonid Molekulaarse evolutsiooni neutraalsusteooria Molekulaarne evolutsioon ja adaptiivsed fenotüübilised tunnused LIIGITEKE Liigitekke mehhanismid Allopatriline liigiteke Sümpatriline liigiteke Inimese evolutsioon Hominoidide evolutsioon Inimese lähieellaste teke Inimese evolutsioon Rasside ja rahvuste evolutsioon 962 SÕNASTIK 964 AINEREGISTER 1100 NIMEREGISTER 1132 KASUTATUD KIRJANDUS JA SOOVITATAVAD ÜLDAINETE PÕHIÕPIKUD 1135 Sisukord 32

30 I. GENEETIKA AJALUGU Elusorganismide võime pärandada oma omadusi järglastele on niivõrd ilmne, et seda saab kahtlemata pidada üheks esimeseks inimese teaduslikuks tähelepanekuks. Ilmselge on ka see, miks tekkis soov saada vastus kahele küsimusele. 1. Miks elus asi esineb tohutult paljudes vormides? Tänapäeval on see küsimus organismide muutlikkusest. 2. Miks vanemad ja järglased on sarnased nii füüsiliste kui ka hingeliste omaduste poolest? Tänapäeval on see küsimus pärilikkusest. Pärilikkuse ja muutlikkuse küsimustele on nüüdisajal leitud juba küllalt arusaadavaid ja üheseid vastuseid. Samas on need vastused hakanud muutma mitte ainult meie enda mõtlemist, vaid ka inimühiskonda tervikuna. Inimese kehas on triljonid rakud, mis kõik sisaldavad DNA-s kodeeritud informatsiooni, et säilitada raku elusolek ning eksisteerimise ja arengu programm. Teades DNA nukleotiidset järjestust, saame mõnesuguse tõenäosusega ette arvata, kuhu meie areng võib välja viia (nt. pärilike haiguste teke). Teadusliku hiigelprojekti tulemusena sekveneeriti a. anonüümsete doonorite DNA-proovidest nn. anonüümse inimese genoom. Uude etappi jõuti a., kui määrati inimgenoomi projekti kahe juhi (James Watson ja Craig Venter) personaalsed genoomid (ingl. personal genomes). Nüüd, viie aasta pärast, on määratud juba tuhandeid inimgenoome. Kui raha on (ja seda ei peagi olema väga palju, s.t. mitte üle 5000 USD), siis juba praegu saab määrata huvilise personaalse genoomi. Kuid mida see tähendab? Selles olukorras pole me enam mitte ainult fenotüübiliselt, vaid juba genotüübiliselt alasti. Kuid inimühiskond on nutikas. Fenotüübiline alastus on lahendatud riietumisega ning küllap leitakse aktsepteeritud viis ka genotüübilise alastuse vältimiseks. 1. GENEETILISE MÕTTE ARENG Tsivilisatsiooni teke on tihedalt seotud selektiivsete ristamistega ja soovitud tunnustega järglasisendite valiku e. selektsiooniga (ingl. selection). Kiviaja Lähis-Ida asukad aretasid välja esimesed koduloomade tõud ja kultuurtaimede sordid. Geneetika ajalugu 33

31 Craig Venter. James Watson. Geneetika ajalugu 1.1. Geneetika 34 Tänapäeval teame, et vähemalt a. e.m.a. tegelesid rändsuguharude liikmed maaharimise ja loomakasvatusega. Tuhandetest igapäevastest n-ö. eksperimentidest ammutatud teadmised üldistusid ning ajale iseloomulikult anti neid edasi põlvest põlve kui maagilisi, religioosseid tavasid. Näiteks on paljudes usundites (ka Piiblis) nõue, et oma karja ära sega võõra tõuga ja oma põllule ära külva kaht sorti seemneid. Abi on olnud kaljujoonistest. Vanast Elamist (6000. a-st e.m.a.) pärinevad joonised näitavad, et peeti arvestust hobuste põlvnemise ja nende päritavate tunnuste üle. Üllatav on siinkohal tõdeda, et joonisel esitatud sümbolid meenutavad sugupuud (ingl. pedigree), kus jälgitakse tänapäeval hästi tuntud tunnuseid: laka kuju (püstine, lamenenud, puudub) ja pea kuju profi il (kumer, sirge, nõgus). Antiikajast, Rooma impeeriumi päevilt on säilinud ürik, mis käsitleb loomade aretusmeetodeid. Vana-aja raidkujude ja jooniste põhjal teame, et juba assüürlased, babüloonlased ja araablased teadsid enne meie ajaarvamist, et taimedel on kaks sugupoolt. Teati, et datlipalmide emastaimed ei anna vilju, kui neid ei viljastata isastaime õietolmuga. Sellist kunstlikku seemendamist (ingl. artificial insemination) e. kunstlikku viljastamist toimetasid paganausu preestrid, mis võimaldas vähem kasvatada kasutuid isastaimi. Meie esivanemate gigantne töö taimesortide ja loomatõugude aretuses on andnud häid tulemusi. Mõningaid taimesorte ja loomatõuge pole võimalik isegi tänapäevaste meetoditega paremaks muuta. Analoogilisi aretusmeetodeid püüti vanal ajal rakendada ka inimese puhul. Näiteks on teada, et Vana-Kreeka mõnes linnriigis hukati kaasasündinud anomaaliatega ja nõrgad lapsed. Niisugused

32 eksperimendid ei andnud aga inimpopulatsiooni geneetilises struktuuris mingit märgatavat efekti Eelteaduslik periood Geneetika eelteaduslikule perioodile on iseloomulikud üksikud õiged ja objektiivsed tähelepanekud, mida varjutavad aga tol ajal massiliselt levinud spekulatsioonid ja fi losoofi lised targutused. Vana-Kreekast said alguse kaks pärilikkuse kontseptsiooni idealistlik ja materialistlik, mis vastandusid teineteisele sajandeid. Selle perioodi pärilikkusekäsitlustest on otstarbekohane esitada kolm alljärgnevat. 1. Vana-Kreeka fi losoof Demokritos Abderast (u a. e.m.a.) püüdis anda pärilikkusenähtuste esimese materiaalse põhjenduse, mis on meieni säilinud kahjuks vaid osaliselt. Tema järgi on pärilikkuse määramisel emas- ja isassugupool võrdsed, sest mõlemad eraldavad seemneid, mis pärast ühine mist annavad järglase. Seemned sisaldavad materiaalseid üksusi kogu organismist. 2. Vana-Kreeka fi losoof ja arst Hippokrates Kosist (u a. e.m.a.) õpetas oma pärilikkuseteooriat enda meditsiinikoolis. Tema kahe seemne hüpoteesi kohaselt on järglased vanemate sarnased sellepärast, et vanemate kogu kehast moodustunud nn. terved ja haiged väikesed tüüpilised elemendid e. näidised kogunevad seemnetesse, mille ühinemisel tekib järglane. Seega on järglane loodud vanemelementidest, mõlemad vanemorganismid on pärilikkuse poolest võrdväärsed ning järglastel moodustunud osakesed segunevad ja liituvad ning selle tulemusel tekib vahepealsete omadustega organism. Järglane on nagu segu või lahus. Hiljem hakati seda teooriat nimetama liitpärilikkuseks. See olemuselt vale teooria põhjendas ka nn. eluajal omandatud tunnuste pärandumise uskumist. Näiteks uskus Hippokrates, et inimese kolju pikenes evolutsioonis tänu sellele, et vana komme nõudis vastsündinu õrna peakolju kunstlikku muutmist. 3. Vähem kui 100 aastat hiljem selgitas Aristoteles Stageirast ( a. e.m.a.) Hippokratese tõekspidamiste paikapidamatust. Ta näitas, et järglane ei ole üles ehitatud vanemate keha erinevate osade elementidest. Põhjenduseks tõi ta asjaolu, et vanematel ilmnevad teatud tunnused (nt. hallid juuksed) tavaliselt alles pärast järglaste andmise võime perioodi ning et vigaste ja sandistunud vanemate lapsed pole alati defektidega. Aristoteles oletas, et isasseemnete osa seisneb kava (ehitusplaani) andmises, mille alusel emas organismi formeerumata veri moodustab järglased. Järelikult pole tunnuste pärandumine valmis kehaosade näidiste edasiandmine ja lahjendamine, vaid informatsiooni ülekanne, mis suunab organismide arengut. Seega Aristoteles ei uskunud eluajal omandatud tunnuste pärandumisse. Samas oli Aristotelese väärarvamuseks see, et isas- ja emas organismid pole pärilikkuses võrdväärsed. Aristoteles koos oma õpetaja, fi losoof Platoniga ( a. e.m.a.), arvas, et loode areneb diferentseerumata ainest mingi sisemise eesmärgi, elujõu e. entellehhia toimel. Seega on ema osa passiivne, ema annab passiivse arenguvõimeta substantsi, isa seeme aga lisab aktiivse liikumapaneva jõu (entellehhia), mis kujundab vormi ja aktiivsusfunktsioonid. Geneetika ajalugu 35

33 Keskajale olid iseloomulikud skolastilised targutused antiikaja seisukohtade ümber. Üldiselt valitsesid siiski Aristotelese seisukohad. Samas omistati keskajal entellehhiale mittemateriaalne iseloom. Liikide põlvnemise kohta valitsesid fantastilised ideed. Arvati, et kaelkirjak on tekkinud kaameli ja leopardi ristumisel, et angerjad tulevad maale selleks, et ristuda madudega ja et jaanalinnu esivanemateks on kaamel ja varblane. Põhjenduseks toodi asjaolu, et natukenegi endast lugupidav jumal poleks hakanud looma niisuguseid imelikke loomi nagu kaelkirjak, angerjas, jaanalind. Seda perioodi iseloomustab kaunis hästi seegi, et paljud teadlased vaidlesid 250 aastat hobuse ja lehma ristamisel saadud hübriidi üle, ehkki sellist hübriidi pole kunagi eksisteerinudki Renessansiaeg ( saj.) tõi samuti vähe uut pärilikkuse mõistmisse. Kuidagi ei saadud lahti organismide isetekke ideest, eriti primitiivsete organismide puhul. Renessansiajal tõusis uuesti esile materialistlik käsitlus. Sel ajaperioodil valitses preformismiteooria, mille rajajaks oli Hollandi bioloog Jan Swammerdam ( ). Nimetatud teooria pooldajad jagunesid kaheks ovulistideks ja animalkulistideks, vastavalt sellele, kas inimese alge e. väike inimene homunkulus paiknes valmiskujul munarakus või seemnerakus. Hiljem asendus preformismiteooria aga jällegi Aristotelese tüüpi epigeneesiteooriaga, mille rajajaks oli Saksa anatoom Caspar Fr. Wolff ( ) Varateaduslik periood Geneetika arengu varateaduslik periood langeb ajavahemikku 17. sajandi lõpust kuni Mendeli seaduste taasavastamiseni aastal Sellel perioodil püüti pärilikkuse seletamisel tugineda eksperimentaalsetele uurimisandmetele, mis andsid ka õigeid teaduslikke tulemusi. Perioodi areng seostub eelkõige ristamismeetodi kasutuselevõtu ja arendamisega ning tsütoloogiliste uuringute edusammudega. Perioodi nimetatakse seepärast ka suurte hübriidijate ajajärguks. Samal ajal oli aga teadusandmete teoreetiline käsitlus suuresti seotud ideoloogiliste spekulatsioonidega, viimased omakorda olid mõjutatud antiikfi losoofi de kontseptsioonidest. Varateaduslikule perioodile on iseloomulikud mitmed tähtsad bioloogilised avastused. Geneetika seisukohalt nimetame neist taimede soo (suguline dimorfi sm) avastamist Saksa botaaniku ja arsti Rudolf J. Camerariuse ( ) poolt a., kahe nelgisordi ristamisel esimese taimse mitteloodusliku hübriidi saamist 18. sajandi algul Inglise aedniku Thomas Fairchaildi ( ) poolt, Rootsi süstemaatiku Carl von Linné ( ) Peterburi Akadeemia konkursi võitu taimede soo olemuse selgitamisel ja Saksa botaaniku Josef G. Kölreuteri ( ) poolt aastal kahe tubakaliigi esimese tõelise liikidevahelise hübriidi saamist. Geneetika ajalugu Mendelismi stiihilised ja teadlikud eelkäijad Mendelismi stiihilised eelkäijad toimetasid oma katsetega perioodil Need uurijad tegelesid taimede hübriidimisega ning nad saavutasid üksikjuhtudel katsetulemusi, mis hiljem, võrreldes Johann Gregor Mendeli ( ) omadega, osutusid praktiliselt identseteks. Selle perioodi tuntumateks esindajateks on juba nimetatud Josef G. Köelreuter, kes avastas hübriidide esimese põlvkonna ühtlikkuse nähtuse, ja Inglise botaanik Thomas A. Knight ( ), kes näitas hübriidide lahknemist teises põlvkonnas. Neid katseid arendasid edasi mendelismi nn. teadlikud eelkäijad, eelkõige 36

34 Prantsuse suured hübriidijad Augustin Sageret ( ) ja Charles V. Naudin ( ). Perioodi suureks autoriteediks taimede uurimisel ja ristamisel oli tol ajal Saksa botaanik Karl Friedrich von Gärtner ( ). Ülalnimetatud teadlaste seletused pärilikkuse kohta olid aga kahjuks valed. Nad lähtusid taas liitpärilikkusest, sealhulgas organismi eluajal omandatud tunnuste pärandumise ideest. Näiteks arvas J. Kölreuter, et organismi kõigist osadest, kõigist rakkudest kandub sugurakkudesse mingi aine ekstrakt e. pärilikkusvedelik. A. Sageret ja Ch. Naudin arvasid, et kõigist keharakkudest kanduvad sugurakkudesse väikesed pärilikkusaine osakesed. Viimatinimetatud teooria alusel lõi oma pärilikkushüpoteesi e. pangeneesi ajutise teooria ka Charles Darwin ( ). Darwin arvas, et igas organismi rakus on pärilikkuse kandjad e. gemmulad, mis kanduvad suguelunditesse vere kaudu. Nagu me nüüd teame, oli pangeneesi hüpotees vale Kromosoomide seondamine pärilikkusega Mendeli tööde ja Mendeli seaduste taasavastamise vahelisel perioodil arenes kiiresti tsütoloogia. Selgitati välja raku jagunemise kromosoomsed mehhanismid ja oletati, et kromosoomid on pärilikkuse kandjad. Kromosoomid avastas esmakordselt taimerakkudes Šveitsi botaanik Karl Wilhelm von Nägel ( ) juba aastal ja hiljem sõltumatult Belgia teadlane Edouard van Beneden ( ) ümar ussidel (Ascaris), kirjeldades kromosoomide jaotumist meioosis. E. van Beneden koos Saksa anatoomi Walther Flemmingiga ( ) kirjeldasid mitoosi a. (esmakirjeldus juba a.). Nimetus mitoos pärineb aga hilisemast ajast teiselt Saksa anatoomilt Heinrich W. G. van Waldeyer-Hartzilt ( ). K. Nägel lõi iduplasmateooria, mille kohaselt iduplasma on pärilike omaduste kandja. Iduplasmateooriat arendas edasi August Weismann ( ), kes avastas ka meioosi. Sel perioodil tehti suuri edusamme ka kvantitatiivsete tunnuste uurimisel. Francis Galton ( ) lõi inimgeneetika alused. Francis Galton oli muuseas Charles Darwini lähedane sugulane: tema emaisa ja Ch. Darwini isaisa oli sama mees Erasmus Darwin ( ). Nende suguvõsas on ridamisi nii loomingulise talendiga mehi kui ka mõttehiiglasi, teadusajaloo suurkujusid (jn. 1.1). Johann Gregor Mendel. Geneetika ajalugu 37

35 I Erasmus Darwin ( ) II III Robert W. Darwin Susanah Wedgwood Josiah Wedgwood II Elisabeth Allen Charles Darwin ( ) Emma Wedgwood (Darwin) Francis Galton ( ) IV George Darwin Francis Leonard Darwin Darwin Pole järglasi Loomingulise talendiga mehed Mõttehiiglased. Teadusajaloo suurkujud Joonis 1.1. Charles Darwini ja Francis Galtoni sugupuu. August Weismann oli tähtsaim ja olulisim geneetik enne Mendeli töö taasavastamist. Tema pärilik kusteooria kohaselt on pärilik kuse väikseimaks kandjaks biofoorid, mis kogunevad determinantideks ning mis määravad elementaarse tunnuse. Determinandid kogunevad iidideks, viimaste kogum moodustab idandi e. kromosoomi. Weismann valmistas ette pinda mendelistliku geneetika arenguks Teaduslik periood Geneetika teadusliku perioodi eelkäijaks ja vaimseks isaks on loomulikult J. G. Mendel, kes tegi oma kuulsad ristamiskatsed aastatel ja avaldas oma tulemused a. (trükis a.). Teatavasti olid need tulemused teaduse arengust liiga kaugel ees, mistõttu jäid unustushõlma, sest Mendeli tulemuste olemust ja sisu lihtsalt ei mõistetud. Mendeli seadused (seadusteks hakkasid neid nimetama hiljem teised uurijad) taasavastati ja avaldati sõltumatult kolme teadlase poolt: Hugo de Vries ( ) (ta on ka mutatsiooniteooria rajaja) Hollandist, Carl Correns ( ) (ka tsütoplasmaatilise pärilikkuse avastaja) Saksamaalt ja Erich von Tschermak (-Seysenegg) ( ) Austriast. Seoses nukleiinhapete osa selgitamisega jaotatakse teadusliku geneetika periood kahte etappi: klassikalise geneetika etapp ( ) ja molekulaargeneetika etapp (pärast a.). Geneetika ajalugu Klassikalise geneetika etapp Pärast Mendeli seaduspärasuste taasavastamist toimus kümne aasta jooksul kiire mendelismi võidukäik. Mutatsiooni mõiste esitas H. de Vries a. ja mutatsiooniteooria töötati välja a. Saksa bioloog Theodor Bover ( ) ning Ameerika geneetik ja arst Walter Sutton ( ) seostasid Mendeli avastatud pärilikkuse seaduspärasused juba a. kromosoomide, meioosi ja viljastumisega. Arendati välja geeniteooria ja 38

36 Thomas H. Morgan. geneetika uusavastused liideti evolutsiooniteooriaga. Mõiste geneetika pärineb a. William Batesonilt ( ), mõisted geen, alleel, genotüüp ja fenotüüp aga a. kuulsalt Taani taimefüsioloogilt Wilhelm Johannsenilt ( ) a. lõi W. Johannsen ka populatsioonigeneetika esmaalused. Klassikalise geneetika võidukäik toimus aastatel Tähtsaimaks asjaoluks oli kindlasti pärilikkuse kromosoomiteooria väljatöötamine Ameerika geneetiku ja evolutsionisti Thomas H. Morgani ( ) ja tema kaastöötajate poolt, valdavalt katsetes Drosophila ga Columbia ülikooli (USA) nn. kärbsetoas. Nn. drosofi listid näitasid, et geenid paiknevad kromosoomides lineaarselt, et homoloogsetes kromosoomides on erinevad alleelid ning ristsiirde tulemusel kombineeruvad geenid ümber, samuti selgitasid nad suguliiteliste tunnuste pärandumise seaduspärasused. Teisalt selgitati ka kvantitatiivsete tunnuste päritavuse olemus Rootsi geneetik H. Nilsson-Ehle ( ) ning heteroosiefekt Ameerika geneetiku Edward M. Easti ( ) poolt. Ajavahemikus valitses tugev geneetiline antidarvinism. Ikka ja jälle püüti näidata, et Darwini õpetus ei sobi geneetikaga kokku. Samas, pärilikkuse ja muutlikkuse seletamisel väga palju edasi ei jõutud. Geneetikat defi neeriti kui õpetust pärilikkusest ja muutlikkusest. Pärilikkuse ja muutlikkuse olemused jäid aga sisuliselt selgusetuks. Muutlikkuse küsimused lahendati klassikalise geneetika perioodi lõpus, aastatel Sel perioodil toimus geneetika süntees darvinismiga. Üheks tähtsa - maks asjaoluks, mis seda võimaldas, oli kunstliku mutageneesi avastamine. Kiirgusmutageneesi avastasid USA geneetik Hermann Muller ( ) ja Nõukogude radiobioloog Georgii A. Nadson ( ) ning G. S. Filippov. Keemilise mutageneesi selgitamine seostub eelkõige saksa-juudi päritolu Šoti zooloogi ja geneetiku Charlotte Auerbachi ( ) ja Nõukogude teadlaste V. V. Sakharovi ning I. A. Rapoporti töödega. Paralleelselt arendati välja populatsioonigeneetika, milles on suurimad teened Inglise statistikul Ronald Fisheril ( ), Inglise evolutsionistil John B. S. Haldane il ( ), USA geneetikul ja evolutsionistil Sewall Wrightil ( ) ja ukraina päritolu USA evolutsionistil Theodosius Dobzhanskyil ( ). Geneetika ajalugu 39

37 Populatsioonigeneetika oligi see, mis Darwini teoorias puudus, põhjuseks eelkõige Darwini valed arusaamad pärilikkusest. Tekkinud süntees andis meile sünteetilise evolutsiooniteooria, mille põhiseisukohad kehtivad tänapäevani. Muutlikkusvormide vahekorra ja seoste selgitamisel populatsioonides jõuti järgmistele järeldustele (jn. 1.2): 1) muutlikkuse aluseks on pärilik genotüübiline muutlikkus; 2) kombinatiivne muutlikkus on mutatsioonilisest muutlikkusest laiem; 3) varjatud genotüübiline muutlikkus on ulatuslik reserv, millest tekib fenotüübiline lisamuutlikkus; 4) fenotüübilise muutlikkuse ulatuse määrab pärilik reaktsiooninorm; 5) päriliku reaktsiooninormi ulatus on määratud populatsioonis genofondiga, isendil aga tema genotüübiga. Pärilik reaktsiooninorm Fenotüübiline muutlikkus Modifikatsiooniline muutlikkus Fenotüübis avalduv genotüübiline muutlikkus Kombinatiivne genotüübiline muutlikkus Mutatsiooniline muutlikkus Genofond Joonis 1.2. Muutlikkusvormide vahekord ja seosed. Puhast fenotüübilist muutlikkust, mis on keskkonnasõltuv, nimetatakse modifi katsiooniliseks muutlikkuseks. Modifi katsioonilise muutlikkuse piirid on määratud päriliku reaktsiooninormiga. Pärilik reaktsiooninorm on determineeritud genofondi poolt. Genotüübilise muutlikkuse põhiosa on kombinatiivne muutlikkus, mille aluseks on mutatsiooniline muutlikkus. Suur osa genotüübilisest muutlikkusest ei avaldu, kuna see on fenotüübis mitt eavalduv genotüübiline muutlikkus e. varjatud genotüübiline muutlikkus. Geneetika ajalugu Molekulaargeneetika etapp Molekulaargeneetika alused töötasid mikroobigeneetika ja viirusegeneetika arengu põhjal kõigepealt välja USA teadlased George W. Beadle ( ), Edward L. 40