II. PALJUNEMINE JA GENEETIKA MUDELORGANISMID Geeetika seaduspärasuste ilmemiseks o vaja teha ristamisi, saada järglasi ja eid aalüüsida. Ristamisteks o vaja ema ja isa. Kuid 1996. a. südis Šotimaal lammas Dolly, kellel polud isa, oli aga tervelt kolm ema. Tema geeid olid samased siiski vaid ühe emaga, ta oli selle kloo (igl. cloe). Muaraku emaks (tsütoplasma doooriks) oli Scottish Blackface i tõugu utt, kelle muarakust kõrvaldati tuum (geeetilie materjal) ja kohe pärast seda ühedati muarakk Fi-Dorset i tõugu geeetiliselt emalt saadud udararaku (somaatilie rakk) tuumaga, kes oli seega tuuma doooriks (j. 2.1). Ühieud rakud stimuleeriti elektriimpulsiga jaguema ig moodustuud blasto tsüst implateeriti asedusema (igl. surrogate mother) emakasse (Scottish Blackface), kes Dolly ka süitas. Kirjeldatud somaatilise rakutuuma ülekaet Dolly klooimisel tegid Ediburghi ligidal asuva Roslii istituudi teadlased Ia Wilmut, Keith Campbell ja ede kaastöötajad. Dolly elas kuueaastaseks. Alaud oli kõrgemate orgaismide klooimise ajastu. 1. RAKK Veidi ee Medeli katseid avaldasid Matthias J. Schleide (1804 1881) ja Theodor Schwa (1810 1882) 1838. a. rakuteooria. Rakuteooria kohaselt koosevad kõik orgaismid rakkudest. Rakud moodustuvad olemasolevatest eellasrakkudest ig eis kõigis o pärilik iformatsioo rakkude fuktsioeerimiseks ja geeetilise iformatsiooi ülekadeks järglaspõlvkoda. M. Schleide töötas ka Tartu ülikoolis. Seda, et iga elusrakk moodustub vaid olemasolevast elusrakust (ld. omis cellula e cellula) käsitletakse kui bioloogia põhipostulaati, mille formuleeris Rudolf Virchow (1821 1902). Veelgi varem, 1827. a. avastas Karl Erst vo Baer (1792 1876) muaraku. Baer oli südiud Piibe mõisas, õppiud Tartu ülikoolis meditsiii ja olud viimased eluaastad Tartus Eesti Loodusuurijate Seltsi esimees. Muaraku tähtsustamie viis kaasaegse bioloogia põhikotseptsiooii, mis ütleb, et kõik, mis elab, tekib muast (ld. ome vivum ex ovo). Sellest sai pöördepukt kaasaegse moderse bioloogia aregus. 52
Muaraku dooor Tuuma dooor Muarakk Scottish Blackface Fi-Dorset Piimaäärmekoe rakk Tuuma eemaldamie Tsütoplasma Tuum Koekultuurirakud Vooluimpulss Blastotsüst Muaraku jaguemie Asedusema Dolly Kloo Joois 2.1. Dolly klooimise skeem, kasutades tuumaülekademeetodit. 1.1. Rakk kui elusorgaismi ehituskivi Rakud koosevad paljudest eritüübilistest molekulidest. Kõige rohkem o rakus vett. Vees o lahustuud mitmesugused hüdrofiilsed madalmolekulaarsed ühedid, agu soolad, suhkrud, amiohapped ja mõed vitamiiid. Vees mittelahustavad ühedid o hüdrofoobsed. Ka viimased võivad asuda raku veelises sisekeskkoas, mida imetatakse tsütoplasmaks (igl. cytoplasm). Rakk ehitatakse üles paljudest erisuguse struktuuri ja fuktsiooiga molekulidest. Süsivesikud (igl. carbohydrates) säilitavad rakusiseselt keemilist eergiat. Need o polümeerid (tärklis, glükogee), mille moomeerideks o lihtsuhkrud (t. glükoos). Rakk saab eergiat suhkrumolekulide laguemisel lihtsateks ühediteks, aeroobidel veeks ja süsihappegaasiks. Rakud sisaldavad ii eergia säilitamiseks kui ka rakustruktuuride ülesehitamiseks lipiide (igl. lipids), mis koosevad madalmolekulaarsest orgaailisest ühedist glütseroolist ja kõrgmolekulaarsetest orgaailistest üheditest rasvhapetest. Kõige heterogeesemaks molekulide grupiks rakus o valgud (igl. pro teis), mis koosevad ühest või eamast polüpeptiidist. Polüpeptiidid koosevad omakorda amiohapetest. Osa valke katalüüsivad keemilisi reaktsiooe, eid imetatakse esüümideks (igl. ezymes). Pärilikkusekadjateks o rakus ukleiihapped (igl. ucleic acids) DNA ja RNA. 53
Rakud o kaetud õhukese ümbrisega, rakumembraaiga (igl. cell membrae). Membraaid o ebapüsiva kujuga, voolava sisu ja muutuva struktuuriga, kuid just emad koordieerivad ja eraldavad keemilisi reaktsiooe ruumis ja ajas. Mõedel rakkudel o lisaks membraaümbrisele veel rakukest (igl. cell wall). Taimerakkudel o see tselluloose, bakterirakkude kest sisaldab aga mureiii. Raku sise- ja välismembraaid o täu molekulaarsete kaalite ja avade olemasolule mõigaid aieid läbilaskvad. Aiete trasport läbi membraaide, samuti membraaidele o raku aktiivsuse üheks tähtsamaks kompoediks. Sellega saab rakk eluliselt tähtsat iformatsiooi, äiteks ümbritsevatest keskkoatigimustest. Membraaseoselisi valke, mis iterakteeruvad rakuväliste molekulidega ig kaavad vastavat sigaali edasi raku sisemusse, imetatakse rakuretseptoriteks (igl. cell receptors). Mutatsiooid geeides, mis kodeerivad raku retseptoreid või kidlaid rakumembraai iookaaleid, võivad põhjustada paljusid haigusi (t. vähktõbi, tsüstilie fi broos, epilepsia). Bioloogilises maailmas o kahte tüüpi rakke, prokarüootsed (igl. prokaryotic) ja eukarüootsed (igl. eukaryotic). Eukarüootsed rakud jaotuvad elja riiki (igl. kigdoms): taimed, loomad, seeed ja aiuraksed. Prokarüoodid jaotuvad bakteriteks ja arhedeks (igl. archaea). Kõik elusorgaismid lihtsatest bakteritest komplekssete imetajatei o evolutsioeeruud ühiseellasest (igl. progeitor) (j. 2.2). Loomad Taimed Seeed Eukaryota Ripsloomad Viburloomad Eosloomad Parasiitsed viburloomad (Giardia lamblia jt.) Escherichia coli Flavobacteria Eubacteria Bacillus subtilis Rohelised väävlibakterid Borrelia burgdorferi Thermotoga Sulfolobulus Thermococcus Archaea Methaobacterium Halococcus Halobacterium Methaococcus jaaschii Arhede ja eukarüootide ühiseellae Kaasaegsete orgaismide ühiseellae Joois 2.2. Kaasaegsete orgaismide evolutsiooipuu ühiseellasest. Eukarüoodid (helepruu); prokarüootsed bakterid (rohelie); prokarüootsed arhed (siie). 54
1.1.1. Prokarüoote rakk Prokarüoodid o orgaismid, kellel puudub rakutuum. Seepärast imetatakse eid eeltuumseteks. Prokarüootide DNA o kooduud ühte raku piirkoda, mida imetatakse ukleoidiks (igl. ucleoid). Bakterid o üherakulised, tsüaobakterid (siivetikad) aga ii üherakulised kui ka fi lametsed hulkraksed orgaismid. Prokarüootides puuduvad kidlad membraaistruktuurid, kuid edes o mitmed valgud raku vesikeskkoas e. tsütosoolis (igl. cytosol) siiski omavahel orgaiseeritud. Vaatamata sellele, et prokarüootsed rakud o väikesed, võivad ad soodsates tigimustes hulgaliselt paljueda. Näiteks kui prokarüoote rakk paljueb iga 20 miuti tagat (agu soolekepike), siis 11 tuiga oleks baktereid juba rohkem kui iimesi maakeral. Üksiku soolekepikese (Escherichia coli) kuivkaal o 25 x 10-14 g. Iimese soolestikus o aga 1 1,5 kg baktereid, s.t. 4 x 1017 idividuaalset orgaismi. Kogu maakeral arvatakse olevat 5 x 1030 bakterit kogukaaluga 1012 kg. Bakterid ja arhed o kõige iidsem eluvorm ig kohastuud eluks kõige erievamates keskkoatigimustes 10 km sügavuses maapõues ja 60 km kõrgusel atmosfääris, samuti kuumaveeallikates, soolajärvedes ja süvaveevulkaaide kraatrites. 1.1.2. Eukarüoote rakk Pseudomoas fluoresces DAPI värvig. Foto: Eeva Heiaru. Saccharomyces cerevisiae. Foto: Sulev Kuuse. Eukarüootsed rakud o üldiselt kümme korda suuremad kui prokarüootsed. Eukarüootsete rakkude suurus o eamasti piirides 10 100 μm. Iimese sidekoe fibroblast o 15 μm suurue ig tema kuivkaal o mitu tuhat korda suurem kui äiteks E. coli rakul. Aiurake amööb o aga isegi suurem kui 0,5 mm. Jaaaliu muarakk o veel palju-palju suurem. Täiskasvaud iimese kehas arvatakse olevat 10 100 triljoit (1013 1014) rakku. Valdavalt pooldatakse. kümme astmes eliteist hiagut. Eukarüootsetes rakkudes esievad orgaellid (igl. orgaelles), sh. mitokodrid ja plastiidid. Mitokodrid (igl. mitokodria) o vajalikud rakule toitaietest eergia saamiseks ja eergia koverteerimiseks. Vetikate ja taimede kloroplastid (igl. chloroplasts) koverteerivad seevastu päikeseeergiat keemiliseks eergiaks. Mitokodrid ja kloroplastid o ümbritsetud kahekordse membraaiga ja sisaldavad sisemisi membraaisüsteeme, eis o oma DNA. Valdav osa eukarüootide pärilikust materjalist o kooduud eraldi kahekordse membraaiga ümbritsetud struktuuri, rakutuuma (ucleus), kus asuvad kromosoomid (igl. chromosomes). 55
Eukarüootide mitokodrid ja kloroplastid o areeud evolutsiooiprotsessis prokarüootsetest rakkudest edosümbioosi (igl. edosymbiosis) teel. Nad o seii säilitaud osaliselt oma iseseisva pärilikkuse (DNA) ja valgusüteesi süsteemi. Eergeetiliselt aktiivsemates rakkudes o mitokodreid rohkem. Mitokodritel o kaks membraai. Sisemisel membraail asuvad esüümid, mis o seotud eergia koverteerimisega. Sisemembraa o suurema pia saavutamiseks sopistuud, moodustades harju e. kristasid (igl. cristae). Mutatsiooid mitokodrite DNA-s põhjustavad vaaemist, samuti pärilikke haigusi. Üheks selliseks o silmahaigus, Leberi päritav optilie europaatia (LHON). Kloroplastid o vaid taimerakkudes (eradia ka osas viburloomades) ja eis toimub fotosütees. Ka kloroplastidel o topeltmembraa. Kloroplastide sisemuses e. stroomas (igl. stroma) paikevad membraased kettad e. tülakoidid (igl. thylakoid), milles asub valguseergiat muudav pigmet klorofüll (igl. chlorophyll). Nii pro- kui ka eukarüootsetes rakkudes o hulgaliselt ribosoome (igl. ribosomes), väikeseid orgaelle, mis osalevad valgusüteesis. Eukarüootsetes rakkudes o sisemie membraaisüsteemi võrgustik e. edoplasmaatilie retiikulum (igl. edoplasmic reticulum). Ribosoomidega seotud edoplasmaatilist retiikulumi (ER) imetatakse karedapialiseks, mitteseotut aga siledapialiseks edoplasmaatiliseks retiikulumiks. Siledapialisel ER-l toimub lipiidide, fosfolipiidide ja steroidide sütees, karbohüdraatide metabolism, Ca-iooide kotsetratsiooi regulatsioo ig mürkide ja ravimite detoksikatsioo. Karedapialises ER-is toimub kõikide sekretoorsete ig membraaiseoseliste valkude sütees ja esmae pakkimie õigesse koformatsiooi ig posttraslatsiooilie modifi tseerimie (disulfi idsildade sütees ig suhkruahelate lisamie e. glükosüülimie). Lihasrakkude sarkoplasmaatilises retiikulumis reguleeritakse Ca-iooi taset. ER-is töödeldud valgud viiakse edasi järgmisse ossa, milleks o Golgi kompleks (igl. Golgi complex). Aiete trasport ER-ist Golgisse toimub trasportvesiikulite abil, mis puguvad ER-ist ja ühievad seejärel cis-golgiga. Golgi kompleks sisaldab põiekesi ja kotikesi, kus eristatakse kolme osa: cis-, kesk- ja tras-golgi. Golgi kompleksis toimub valkude täiedav glükosüülimie, samuti fosfaat- ja sulfaatgruppide liitmie. Golgi kompleksis otsustatakse, kuhu valgud rakus edasi trasporditakse: kas ad viiakse lüsosoomidesse, eksotsüteeritakse rakust või seotakse rakumembraaiga. Päritavad defektid Golgi kompleksi fuktsioeerimises põhjustavad vastava mutatsiooi kadjatel äiteks diabeeti, sest eil ei koverteerita proisuliii isuliiiks. Golgi kompleksist tekkiud trasportvesiikulid võivad liituda plasmamembraaiga ja väljutada eda sisu raku väliskeskkoda. Sellist rakust väljutamise protsessi imetatakse eksotsütoosiks (igl. exocytosis). Imetajatel moodustuvad Golgi kompleksi põiekestest raku eritüübilised orgaellid, lüsosoomid (igl. lysosomes), mis sisaldavad erievaid keemilisi ühedeid lagudavaid esüüme hüdrolaase. Lüsosüümides toimub paljude aiete lõhustamie. Tutakse vähemalt 40 hüdrolüütilist esüümi, mis paikevad lüsosoomides. Mutatsiooid geeides, mis määravad lüsosoomides paikevate esüümide süteesi või ede sorteerimismehhaismi, põhjustavad mitmesuguseid kaasasüdiud pärilikke haiguseid. Näiteks Tay-Sachsi haiguse e. gagliosidoosi korral o defekte lüsosomaale esüüm heksoosoamiidaas, mis vastutab gagliosiidi lõhustamise eest. Seda lipiidi o hulgaliselt ärvirakkudes. Kui gagliosiidi katabolismirada o blokeeritud, siis kogueb vaheühed euroite lüsosoomidesse, olles ajurakkudele toksilie, hävitab aju fuktsiooid ig haiged surevad juba väga oorelt (ee elja-aastaseks saamist). Mõede pärilike 56
haiguste puhul o häiritud lüsosomaalsete esüümide trasport Golgist lüsosoomidesse. Esüümi küll toodetakse rakus, aga esüümi ei fosforüülita Golgi kompleksis, selle tulemusel ei toimi Golgis sorteerimismehhaism ja lüsosoomidesse mõeldud esüümid saadetakse ekslikult hoopis rakust välja. Tulemuseks o paljude aiete mittelagudamie ja kuhjumie rakku. Seda haigust imetatakse mukolipidoosiks. Lüsosoomi defektidest tigitud haigusi imetatakse kokkuvõtlikult ladustushaigusteks (igl. storage disease), mille hulka kuulub ka eelimetatud Tay-Sachsi haigus. Need äited aitavad mõista Golgi kompleksi rolli raku elutegevuses. Nii taime- kui ka loomarakud sisaldavad peroksüsoome (igl. peroxysomes), väikseid rakuorgaelle. Nede põhifuktsiooiks o rasvhapete ladestamie, β-oksüdatsioo ja lipiidide biosütees. Peroksüsoomid sisaldavad oksüdatiivseid esüüme, mis kasutavad orgaailiste molekulide lagudamiseks molekulaarset hapikku (t. D-amiohapete oksüdaas, uraatoksüdaas, lutsiferaas). Lutsiferaas esieb jaaimardika vastsetel e. jaaiussidel ig põhjustab ede heledumist. Osa esüüme toodab reaktsiooide tulemusel vesiikperoksiidi, mis o väga tugev oksüdeerija ja mida kasutatakse mitmesuguste toksiliste aiete lagudamiseks (formalii, feool, alkohol). Esüüm katalaas lagudab vesiikperoksiidi ülejäägi. Peroksüsoomid loovad rakusiseseid osi, kus varieeruvad ph ja soolade kotsetratsiooid, reguleerivad erisuguste protsesside toimel rakusisest keskkoda. Taimerakkudes olevaid membraaidega ümbritsetud kotikesi imetatakse vakuoolideks (igl. vacuoles), mis võivad hõivata kui 90% kogu rakusisesest ruumist. Vakuoolid aitavad tagada taimerakus kõrget siserõhku, ad sisaldavad peale lahustuvate soolade ka sahhariide, toksilisi jääkprodukte ja pigmete. Värvaied aavadki taime õitele värvuse. Eukarüootse raku iseloomuliku kuju aab raku tsütoskelett (igl. cyto - sceleto). Tsütoskeleti kompoetideks o kolm erisugust tüüpi fi lametide süsteemi: aktiiist koosevad mikrofilamedid (igl. microfilamets), tubuliiist koosevad mikrotuubulid (igl. microtubules) ja itermediaarsed fi lamedid (igl. itermediate fi lamets). Viimasel o sellie struktuur, milles osalevad mitmesugused valgud (keratiiid, vimetii, eurofi lametide valgud jt.). Aktiii fi lametide ja mikro tuubulitega seostuvad mitmesugused assotsieeruud molekulid, mis peale raku kuju määramise võimaldavad ka rakkudel läbi teha erisuguseid liikumisi: ii raku sisestruktuuride (trasportvesiikulid, orgaellid, kromosoomid mitoosis ja meioosis) kui ka raku eda liikumist (lihasraku kotraktsioo, immuurakkude liikumie vaskulaarsüsteemist kudedesse jt). Kokkuvõtlikult imetatakse seda protsessi rakuliikluseks (igl. traffickig). Ka raku tsütoskeleti defektid o seotud pärilike haigustega. Näiteks Duchee i lihasdüstroofia (igl. Duchae muscular dystrophy, DMD) o põhjustatud mutatsest geeist, mis kodeerib raku tsütoskleleti valku düstrofi ii. 1.1.3. Kromosoomid Geeetilie ifo o rakule eluliselt olulie, seda tuleb täpselt ja võimalikult muutumatult säilitada ja edasi kada järglasrakkudesse. Geeetilie materjal o orgaiseeritud kromosoomidesse. Prokarüootses rakus o tavaliselt üks rõgasjas põhikromosoom, kuid paljudel juhtudel veel ka lisakromosoomid, väiksemad rõgasjad DNA molekulid e. plasmiidid (igl. plasmids). Eukarüootidel o seevastu rohkem kui üks kromosoom, mõel liigil isegi üle 100. Eukarüoodi iga kromosoom o valkude abil (osaleb ka RNA) kokku 57
pakitud üks lieaare DNA-molekul. Iimese kromosoomide DNA varieerub lahtikeerduult piirides 2,5 5 cm, summaare kogupikkus o üle 1 m. Kromosoomidel o kaks põhifuktsiooi: 1) geeetilise iformatsiooi ülekae muutumatul kujul rakust tütarrakku ja põlvkoast põlvkoda; 2) geeetilise iformatsiooi järkjärgulie avaldumie raku fuktsiooide ja aregu geeetilisel määramisel. Mittejaguevates rakkudes esieb DNA rohkem lahtikeerduult, ta o traskriptsiooiliselt aktiive. Jagueva raku replitseeruud kromosoom kooseb kahest geeetiliselt idetsest tütarkromatiidist (igl. sister chromatids), kus o samad geeid (igl. gees) ja samad alleelid (igl. alleles) (j. 2.3). Tütarkromatiidid o üksteisega ühedatud tsetromeeri (igl. cetromere) kaudu. Tsetromeeri moodustaval DNA järjestusel o kaks fuktsiooi: 1) ede järjestuste kaudu o replikatsioooi järel kaks DNA-molekuli üksteisega ühedatud; 2) sia kiituvad valgud, mis viivad rakkude jaguemisel tütarkromatiidid ee jaguemist raku vastaspoolustele. Tütarkromatiidid Sisemie kietohoor Välimie kietohoor Alleelid p-õlg Tsetromeerid q-õlg Telomeerid Kietohoorid Tsetromeere DNA Joois 2.3. Imetaja kromosoomi tütarkromatiidid metafaasis ja kietohooride ehitus. Mikrotuubulid Tsetromeeri asukoht kroomosoomides erieb, paikedes kas kromosoomi keskel või ühele kromosoomiotsale lähemal. Tsetromeerist mõlemale poole jäävaid kromosoomiosi imetatakse kromosoomi õlgadeks (igl. chromosome arms). Kromosoomi otsmisi struktuure imetatakse telomeerideks (igl. telomeres), eil o spetsiifi lised DNA järjestused, et saavutada kogu kromosoomse DNA täielik replikatsioo. Tsetromeeris olevad 58
valgud moodustavad kromosoomide lahkemist määrava valgulise kompleksi, sisemise ja välimise kietohoori (igl. kietohore) (j. 2.3). Paljudes eukarüootsetes rakkudes o iga kromosoom esidatud kahe koopiaa, üks pärit isalt, teie emalt. Selliseid kromosoomipaare imetatakse homoloogseteks kromosoomideks (igl. homologous chromosomes). Homoloogsetes kromosoomides o samad geeid, kuid võivad olla erievad geei teisedid e. alleelid. Seepärast pole homoloogsed kromosoomid geeetiliselt idetsed. Kahekordse (2) e. diploidse (igl. diploid) kromosoomikomplektiga rakke imetatakse keharakkudeks e. somaatilisteks rakkudeks (igl. somatic cells). Küpsed sugurakud o aga ühekordse e. haploidse (igl. haploid) kromosoomistikuga (). Sugurakke e. gameete (igl. gametes) moodustatakse diploidsetest sugurakkude eellasrakkudest (igl. germ lie) sugurakke moodustavas koes või orgais. Orgaismi rakkude diploide olek taastub viljastumisel (igl. fertilizatio). Loomade aregus jääb vaid väikesele osale rakkudele ülesadeks moodustada sugurakkude eellasrakke. Imetajatel moodustuvad isas- ja emassugurakud eri sugupooltel, taimedel ja osal selgrootutel võib see toimuda ka samas orgaismis. Veelgi eam, taimedel võib ka vegetatiivsel paljuemisel (taime moodustumie lehest või varreosast) saadud uued taimed moodustada sugurakke sisaldavaid reproduktiiv orgaeid. Järelikult pole taimedel somaatiliste kudede ja sugurakke moodustavate kudede eristus ii ühee kui loomadel. Meeldejätmiseks Rakk o elusorgaismide põhiühik, tema sisekeskkod o väliskeskkoast eraldatud membraaiga. Kromosoomid o raku struktuurid, mis koosevad peamiselt DNA-st ja valkudest. Eukarüootidel asuvad kromosoomid kaksikmembraaiga ümbritsetud tuumas, prokarüootidel aga tuum puudub. Eukarüootsetes rakkudes o komplekse rakusisee membraaisüsteem ig eil o membraased orgaellid, agu mitokodrid, kloroplastid ja edoplasmaatilie retiikulum. Haploidses eukarüootses rakus o üks, diploidses kaks komplekti kromosoome. 1.2. Rakujaguemie Elusraku üheks põhiomaduseks o rakujaguemie (igl. cell divisio): üks rakk jagueb kaheks, kaks eljaks je., moodustub geeetiliselt idetsete rakkude kogum e. kloo (igl. cloe). Jaguevat rakku imetatakse emarakuks (igl. mother cell), jaguemisel tekkiud rakke tütarrakkudeks (igl. daughter cells). Prokarüootse raku jaguemie o eam-vähem võrde ja seepärast imetatakse sellist raku jaguemisprotsessi (liht) pooldumiseks (igl. fi ssio). Eksperimetaalsetes tigimustes tardsöötmetel kasvatades moodustub iisugusel rakkude vegetatiivsel paljuemisel (igl. vegetative reproductio) hulgaliselt järglasrakke, mis moodustavad silmale ähtavaid rakkude kogumeid e. kolooiaid (igl. coloy). E. coli moodustab optimaalsetes tigimustes päevaga kolooia, milles o 2 50 rakku. Eukarüootse raku jaguemie o võrratult komplitseeritum. Moodustuvate rakkude vahel tuleb täpselt jaotada palju kromosoome, samuti raku orgaellid. Orgaellides 59
toimub mitokodrite ja kloroplastide jaguemie juhuslikult, sõltumata raku jaguemisest. Seevastu edoplasmaatilie retiikulum ja Golgi kompleks defragmeteeruvad jaguemisel ig moodustuvad tütarrakkudes uuesti. Lisaks toimub eukarüootsetes rakkudes diferetseerumie (igl. diff eretiatio), mis tähedab rakkude asümmeetrilist jaguemist ja osa rakkude programmeeritud hukkumist e. apoptoosi (igl. programmed cell death, apoptosis), ig spetsialiseeruud kidla fuktsiooiga rakkude teket. Diferetseeruud rakust tagasi algset rakku (tüvirakku) üldjuhul eam ei moodustu. Mõikord kaotatakse diferetseerumisel ka osa (või kõik) geeetilisest materjalist (t. imetaja erütrotsüüt ei sisalda eam tuuma). Seepärast toimub eukarüootse rakuliii põlvemie (igl. cell lieage) rakkude diferetseerumisest eraldi (j. 2.4). Rakkude põlvemie koos uute rakkude tekkega leiab aset tüvirakkude (igl. stem cells) liiis. Diferetseerumisel moodustuvad totipotetsetest (igl. totipotet cell or ucleus) tüvirakkudest (t. sügoodis) kõik rakud, pluripotetsetest (igl. pluripotet) mitmesugused rakud ig uipotetsetest (igl. uipotet) tüvirakkudest lisaks tüviraku eda uueemisele vaid üks kidel tüüp diferetseeruud rakke. Totipotete tüvirakk Raku kasv Vähediferetseeruud rakk Sümmeetrilie jaguemie Rakkude diferetseerumie Asümmeetrilie jaguemie Rakusurm Raku kasv Rakusurm Diferetseeruud rakud Pluri- ja uipotetsed tüvirakud Pluri- ja uipotetsed tüvirakud Joois 2.4. Rakkude süd, põlvemie ja surm. Rakkude süd toimub sümmeetrilise või asümmeetrilise jaguemise tulemusel. Rakkude põlvemie toimub tüvirakkude kaudu. Totipotetsetest tüvirakkudest moodustuvad diferetseerumisel (asümmeetrilisel jaguemisel) kõik, pluripotetsetest mitmed ja uipotetsetest vaid üht tüüpi, diferetseeruud rakud. 60
Eukarüootse raku iga jaguemie sisaldab rea faase, mis koos vaadatult moodustavad rakutsükli (igl. cell cycle). Faasid progresseeruvad järjekorras: G 1 S G 2 M. Faasis S süteesitakse DNA (kromosoomide duplikatsioo), tegelik rakkude jaguemie toimub M-faasis e. mitoosis (igl. mitosis). Rakkude kasvu ja metabolismifaasi G 1, sellele järgevat DNA replitseerimist S-faasis ja mitoosieelset mitoosiks valmistumise faasi G 2 imetatakse kokku ka iterfaasiks. M-faas jaotub kaheks põhimõtteliselt erievaks protsessiks: 1) karüokiees (igl. karyokiesis) e. mitoos kitsamas mõttes, s.o. duplitseeritud kromosoomide täpe jaotamie tütarrakkude vahel; 2) tsütokiees (igl. cytokiesis) e. kahe tütarraku moodustumie emaraku füüsilisel jaguemisel. Mitoos o seega eelkõige tuuma jaguemise viis. See jaotub eljaks faasiks: profaas, metafaas, aafaas, telofaas. Tavaliselt kaaseb sellega ka raku jaguemie (tsüto kiees). Eukarüootsete rakkude rakutsükli pikkus o äärmiselt eriev. Kiiresti kasvavates embrüoaalsetes kudedes võib see olla 30 mi., aeglaselt kasvavates (uueevates) kudedes aga mitu kuud. Osa rakke (ärvi- ja lihasrakkude koed) ei pruugi aga pärast küpse seisudi saavutamist edaspidi üldse eam jagueda. Eukarüootsete rakkude jaguemie ja rakutsükli eri faasid o geeetiliselt äärmiselt täpselt kotrollitud. 1.2.1. Mitoos Mitoosi bioloogiliseks fuktsiooiks o geeetilise iformatsiooi täpe edasikae rakust rakku, vaemrakust kahe geeetiliselt idetse tütarraku teke. Otsustavaks südmuseks o sii ee M-faasi (iterfaasi S-faasis) toimuud kromosoomide replikatsioo. See teeb võimalikuks tekkiud idetsete tütarkromatiidide jaotamise tütarrakkudesse M-faasis. Iterfaasis o kromosoomid teatavasti dekodeseeruud ig tuumas ähtavad peeikese iitja võrgua, mida imetatakse kromatiiiks (igl. chromati). Mitoosi kirjeldas esimesea, agu eelmises peatükis juba maiisime, W. Flemmig 1878. a., s.o. pärast Medeli töid. Nagu imetasime, o mitoosi alguseks kromosoomid iterfaasis juba duplitseeruud. Seepärast kooseb iga kromosoom kahest DNA-iidist, geeetiliselt idetsetest tütarkromatiididest (igl. sister chromatids), mis o üksteisega üheduses tsetromeeriga (igl. cetromere). Järelikult o ee mitoosi algust diploidses (2) rakus eljakorde DNA kogus (4c) (j. 2.5). Duplitseeruud tütarkromatiide jaotavad tütarrakkudesse raku tsütoskeleti kompoedid mikrotuubulid (igl. microtubules). Mikrotuubulid koosevad α- ja β -tubuliiist (igl. tubulis) ig o seest õõsad struktuurid. Mikrotuubulid kiituvad kromosoomide tsetromeersesse piirkoda spetsiifi liste valkude vahedusel ig traspordivad kromosoomid jaguevatesse tütarrakkudesse. Mitoosis mikrotuubulitest ja kromosoomidest moodustuvat kompleksset struktuuri imetatakse mitoosikääviks (igl. spidle), mikrotuubuleid aga kääviiitideks. Tuuma lä heda l pai k eb mikrotuubulite orgaisatsiooikeskus e. MTOC (igl. microtubule orgaizig ceter, MTOC). Taimerakkudes talitab tuumamembraa (selle fragmedid) justkui MTOC e. tsetrosoom. Loomarakkudes jaguevad MTOC-id iterfaasis kaheks väikeseks rakuorgaelliks tsetrosoomiks (igl. cetrosomes). Üksik tsetrosoom duplitseerub rakutsükli S-faasis. Tsetrosoom kooseb 61
MITOOS MEIOOS Diploide (2) rakk 2c Iterfaas Diploide (2) suguraku eellae 2c Iterfaas DNA sütees DNA sütees 4c Mitoos 4c Meioos Jaguemie Jaguemie I 2c 2c 2c 2c Geeetiliselt idetsed diploidsed (2) tütarrakud Jaguemie II c c c c Geeetiliselt mitteidetsed haploidsed () rakud Joois 2.5. Mitoosi ja meioosi võrdlus. Ee mitoosi ja meioosi toimub DNA replikatsioo, mistõtt u rakus o eljakorde (tetraploide) DNA hulk 4c. c geoomse DNA haploide hulk. 2c diploidse raku DNA hulk. kahest tüi kujulisest tsetrioolist (igl. cetrioles), mis mõlemad moodustuvad 9-st mikrotuubulite tripletist, paikedes teieteise suhtes 90 O urga all, ja peritsetriolaarsest valgulisest materjalist (γ-tubulii, peritsetrii, ieii jt.). Mitoosi algamisel moodustub mikro tuubulitest mõlema tütartsetrosoomi ümber päikesekiirekujulie täht (igl. aster). Järgevalt liiguvad tsetrioolid profaasi alguses ümber tuuma vastaspoolustele, määrates sellega mitootilise jaguemise telje. Tsetrioole ümbritseb esialgu difuuse materjal, millest iitsieeritakse mikrotuubulite moodustamie ja sellega kääviiidi teke. Taimerakus defi eerivad MTOC-id raku poolused ilma tsetrioolide abita, koos mitoosikäävi moodustamisega. O äidatud, et ka loomarakkudes põhjustavad geeide mutatsiooid tsetrosoomide mittemoodustumist, kuid mitoos ikkagi toimub. Järelikult pole tsetrosoomid mitoosi toimumiseks tigimata vajalikud. Mitoosikääv hakkab moodustuma mitoosi esimeses faasis, profaasis (igl. prophase) ig sellega kaaseb raku orgaellide olulie destruktureerumie. Raku orgaellidest edoplas maatilie retiikulum ja Golgi kompleks fragmeteeruvad, mitokodrid ja kloroplastid jäävad aga itaktseks. Sel ajal kaob tuumast ka tuumake (igl. ucleolus), mis o tavaraku tuumas RNA süteesi keskuseks ig ukleiihappe värvimisel mikroskoopiliselt ähtav tumeda alaa. Lisaks, tuuma membraa katkeb, moodustades hulga põiekesi, ig mikrotuubulid tugivad tuuma piirkoda. Osa eist mikrotuubulitest seoduvad 62
Äädikakärbes Drosophila melaogaster. Foto: Sulev Kuuse. kietohooridega (igl. kietohores), mis o duplitseeruud kromosoome kiihoidvate tsetromeeridega assotsieeruud valgulised struktuurid. Mikrotuubulite seostumie kietohooridega äitab, et rakk o siseeud mitoosi teise faasi e. metafaasi (igl. metaphase). Metafaasis saavutavad kromosoomid maksimaalse kodesatsiooiastme (lüheevad ja pakseevad) ig liiguvad käävi pooluste vahele jäävale alale, ekvatoriaalplaadile e. metafaasi plaadile (igl. metaphase plate). Kromosoomide liikumie saavutatakse käävi mikrotuubulite pikkuse muutmisega ja kietohooride läheduses töötavate liikumist põhjustavate motoorsete valkude kaastoimel. Mitoosikäävis o aga lisaks veel mikrotuubuleid, mis pole kiituud kietohooridega. Niisuguste mikrotuubulite ülesae o stabiliseerida mitoosikäävi aparaadi toimimist, suuredada stabiilsust. Metafaasiplaadile kooduud kromosoomide kahest kromatiidist üks o orieteeritud ühele ja teie teisele poolusele, seda kietohoorile kiituud mikrotuubulite abil. Just viimae asjaolu garateeribki tütarkromatiidide täpse ja võrdse jaotumise tütarrakkude vahel. Mitoosi kolmadas faasis, aafaasis (igl. aaphase), eralduvad duplitseeruud kromosoomide tütarkromatiidid üksteisest ig hakkavad liikuma mitoosikäävis raku vastaspoolustele. See toimub täu kietohoorsete valkude aktiivsele liikumisele piki mikrotuubuleid pooluste poole. Kietohoor veab seetõtt u kaasa ka tütarkromatiidi. Katseliselt o äidatud, et kui kietohoor kromosoomi tsetromeeri küljest eraldada, siis liigub ta iseseisvalt piki mikrotuubulit pooluse poole. Kietohooris olevad valgud kuuluvad mootorvalkude hulka, mis o võimelised muudama ATP-hüdrolüüsil saadud eergiat vektoriaalseks liikumiseks. Kromosoomide liikumisega kaasevalt liiguvad ka mitoosikäävi poolused edasi raku vastaspoolustele. Sellie kahekorde liikumie eraldab kromosoomid keasti üksteisest. Kui kromosoomikomplektid o jõudud poolustele, siis kromosoomid dekodeseeruvad kromatiiikiukesteks, ad ümbritsetakse tuumamembraaiga ig mitoosi käigus kaotatud raku orgaellid moodustatakse uuesti. Nimetatud protsessid o iseloomulikud mitoosi eljadale faasile, telofaasile (igl. telophase). Mitoosi kui tuuma jaguemise viisi lõppedes rakud jaguevad, kusjuures tütarrakkude vahele moodustuvad esmalt membraaid. Sellega vähedatakse mitoosis oleva raku eljakordset DNA hulka (tähistame 4c) kaks korda ig taastatakse emaraku kahekorde Varbuss Caeorhabditis elegas. Foto: Sulev Kuuse. 63
DNA hulk (2c) ja diploide kromosoomistik (j. 2.5). Tütarrakkude füüsilise jaguemise protsessi imetatakse tsütokieesiks. Loomadel jaguevad rakud lõplikult rakumembraai sissesoodumise (öördumise) teel, taimerakkudes moodustub rakkude vahele aga tselluloose plaat, mis saab osaks taimeraku tselluloossest rakukestast. 1.2.2. Meioos Suguliselt sigivatel orgaismidel esieb mehhaism, millega sugurakkudes vähedatakse kromosoomide arvu kaks korda. Sellist rakutuuma jaguemise viisi imetatakse meioosiks (igl. meiosis). Kui meil o tegemist diploidse (2) orgaismiga, siis sugurakud o haploidsed (). Meioosi avastas E. va Beede 1883 1884. a. Algul arvati küll ekslikult, et kõik emalt saadud kromosoomid liiguvad ühte ja isalt saadud kromosoomid teise rakku. See oligi põhjuseks, miks meioosi ei suudetud kaua pärilikkusega seostada. Nüüd teame, et meioosis jaotuvad (segregeeruvad) homoloogsed kromosoomid tütarrakudesse juhuslikult. Samu geee sisaldavaid emalt ja isalt saadavate kromosoomide paari imetatakse homoloogseteks kromosoomideks (igl. homologous chromosomes). Nagu juba märkisime, o homoloogsetes kromosoomides samad geeid, kuid eriev geeetilie iformatsioo (erievad alleelid). Erievate homoloogsete kromosoomide paaride kromosoome imetatakse heteroloogseteks kromosoomideks (igl. heterologous chromosomes). Seega sisaldavad heteroloogsed kromosoomid erisuguseid geee ja erievat geeetilist iformatsiooi. Meioosis toimub kaks rakkude jaguemist. Nagu mitoosiski, toimub ka meioosi iterfaasis ee meioosi DNA duplikatsioo, millega DNA hulk rakus kahekordistub, s.o. muutub eljakordseks (4c). Järgev esimee meiootilie jaguemie e. meioos I (igl. meio tic divisio I) o reduktsioojaguemie (igl. reductio divisio), kus kromosoomide arv, samuti DNA hulk väheevad kaks korda (2c) (j. 2.5). Teie meiootilie jaguemie e. meioos II (igl. meiotic divisio II) o ekvatsioojaguemie e. võrdjaguemie (igl. equatioal divisio), mis o sisuliselt sama mitootilise jaguemisega, kus tulemusea moodustuvad atud juhul haploidsed () rakud, milledes o ühekorde DNA kogus (c). Meioosi esimee jaguemie (meioos I) jaotub elja faasi: profaas I, metafaas I, aafaas I, telofaas I. Väga pikk ja meioosile iseloomulik o profaas I, milles eristatakse viit staadiumi: leptotee, sügotee, pahhütee, diplotee ja diakiees. Leptotee (igl. leptotee) e. leptoeem (igl. leptoema) o meioosi I profaasi I (igl. prophase I) esimee staadium. Kuivõrd ee meioosi o toimuud iterfaasis kromosoomse DNA duplikatsioo, siis kooseb iga kromosoom kahest DNA iidist ig elektromikroskoobis o äha, et eed kaks iiti o tsetromeeri piirkoas teieteisega seotud. Seega kooseb iga kromosoom kahest tütarkromatiidist. Leptoteeis pole kromosoomid valgusmikroskoobis ähtavad, ad paistavad tuumas iitja võrgustikua. Kromosoomide kodesatsiooil tulevad aga kromosoomid ähtavale ig sellega siseetakse profaas I teise, sügoteei- (igl. zygotee) e. sügoeemi- (igl. zygoema) staadiumisse. Meioosile iseloomulikult paarduvad sügoteeis homoloogsed kromosoomid. Paardumisprotsessi imetatakse süapsiks (igl. syapsis). Paarduvate kromosoomide vahel moodustub valgulie kompleks, struktuur, mida imetatakse süaptoemaalseks kompleksiks (igl. syaptoemal complex). Süaptoemaale kompleks kooseb kolmest paralleelsest ahelast: lateraalelemedid o seostuud mõlema kromatiidiga, ede vahele jääb keske e. tsetraale elemet ig eid kahte elemeti ühedavad hulgaliselt 64
põiki asetsevad redelipulgad (j. 2.6). Süaptoemaale kompleks pole kromosoomide paardumiseks hädavajalik, ta o pigem struktuur, mis seostub kromosoomide ristsiirde e. krossigoveriga (igl. crossig over). Esimee homoloog Teie homoloog Süaps Süaptoemaale kompleks Lateraalsed elemedid Keskkompleks Homoloogi 2 kromosoomi DNA kiud Tsetromeerid Üks kromatiid Homoloogsete kromosoomide paar Homoloogi 1 kromosoomi DNA kiud Ristikiud Joois 2.6. Süaptoemaale kompleks homoloogsete kromosoomide teatud piirkodade vahel meioosi esimese profaasi sügoteei staadiumis. Kromosoomid jätkavad kodeseerumist ig meioosi profaasi I järgmises, kolmadas staadiumis pahhüteeis (igl. pachytee) e. pahhüeemis (igl. pachyema) o kromosoomid valgusmikroskoobis hästi ähtavad. Iga kromosoom o ähtav kahe tütarkromatiidia ig homoloogsed kromosoomid o üksteisega paarduud. Kui me loedame paarduud kromosoome, siis räägime kromosoomide bivaledist (igl. bivalet chromosomes), kui aga loedame DNA iite, siis räägime kromatiidide tetraadist (igl. tetrad). Pahhüteeis võib toimuda tetraadides kromosoomi bivaletide kromatiidide katkemisi ja taasühiemisi e. ristsiirdeid. Ristsiirde e. krossigoveri tagajärjeks o geeetilise materjali ümberkombieerumie. Krossigoveri toimumist saame sedastada järgmises profaasi staadiumis. Profaasi I eljas staadium o diplotee (igl. diplotee) e. diploeem (igl. diploema). Diploteeis toimub paarduud kromosoomide teieteisest kerge eemaldumie. Ristsiirde puktides jäävad paarduud homoloogsed kromosoomid aga kotakti. Need kotaktpuktid paikevad homoloogsete kromosoomide eljast kromatiidist (tetraadist) kahe tütarkromatiidi vahel ja eid imetatakse kiasmideks (igl. chiasmata) ig ad o ristsiirde toimumise kohad. Diploteeistaadium võib olla väga pikaajalie, aistel sugurakkude moodustumisel üle 40 aasta. Erievatel orgaismidel peatub meioos erievates staadiumites. Iimesel moodustub lootestaadiumis ca 400 000 lõpui küpsemata muarakku e. ootsüüti, kus meioos o peatuud diploteeistaadiumis. Mestruatsiooitsükli käigus valmib kord kuus tavaliselt üks muarakk, jätkates sellega peatuud meioosi. Ajaga kogueb aga mutatsiooe ig tütarkromosoomide jaotumisel võib ette tulla vigu, mis viivad 65
kromosoomi aomaaliate tekkei. Niisugue mehhaism o põhjuseks, miks vaemas eas aistel o lapse saamie riskatsem. Geeetiliselt tähedab see, et aised pole geeetiliselt kaitstud. Küll o seda mehed, kellel spermatogeees toimub pidevalt. Kuid siiski, ka meestel võib tervelt 5%-s seemerakkudest olla kromosoomaaomaaliaid. Profaasi I lõpus kodeseeruvad kromosoomid edasi, tuumamembraa fragmeteerub ig moodustub kääviaparaat. Kääviiidid tugivad tuuma piirkoda ig seoduvad kromosoomide kietohooridega. Kromosoomid jäävad edasi kiasmidega seotuks ig liiguvad raku keskplaadile, mis o ristie e. perpetikulaare kääviaparaadi teljega. Sellie liikumie o iseloomulik profaas I viiedale ja viimasele staadiumile, diakieesile (igl. diakiesis). Metafaasis I (igl. metaphase I), kuivõrd homoloogsed kromosoomid o paaridea, orieteeruvad kromosoomipaarid selliselt, et üks homoloogidest saaks hiljem liikuda ühele ja teie teisele rakupoolusele. Bivalete koos hoidvad kiasmid hakkavad libisema tsetromeeridest eemale kromosoomide lõppotste poole. Nähtust imetatakse termialiseerumiseks (igl. termializatio) ig see väljedab kromosoomipaaride omavahelise tõukumise suureemist. Aafaasis I (igl. aaphase I) eralduvad paarduud kromosoomid teieteisest täies ulatuses. Kromosoomide tütarkromatiidid jäävad aga üksteisega tsetromeeride kaudu ühedatuks ig iga kromosoom kooseb jätkuvalt kahest kromatiidist. Sellist homoloogsete kromosoomide lahkemist (igl. chromosome disjuctio) teostab kääviaparaat, toimides rakus igale bivaledile eraldi ig üksteisest sõltumatult. Tulemusel toimubki homoloogsete kromosoomide sõltumatu lahkemie poolustele. Meioos I viimases staadiumis telofaasis I (igl. telophase I) lagueb kääviaparaat ig tütarrakud eralduvad teieteisest rakumembraaidega, kromosoomid dekodeseeruvad, kromosoomide ümber moodustub tuumamembraa. Mõedel liikidel võib telofaas I toimuda ka osaliselt ig mia kohe üle teiseks meiootiliseks jaguemiseks. Esimese meiootilise jaguemise tulemusel moodustub kaks tütarrakku, mis pole geeetiliselt idetsed, sest ad sisaldavad erievatelt vaematelt päritud homoloogseid kromosoome. Tütarrakkudes väheeb kromosoomide arv kaks korda, rakud o haploidsed (), kuid iga kromosoom kooseb ikkagi veel kahest tütarkromatiidist. Seepärast o edes haploidsetes rakkudes sama palju DNA-d kui diploidses rakus (2c). Homoloogsete kromosoomide juhuslik lahkemie aab geeetilise iformatsiooi tohutu kombieerimisvõimaluse. Iimesel o äiteks 23 paari kromosoome ja iga kromosoomipaari puhul o 50%-lie tõeäosus, et gameeti satuks emalt või isalt pärit kromosoom. Eeldades, et igas kromosoomipaaris oleks vaid üks gee, saame kromosoomide võimalikuks kombiatsiooide arvuks 2 23, s.t. üle 8 miljoi võimaluse. Seevastu tõeäosus, et kõik isa või ema kromosoomid satuksid ühte ja samasse gameeti, o kaduvväike (1/2 23 ). Seepärast ogi gameetide ühiemisel moodustuvad järglased oma vaematest ii erievad! Esimese ja teise meiootilise jaguemise vahele jääb tavaliselt lühike iterfaas, kuid sel juhul DNA replikatsiooi eam ei toimu. Orgaismidel, kus meioosi teie jaguemie toimub vahetult pärast telofaasi I, jääb iterfaasietapp vahele. Meioosi teie jaguemie meeutab vägagi mitoosi. Eradiks o see, et moodustuvad rakud (meioosi produktid) o haploidsed (), eis o ühekorde kogus DNA-d (c) ja ad pole geeetiliselt idetsed. Meioosi II jaguemisel toimub profaasis II (igl. prophase II) kromosoomide kodeseerumie ig kääviaparaadi moodustumie ig kromosoomide liikumie metafaasis II (igl. metaphase II) raku ekvatoriaalplaadile. Aafaasis II (igl. 66
Mitoosi ja meioosi võrdlus 2 2 2 2 2 2 Mitoos: üks rakujaguemie, diploidsed rakud Meioos: kaks rakujaguemist, haploidsed rakud DNA tuuma kohta DNA tuuma kohta Mitoos: üks S-faas ühel rakujaguemisel Meioos: üks S-faas kahel rakujaguemisel 4 3 2 1 4 3 2 1 M II M I G 1 G S 2 G 1 G 2 G S M 1 Kromosoom Tetraad Kromatiid Mitoos: homoloogsed kromosoomid ei paardu Meioos: homoloogsed kromosoomid paarduvad Kiasm Mitoos: krossigover puudub Meioos: 1 krossigover mittetütarkromatiidi kohta Mitoos: tütarkietohooride bi-orietatsioo Meioos: tütarkietohooride ko-orietatsioo Mitoos: tsetromeerid jaguevad aafaasis Meioos: tsetromeerid ei jague aafaasis I, kuid jaguevad aafaasis II Mitoos Meioos Joois 2.7. Mitoosi ja meioosi põhiomaduste võrdlus. Meioosi I aafaasis lahkevad homoloogsed kromosoomid, mitoosi aafaasis ja meioosi II aafaasis lahkevad homoloogsete kromosoomide tütarkromatiidid. 67
aaphase II) liiguvad raku vastaspoolustele tütarkromatiidid (agu mitoosiski!). Sellist tütarkromatiidide meiootilist lahkemist imetatakse kromatiidide lahkemiseks (igl. chromatid disjuctio). Telofaasis II imetatakse eralduud kromatiide juba tütarkromosoomideks, eed o geeetiliselt idetsed, kui meioosis ei toimuud krossigoverit. Nad liiguvad poolustele, ümbritsetakse tuumamembraaiga ig moodustuvad tütarrakud. 68 1.2.3. Meioosi ja mitoosi erievused Kuivõrd mitoosist ja meioosist arusaamie o klassikalise geeetika seaduspärasuste mõistmise vältimatuks eelduseks, siis võrdleme siikohal ede protsesside põhimõttelisi geeetilisi erievusi (j. 2.7). Need o alljärgevad: 1. Mitoos toimub somaatilistes rakkudes, meioos aga idutee rakkudes. 2. Ühel mitootilisel rakujaguemisel tekib kaks tütarrakku, meioosil eli meioosiprodukti e. sugurakku. 3. Mitoosis säilitatakse kromosoomide (t. diploide) arv, meioosis väheeb kromosoomide arv kaks korda. 4. Mitoosis toimub rakujaguemise kohta üks DNA süteesi faas (S-faas), meioosis üks S-faas kahe rakujaguemise kohta. 5. Mitoosi profaasis homoloogsed kromosoomid ei paardu, meioosi esimeses profaasis toimub homoloogsete kromosoomide täielik süaps (paardumie). 6. Mitoosis tavaliselt kromatiidide ristsiiret (krossigoverit) ei toimu, meioosis toimub mittetütarkromatiidide vahel kromosoomi kohta vähemalt üks rekombiatsioo (krossigover). 7. Mitoosis o tütarkietohoorid kahe erisuguse, meioosis aga ühesuguse orietatsiooiga. 8. Mitoosi metafaasis ei ole tütarkromatiidide õlad seotud, meioosi I jaguemise metafaasis I aga o see seos olemas. 9. Mitoosi aafaasis jaguevad kromosoomi tsetromeerid, meioosi I jaguemise aafaasis I aga jaguemist ei toimu, kuid jaguemie leiab aset meioosi II lahkemise aafaasis II. 10. Mitoos o koservatiive protsess, mis säilitab rakkudes olemasolevat geeetilist iformatsiooi, seevastu meioos o meioosiproduktides muutusi põhjustav protsess. 11. Mitoos toimub ii haploidsetes kui diploidsetes rakkudes, meioos vaid diploidsetes rakkudes. 1.2.4. Põlvkodade vaheldus taimedel Alamatel taimedel (t. samblad ja sõajalad) hakkavad meioosi tulemusel moodustuud haploidsed rakud edasi paljuema mitootiliselt. Selle tulemusel moodustubki terve taim, kus rakud o diferetseeruud, o moodustuud taime varred ja lehed. Haploidsed taimed moodustavad järgevalt gameete, muarakke ja sperme ig eid taimi imetatakse seepärast gametofüütideks (igl. gametophytes) (j. 2.8). Moodustuud haploidsete gameetide ühiemisel (viljastumisel) moodustub diploide sügoot, mille mitootilisel jaguemisel tekivad struktuurid, mida imetatakse sporofüütideks (igl. sporophyte). Meioos toimub sporofüüdi isas- ja emasreproduktiivkudedes või -orgaites. Alamatel taimedel o emassuguorgaiteks arhegooid (igl. archegoia), isassuguorgaiteks aga ateriidid (igl. ateridia). Sporofüüt moodustab spoore (igl. spores), gametofüüt gameete. Sporofüüt ja gametofüüt o elutsükli osad.
2 2 Meioos 2 Sporofüüt Meioos Mitoos Makrospoor 2 Sügoot Mikrospoorid Mitoos Viljastumie Mitoos Gameedid Gametofüüdid Joois 2.8. Põlvkodade vaheldus taimedel. Gametofüüt o haploide ja sporofüüt diploide. Kõrgematel taimedel prevaleerib sporofüüt, alamatel taimedel domieerib gametofüüt. Mida kõrgemalt o areeud orgaism, seda lühiajalisem o gametofüüdistaadium. Kõrgematel taimedel o gametofüüdistaadiumis vaid mõed üksikud haploidsed rakud. Kõrgematel taimedel toimub meioos sporofüüdi isas- ja emas reproduktiiv kudedes. Emastaimede meioosil moodustuud eljast haploidsest rakust saadakse vaid ühest suur megaspoor (igl. megaspore), mis areeb edasi emasgameto füüdiks. Isaste meioosil moodustub eli haploidset meioosi lõpp-produkti, kus ühest mikrospoorist (igl. microspore) areeb isasgametofüüt. Nii haploidsete kui ka diploidsete orgaismide esiemist taimede elutsüklis imetatakse põlvkodade vaheldumiseks (igl. alteratio of geeratios) (j. 2.8). 1.2.5. Gametogeees ja spermatogeees Erievalt taimedest areevad loomadel meioosiproduktidest otse edasi gameedid (igl. gametes). See toimub suguorgaites e. goaadides (igl. goads) ja seda protsessi imetatakse gametogeeesiks (igl. gametogeesis). Naiste muasarja e. ovaariumi (igl. ovary) rakkudes toimuvas meioosis tekib I meiootilisel jaguemisel üks ig II meiootilisel jaguemisel lisadub veel kaks polaarkeha. Seega tekib moodustuud eljast haploidsest produktist muarakk vaid ühest ja meioos lõpeb muajuhas. Ülejääud kolm polaarkeha (igl. polar body) degeereeruvad. Muarakkude moodustumist imetatakse oogeeesiks (igl. oogeesis) (j. 2.9). Meeste spermatogeeesil (igl. spermatogeesis) areevad aga kõigist eljast haploidsest meioosiproduktist spermid (j. 2.10). Spermatogeees toimub isassuguorgaites testistes (igl. testes). 69
Tsetrioolid Kromosoomide Kääv Kortikaalsed duplikatsioo graaulid ja paardumie Meioos I Meioos II Oogoo (2) e. ürgmuarakk Primaare ootsüüt (2) Jaguev primaare ootsüüt (2) Sekudaare ootsüüt () Primaare polaarkeha Jaguev sekudaare ootsüüt () Muaraku membraa Muarakk () Meioos II Jaguev primaare polaarkeha Sekudaarsed polaarkehad () Joois 2.9. Imetajate oogeees. Moodustuvad muarakk ja kolm polaarkeha. Mõedel orgaismidel primaare polaarkeha meioos II-s ei jague. 70
1.2.5.1. Gametogeees Embrüoaalses aregus diferetseeruvad rakud erisugusteks rakutüüpideks. Neist ühe tüübi puhul moodustuvad meioosis sugurakud. Ehkki liigiti o oogeeesi etappides erievusi, o üldskeem väga sarae (j. 2.9). Varases embrüoaalses aregus migreeruvad ürgsed suguraku eellased väljaareevasse muasarja ig moodustuvad oogooid (igl. oogoia). Nad paljuevad kiiresti ja korduvalt mitootiliselt edasi, diferetseerudes esmasteks e. primaarseteks ootsüütideks (igl. primary oocytes). Primaarsed ootsüüdid alustavad küll meioosi, kuid jõudes äiteks iimesel meioosi esimese profaasi diploteei staadiumisse, meioos peatub. Järgevalt kogub primaare ootsüüt varuks toitaieid ja tulevikus embrüo areguks vajalikke emalt pärit geeide produkte (emapärilikkus), samuti moodustuvad rakumembraai alla kortikaalgraaulid (igl. cortical graules), mis modifi tseerivad membraai ii, et tulevikus saaks vaid üks sperm viljastada muaraku. Suguküpsuse saabumisel stimuleeritakse hormooide toimel edasie primaarsete ootsüütide areg äiteks iimesel ikka ii, et kord kuus moodustuks uus muarakk. Meioosi esimese jaguemise järge tsütokiees o äärmiselt asümmeetrilie ig üks rakkudest, sekudaare ootsüüt (igl. secudary oocyte) saab praktiliselt kogu tsütoplasma edale ig temast saab moodustuva muaraku eellasrakk. Teie rakk, primaare polaarkeha (igl. primary polar body) saab väga vähe tsütoplasmat. Vaatamata sellele teevad ii sekudaare ootsüüt kui ka polaarkeha läbi ka teise meiootilise jaguemise. Sekudaarse ootsüüdi meioos II jaguemie o jällegi asümmeetrilie, moodustub suur rakk, mida imetatakse muarakuks (igl. ovum) ja ülivähese tsütoplasmaga sekudaare polaarkeha. Primaare polaarkeha läbib samuti II meiootilise jaguemise, mistõttu moodustub veel kaks sekudaarset polaarkeha (igl. secudary polar body). Järelikult moodustub meioosis eljast rakust vaid üks muarakk ja kolm sekudaarset polaarkeha, mis degeereeruvad. Oogeees toimub emasorgaismide muasarjas (igl. ovary). Primaare ootsüüt o ümbritsetud ühekihilise folliikuliepiteeliga, sellest tekib sekudaare mitmekihilie folliikul ig lõpuks tertsiaare folliikul, mida imetatakse mua sarjafolliikuliks (igl. ovaria follicle) e. Graafi folliikuliks ig mille sees o õõsus. Hormooidega stimulatsiooil jätkub meioos. Sekudaarse ootsüüdi vabaemist Graafi folliikulist imetatakse ovulatsiooiks (igl. ovulatio). Sel ajal kui sekudaare ootsüüt reisib mööda muajuha e. ovidukti (igl. oviduct) e. Fallopi juha (igl. Fallopia tube), peatatakse meioos uuesti kui viljastumisei. Muajuha avastas 16. sajadil Itaalia aatoom Gabriele Falloppio (1523 1562). Muarakk viljastatakse spermi poolt muajuha ampullis. Alles pärast viljastumist läheb meioos II lõpui. Kui viljastumist ei toimu, siis muarakk degeereerub. Viljastumisel liigub spermi tuum muaraku tsütoplasmas muaraku tuuma lähedusse (sel momedil imetatakse haploidseid tuumasid proukleusteks), haploidsed tuumad ühievad ig moodustuvas sügoodis (igl. zygote) taastatakse diploide kromosoomide garituur. Sügoot liigub mööda ovidukti edasi emakasse (igl. uterus) ig kiitub sia. 1.2.5.2. Spermatogeees Kui muarakud o orgaismide suurimad rakud, siis seemerakud, vastupidi, o väikseimad rakud. See o tigitud imetatud rakkude erievatest fuktsiooidest. Suhteliselt liikumatu muarakk sisaldab hulga varutoitaieid ja embrüo aregut määravaid aieid. Liikuv sperm sisaldab aga valdavalt tuuma ja kiireks liikumiseks vajalikku saba, temas 71
puuduvad ribosoomid, edoplasmaatilie retiikulum ja Golgi aparaat. Mitokodrid o vaid spermi keskosas, kus ad toodavad saba liikumiseks vajalikku eergiat. Siiski o seemeraku peas lisaks tuumale vesiikulid e. põiekesed (moodustavad akrosoomi), kus o esüümid, mis aitavad seemerakul lõhustada muaraku membraai ja muarakku ümbritsevat viteliikesta ig tugida läbi muaraku seia. Meestel algab spermatogeees (igl. spermatogeesis) puberteedieas (aistel algab meioos juba varases embrüoaalses aregus!) ig toimub seejärel pidevalt. Spermatogeees saab teoks testistes olevates vääilistes seemetorukestes (igl. semiiferous tubules). Meioosieele suguraku eellasrakk e. spermatogoo (igl. spermatogoia) asub keerdtorukeste perifeerses osas. Spermatogooid paljuevad edasi mitootiliselt, kui migil momedil osa eist diferetseerub primaarseteks e. esmasteks spermatotsüütideks (igl. primary spermatocytes). Primaarsed spermatotsüüdid läbivad meioos I ig eist moodustuvad sekudaarsed spermatotsüüdid (igl. secodary spermatocytes), eed läbivad meioosi II jaguemise ig moodustavad spermatiidid (igl. spermatids). Selles protsessis kaotatakse rakust eamus tsütoplasmast. Spermatiidid diferetseeruvad küpseteks spermideks e. spermatosoidideks (igl. sperm) (j. 2.10). Spermid läbivad keerdtorukeste valediku ig lähevad torujasse epididüümi (igl. epididymus) e. muadimausesse, kus lõpetavad valmimisprotsessi läbivad trasformatsiooi e. saavad sabad taha ig muutuvad liikumisvõimelisteks. Spermatogoo (2) e. ürgseemerakk Primaare spermatotsüüt (2) Hormoaale mõjutus Meioos I Sekudaare spermatotsüüt () Meioos II Mitmed põlvkoad mitootilist paljuemist (kogu elu vältel) Spermatiidid () Trasformatsioo e. küpsemie Neli spermirakku () spermatosoidi e. spermi Joois 2.10. Imetajate spermatogeees. Spermatogeeesis moodustub isasorgaismis igast spermatogooist eli spermirakku, mis jäävad kui küpsemise lõpui tsütoplasmaatiliste sildadega kokkuseotuks. Tsütoplasmaatilised sillad 72
Imetajatel toimub viljastumie (igl. fertilizatio) muajuha ampullis (igl. oviduct). Sperm seodub muaraku rebukestaga, mida imetatakse valkjaskestaks e. zoa pellucida. Viimasel o mitmeid põhifuktsiooe, äiteks: 1) sisaldab mitmesuguseid glükoproteiie, mis seostavad spermi muarakuga; 2) eristab sama liigi sperme võõra liigi spermidest. Pärast spermi seodumist vabaevad spermi akrosomaalvesiikuli esüümid, mis võimaldavad spermil tugida läbi muaraku zoa pellucida, et spermi ja muaraku membraaid ühieksid. Kohe pärast membraaide ühiemist vabastavad muaraku membraai sisepial paikevad kortikaalsed graaulid rea esüüme ja erievaid valke ja suhkruid, mis muudavad zoa pellucida selliseks, et uus sperm pole eam võimelie muarakku tugima. Meeldejätmiseks Prokarüoote rakk jagueb pooldumisel, eukarüoote rakk mitoosi ja tsütokieesi teel. Eukarüootses rakus toimub rakutsüklis ee mitoosi iterfaasi süteesifaasis (S-faas) DNA duplitseerumie (kahekordistumie). Mitoosi alguses toimub profaasis duplitseeruud kromosoomide kodeseerumie e. spiraliseerumie pulgakujulisteks kehakesteks. Mitoosi metafaasis liiguvad kromosoomid raku ekvatoriaalplaadile. Mitoosi aafaasis lahkevad tütarkromatiidid. Mitoosil moodustuvad tütarrakud o geeetiliselt idetsed (sisaldavad samu kromosoome). Meioosil moodustub eukarüootide diploidsest ürgsugurakust eli haploidset sugurakku protsessis, mis sisaldab meioosi eel ühte DNA (kromosoomide) duplitseerumist ja kahte rakkude jaguemist. Meioosi esimesel jaguemisel paarduvad (moodustavad süapsi) homoloogsed kromosoomid, ede tütarkromatiidid vahetavad ristsiirdel osi (krossigover) ig homoloogsed kromosoomid lahkevad poolustele, kusjuures iga lahkemie ei sõltu teiste homoloogsete kromosoomipaaride lahkemisest. Meioosi teisel jaguemisel lahkevad tütarkromatiidid. Paljudel kõrgematel orgaismidel areevad meioosiproduktidest välja gameedid. Taimedel jaguevad meioosiproduktid edasi mitootiliselt, moodustades haploidse gametofüüdi. Taimede elutsüklis vaheldub haploide gametofüüdistaadium diploidse sporofüüdi staadiumiga. Iimese oogeees algab varases embrüoaalses aregus ja jätkub tsükliliselt alates puberteedieast. Iimese spermatogeees algab puberteedieas ja toimub edaspidi pidevalt kõrge vaadusei. Iimesel viljastab muaraku üldjuhul vaid üks sperm. 2. GENEETIKA MUDELORGANISMID Geeetilistes katsetes peame tegema ristamisi, jälgima selgepiiriliste (eelistatavalt) tuuste päradumist ja aalüüsima suurt hulka järglaskoda (geeetilie aalüüs). 73