GENEETIKA. Ain Heinaru

GENEETIKA Ain Heinaru

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 (2008 2012) toetusel Käesoleva raamatu valmimist toetasid Tartu Ülikool, TÜ Loodus- ja tehnoloogia teaduskond, TÜ Molekulaar- ja rakubioloogia instituut ning Tartu Ülikooli Kirjastus. ISBN 978 9949 32 171 1 Tartu Ülikooli Kirjastus www.tyk.ee

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

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 20.10.2012 Eessõna 6

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

SISUKORD I. GENEETIKA AJALUGU 33 1. GENEETILISE MÕTTE ARENG 33 1.1. Geneetika 34 1.1.1. Eelteaduslik periood 35 1.1.2. Varateaduslik periood 36 1.1.2.1. Mendelismi stiihilised ja teadlikud eelkäijad 36 1.1.2.2. Kromosoomide seondamine pärilikkusega 37 1.1.3. Teaduslik periood 38 1.1.3.1. Klassikalise geneetika etapp 38 1.1.3.2. Molekulaargeneetika etapp 40 1.2. Geneetika rakendused 43 1.2.1. Põllumajandus 43 1.2.2. Meditsiin 44 1.2.3. Väärkasutused 44 2. GENEETIKA EESTIS 46 2.1. Geneetika uurimissuunad ja struktuurid 46 2.1.1. Antropoloogia, eugeenika ja tsütogeneetika Eestis 46 2.1.2. Sordiaretus Eestis 47 2.1.3. Klassikalise geneetika periood 48 2.1.4. Nõukogude periood Eesti geneetikas 48 2.1.5. TÜ MRI 49 II. PALJUNEMINE JA GENEETIKA MUDELORGANISMID 52 1. RAKK 52 1.1. Rakk kui elusorganismi ehituskivi 53 1.1.1. Prokarüootne rakk 55 1.1.2. Eukarüootne rakk 55 1.1.3. Kromosoomid 57 1.2. Rakujagunemine 59 1.2.1. Mitoos 61 1.2.2. Meioos 64 Sisukord 9

1.2.3. Meioosi ja mitoosi erinevused 68 1.2.4. Põlvkondade vaheldus taimedel 68 1.2.5. Gametogenees ja spermatogenees 69 1.2.5.1. Gametogenees 71 1.2.5.2. Spermatogenees 71 2. GENEETIKA MUDELORGANISMID 73 2.1. Bakterid 74 2.1.1. Escherichia coli 74 2.2. Seened 74 2.2.1. Saccharomyces cerevisiae 74 2.2.2. Neurospora crassa 76 2.3. Selgrootud 77 2.3.1. Drosophila melanogaster 77 2.3.2. Caenorhabditis elegans 78 2.4. Selgroogsed 78 2.4.1. Mus musculus 78 2.4.2. Danio rerio 78 2.5. Taimed 78 2.5.1. Arabidopsis thaliana 78 Sisukord III. KVALITATIIVSETE TUNNUSTE PÄRANDUMINE 81 1. MENDELISM 81 1.1. Mendeli pärandumisseadused 81 1.1.1. Mendeli I seadus ja domineerimisprintsiip 82 1.1.2. Mendeli II seadus ja alleelide lahknemisprintsiip 83 1.1.3. Mendeli III seadus ja geenide sõltumatu lahknemise printsiip 85 1.2. Mendeli seaduste esitusviisid 86 1.2.1. Punnetti ruutmeetod 86 1.2.2. Hargnemismeetod 88 1.2.3. Tõenäosusmeetod 89 1.3. Geneetilise hüpoteesi testimine 90 1.3.1. Hii-ruut-meetod 90 2. MENDELISMI EDASIARENDUSED 92 2.1. Alleelidevahelised vastastikused toimed geeni avaldumisel 92 2.1.1. Ebatäielik domineerimine ja kodomineerimine 92 2.1.2. Polüalleelsus 94 2.1.3. Alleeliseeriad 96 2.1.4. Mutatsioonide alleelsuse testimine 96 2.1.5. Kõrvalekalded oodatavatest lahknemissuhetest 97 2.2. Geenide vastastikused toimed: genotüübist fenotüübiks 99 2.2.1. Geeni penetrantsus 100 2.2.2. Geeni ekspressiivsus 100 2.2.3. Komplementaarsus 101 10

2.2.4. Epistaas 102 2.2.5. Pleiotroopsus 102 IV. PÄRILIKKUSE KROMOSOOMITEOORIA 107 1. GENOOM 107 1.1. Kromosoomid 107 1.1.1. Kromosoomide arv 107 1.1.2. Sugukromosoomid 108 1.2. Soo geneetiline määratus 111 1.2.1. Inimese soo määramine 112 1.2.2. Soo määramine loomorganismidel 114 1.2.3. Geneetiliselt mosaiiksed isendid 116 2. PÄRILIKKUSE KROMOSOOMITEOORIA 119 2.1. Suguliiteline pärandumine 119 2.1.1. X-liiteline pärandumine 119 2.1.1.1. Tunnuste suguliiteline avaldumine 120 2.1.1.2. Ristpärandumine 121 2.1.2. X-liiteliste ja autosoomsete geenide sõltumatu lahknemine 122 2.1.3. Kromosoomide mittelahknemine meioosis 123 2.2. Tunnuste pärandumise kromosoomne alus 125 2.2.1. Lahknemisreegel 125 2.2.2. Sõltumatu kombineerumise reegel 125 3. KROMOSOOMSED ÜMBERKORRALDUSED 127 3.1. Genoommutatsioonid 127 3.1.1. Euploidsus 127 3.1.1.1. Auto- ja allopolüploidsus 129 3.1.1.2. Viljakate allopolüploidide saamine 129 3.1.1.3. Koespetsiifi line polüploidsus ja polüteensus 130 3.1.2. Aneuploidsus 132 3.1.2.1. Trisoomia ja monosoomia 132 3.1.2.2. Kromosoomisegmentide deletsioonid ja duplikatsioonid 132 3.2. Kromosoommutatsioonid 134 3.2.1. Kromosoomi struktuuri ümberkorraldused 134 3.2.1.1. Inversioonid 134 3.2.1.2. Liitkromosoomid 135 3.2.2. Mittehomoloogsete kromosoomide vahetused 138 3.2.2.1. Translokatsioonid 138 3.2.2.2. Robertsoni translokatsioonid 138 V. EUKARÜOODI KROMOSOOMI KAARDISTAMINE 140 1. GEENIDE AHELDUS, REKOMBINATSIOON JA RISTSIIRE 140 1.1. Geenide aheldus 141 1.1.1. Kõrvalekalded geenide sõltumatu lahknemise seadusest 141 1.1.2. Aheldunud geenide pärandumine 142 Sisukord 11

1.1.3. Aheldusgrupi määramine 144 1.2. Ristsiire 146 1.2.1. Rekombinantsed gameedid 146 1.2.2. Ristsiirde ilmnemine analüüsival ristamisel 147 1.2.3. Ühe- ja mitmekordne krossingover 149 1.2.4. Rekombinatsioon ja krossingover 149 1.2.4.1. Rekombinatsioon ja krossingover maisil 150 1.2.4.2. Rekombinatsioon ja krossingover äädikakärbsel 153 1.2.5. Kiasmid 153 2. KROMOSOOMIKAARDID 155 2.1. Kromosoomide geneetiline kaardistamine 155 2.1.1. Geneetiline kaugus 156 2.1.2. Kahepunktiline ristamine 156 2.1.3. Kolmepunktiline ristamine 159 2.1.3.1. Geenide järjekorra määramine 159 2.1.3.2. Geenidevahelise kauguse määramine 159 2.1.4. Interferents 161 2.1.5. Tegelik geneetiline kaugus 162 2.1.6. Kiasmide sagedus ja geneetiline kaugus 163 2.2. Kromosoomide tsütoloogiline kaardistamine 166 2.2.1. Tsütogeneetiline kaardistamine deletsioonidega 166 2.2.2. Tsütogeneetiline kaardistamine duplikatsioonidega 167 2.2.3. Tsütoloogiliste ja geneetiliste kaartide võrdlus 168 Sisukord VI. GEENI KONTSEPTSIOON 170 1. GEENI MÕISTE EVOLUTSIONEERUMINE 170 1.1. Geen kui üksus 170 1.1.1. Geen kui jagamatu üksus 170 1.1.2. Geen kui jaotatav üksus 171 1.2. Geen kui funktsionaalne üksus 172 1.2.1. Üks geen üks tunnus 172 1.2.2. Üks mutantne geen üks metaboolne blokk 173 1.2.3. Üks geen üks ensüüm 173 1.2.4. Üks geen üks polüpeptiid 175 1.3. Geen kui struktuurne üksus 175 1.3.1. Geenisisene krossingover (rekombinatsioon) 175 1.3.2. Nukleotiidipaaride-vaheline rekombinatsioon 176 1.3.3. Rekombinatsioooni geneetiline kontroll 178 1.3.3.1. Rekombinatsiooni evolutsiooniline tähtsus 179 1.3.3.2. Krossingoveri pidurdamine inversioonidega 179 1.3.3.3. Inversioonid sugukromosoomides 180 1.3.4. Geeni ja polüpeptiidi kolineaarsus 181 1.3.4.1. E. coli trpa- geeni ja trüptofaani süntetaasi α-polüpeptiidi kolineaarsus 181 12

1.3.4.2. Bakteriofaag MS2 kestavalgu geeni ja polüpeptiidi vaheline kolineaarsus 182 2. GEENI DEFINITSIOON 184 2.1. Geeni geneetiline defi nitsioon 184 2.1.1. Geenidevaheline komplementatsioon 184 2.1.2. Komplementatsioonitesti ja rekombinatsioonitesti võrdlus 187 2.1.3. Geenisisene komplementatsioon 189 2.1.4. Polaarsed mutatsioonid 190 2.2. Geeni struktuurne defi nitsioon 191 2.2.1. Geeni struktuuri avaldumine 191 2.2.2. Deletsioonanalüüs 192 2.2.3. Mutatsioonide kuumad punktid 194 2.2.4. Geenid geenide sees 195 2.3. Geeni defi neerimatus 196 2.3.1. Alternatiivne splaissing 196 2.3.2. Geenide reassambleerimine 197 2.3.3. Geen kui geneetilise informatsiooni üksus 197 VII. DNA JA KROMOSOOMIDE MOLEKULAARSTRUKTUUR 200 1. GENEETILISE INFO KANDJAD 200 1.1. DNA 201 1.1.1. DNA vahendatud transformatsioon 201 1.1.2. Faagide T2 DNA 202 1.2. RNA 204 1.2.1. RNA-viirused 204 1.2.2. Viroidid 205 1.3. Prioonid 205 2. DNA JA RNA STRUKTUUR 206 2.1. Nukleiinhapete ehitus 206 2.1.1. Nukleiinhappe alaüksused 207 2.1.2. DNA kaksikheeliks 208 2.1.3. DNA kaksikheeliksite alternatiivvormid 212 2.1.4. DNA superspiralisatsioon 213 3. KROMOSOOMIDE STRUKTUUR 215 3.1. Viirused 215 3.2. Prokarüoodid 215 3.3. Eukarüoodid 216 3.3.1. Histoonid 217 3.3.2. DNA uni- ja multineemsus 218 3.3.3. DNA kokkupakkimise kolm taset 220 3.3.4. Tsentromeerid 222 3.3.5. Telomeerid 223 3.3.6. Kordusjärjestused 225 Sisukord 13

Sisukord VIII. DNA REPLIKATSIOON 227 1. DNA REPLIKATSIOON IN VIVO 227 1.1. Poolkonservatiivne replikatsioon 227 1.1.1. Tsentrifuugimistehnikad 228 1.1.1.1. CsCl tasakaaluline tihedusgradienttsentrifuugimine 228 1.1.1.2. Sahharoosi kiiruslik tihedusgradienttsentrifuugimine 229 1.1.2. Meselsoni ja Stahli katse 231 1.1.3. Eukarüootse kromosoomi märgistamine 232 1.2. Replikatsiooni jälgimine 233 1.2.1. Replikatsiooni alguspunkt 233 1.2.1.1. oric bakteritel 234 1.2.1.2. ARS-elemendid pärmseentel 234 1.2.1.3. Eukarüootide viirus SV40 235 1.2.2. Replikatsiooni kahesuunalisus 235 2. DNA REPLIKATSIOON IN VITRO 238 2.1. DNA polümeraasid 238 2.1.1. DNA polümeraas I (Kornbergi polümeraas) 238 2.1.2. DNA polümeraas III (replikaas) 241 2.1.3. DNA polümeraaside paljusus 242 2.1.4. DNA polümeraaside vigu parandav (e. korrektiivne) aktiivsus 242 2.1.5. Valgulised DNA sünteesi praimerid 243 3. DNA REPLIKATSIOONIAPARAAT 244 3.1. Replikatsiooni suund 244 3.1.1. DNA sünteesi liider- ja viivisahel 244 3.2. Okazaki fragmendid 245 3.2.1. Avastamine 245 3.2.2. DNA praimaas 245 3.2.3. RNA praimerite kõrvaldamine 245 3.2.4. DNA ligaasid 247 3.3. DNA replikatsiooni abivalgud 248 3.3.1. DNA helikaasid 248 3.3.2. DNA üksikahelaga seonduvad valgud 248 3.3.3. DNA topoisomeraasid 249 3.3.3.1. DNA topoisomeraas I 249 3.3.3.2. DNA topoisomeraas II 250 3.4. DNA replikatsioonikahvel 251 3.4.1. Eelpraimerkompleks 251 3.4.2. Praimosoom 252 3.4.3. Replisoom 253 3.5. DNA replikatsiooni veereva ratta mudel 254 3.6. Eukarüootse kromosoomi replikatsiooni eripära 256 3.6.1. Replikonide paljusus 256 3.6.2. Mitu DNA polümeraasi ühes replikatsioonikahvlis 256 3.6.3. Nukleosoomide duplikatsioon replikatsioonikahvlis 258 14

3.6.4. Telomeraas 259 3.6.5. Telomeeri pikkuse seos inimese vananemisega 259 IX. TRANSKRIPTSIOON JA RNA PROTSESSING 262 1. TRANSKRIPTSIOON 262 1.1. Transkriptsiooni üldpõhimõtted 262 1.1.1. Molekulaarbioloogia põhipostulaat 262 1.1.2. RNA tüübid 263 1.1.3. RNA süntees ja lagundamine 266 1.2. Transkriptsioon prokarüootidel 269 1.2.1. RNA polümeraas 269 1.2.2. RNA-ahela initsiatsioon 270 1.2.3. RNA-ahela elongatsioon 271 1.2.4. RNA-ahela terminatsioon 273 1.3. Transkriptsioon ja RNA protsessing eukarüootidel 274 1.3.1. Kolm RNA polümeraasi 276 1.3.2. RNA-ahela initsiatsioon 276 1.3.3. RNA-ahela elongatsioon ja 5 -metüülguanosiinmütsi lisamine 279 1.3.4. RNA-ahela terminatsioon ja 3 -polü(a)-saba lisamine 280 1.3.5. RNA korrektuur 281 1.3.5.1. Lämmastikaluste muutmine mrna-s 281 1.3.5.2. Uridiinmonofosfaatide lisamine ja kõrvaldamine mrna-s 282 2. GEENIDE INFORMATSIOONILINE KATKENDLIKKUS 284 2.1. Eukarüootsed katkelised geenid 284 2.1.1. Eksonid ja intronid 284 2.1.2. RNA splaissing 285 2.1.2.1. trna eellaste splaissing 286 2.1.2.2. Autokatalüütiline splaissing 286 2.1.2.3. Splaissosoomid 288 X. TRANSLATSIOON JA GENEETILINE KOOD 290 1. VALGUD 290 1.1. Valkude ehitus 290 1.1.1. Aminohapped 290 1.1.2. Polüpeptiidid 292 1.1.3. Valkude struktuuri tasemed 293 1.2. Valgusünteesi komponendid ja translatsiooni I etapp 295 1.2.1. Ribosoomid 296 1.2.2. Translatsiooni I etapp: aminohape ~ trna 299 1.3. Translatsiooni II etapp valgusüntees 303 1.3.1. Polüpeptiidahela initsiatsioon 304 1.3.2. Polüpeptiidahela elongatsioon 307 1.3.3. Polüpeptiidahela terminatsioon 309 Sisukord 15

2. GENEETILINE KOOD 311 2.1. Geneetilise koodi üldiseloomustus 311 2.1.1. Koodi sõnastik 312 2.2. Koodon-tRNA interaktsioonid 315 2.2.1. Lõõgastuspositsioon 315 2.2.2. trna supressormutatsioonid 317 XI. GENOOMIKA 319 1. DNA PEENSTRUKTUUR 322 1.1. Sekveneerimine 322 1.1.1. Maxami ja Gilberti meetod 322 1.1.2. Sangeri meetod 323 1.2. DNA amplifi katsioon 327 1.2.1. PCR 327 1.2.2. Kvantitatiivne PCR 329 2. KROMOSOOMIDE PEENSTRUKTUUR 330 2.1. Kromosoomide geneetiliste, tsütoloogiliste ja füüsiliste kaartide võrdlus 330 2.2. Positsiooniline kloonimine 332 2.2.1. Restriktsioonifragmentide pikkuspolümorfi sm (RFLP) 332 2.2.2. Kontiigid 335 2.2.3. Kromosoomil jalutamine 336 2.2.4. Kromosoomil hüppamine 337 3. GENOOMIDE NUKLEOTIIDIJÄRJESTUSTE MÄÄRAMINE 338 3.1. Inimese genoom 339 3.1.1. Genoomi kaardistamine 339 3.1.2. Genoomi sekveneerimine 340 3.1.3. Transkriptooomika 343 3.1.4. Proteoomika 344 3.2. Võrdlev genoomika 345 3.2.1. Bioinformaatika 348 3.2.2. Prokarüootsed genoomid 349 3.2.3. Eukarüootsed genoomid 351 3.2.3.1. Pärmseente genoom 352 3.2.3.2. Ainuraksete genoom 353 3.2.3.3. Varbussi genoom 353 3.2.3.4. Äädikakärbse genoom 354 3.2.3.5. Müürlooga genoom 354 3.2.3.6. Hiire genoom 354 3.2.4. Genoomide evolutsioon 354 Sisukord XII. MUTATSIOONID 356 1. MUTATSIOONIDE TEKE 356 1.1. Mutatsioonide olemus 358 16

1.1.1. Somaatilised ja generatiivsed mutatsioonid 358 1.1.2. Spontaansed ja indutseeritud mutatsioonid 358 1.1.3. Mutatsiooniteke kui juhuslik protsess 359 1.1.4. Otse-, pöörd- ja supressormutatsioonid 363 1.1.5. Neutraalsed ja kahjulikud mutatsioonid 364 1.1.6. Tinglikult letaalsed mutatsioonid 370 1.2. Mutatsioonide molekulaarsed alused 371 1.2.1. Transitsioonid ja transversioonid 371 1.2.2. Raaminihkemutatsioonid 373 1.2.3. Keemiline mutagenees 375 1.2.3.1. N-aluste analoogid 376 1.2.3.2. Lämmastikushape 377 1.2.3.3. Akridiinvärvid 378 1.2.3.4. Alküülivad ühendid 378 1.2.3.5. Hüdroksüülamiin 379 1.2.4. Kiirgusmutagenees 379 1.2.4.1. Kiirguse mutageense toime avastamine 379 1.2.4.2. Ioniseeriv kiirgus 380 1.2.4.3. Fotoionisatsioon 381 1.2.5. Transposoonmutagenees 381 1.2.6. Sait-spetsiifi line mutagenees in vitro 383 1.2.7. Kordusjärjestustest põhjustatud mutagenees 384 XIII. REPARATSIOON JA REKOMBINATSIOON 386 1. DNA REPARATSIOON 386 1.1. DNA-KAHJUSTUSED 386 1.1.1. DNA-d kahjustavad tegurid 386 1.1.2. DNA-kahjustuste tüübid 387 1.2. REPARATSIOONI TÜÜBID 388 1.2.1. Reparatsioon keemiliste pöördreaktsioonidega 389 1.2.2. Lämmastikaluste väljalõikereparatsioon 391 1.2.3. Nukleotiidide väljalõikereparatsioon 393 1.2.4. Valepaardumisega reparatsioon 395 1.2.5. Rekombinatsiooniline reparatsioon 395 1.2.6. SOS-vastus ja vea-aldis DNA süntees kahjustatud DNA-lt 398 1.2.7. Pärilikud reparatsioonivead 401 2. GENEETILINE REKOMBINATSIOON 403 2.1. REKOMBINATSIOONIMEHHANISMID 403 2.1.1. Homoloogne retsiprookne rekombinatsioon 403 2.1.1.1. Üksikahelaliste katkemiste mudel 403 2.1.1.2. Kaksikahelaliste katkemiste mudel 405 2.1.2. Homoloogne mitteretsiprookne rekombinatsioon (geeni konversioon) 405 2.1.3. Mittehomoloogne rekombinatsioon 408 Sisukord 17

2.1.3.1. Viburite faasivariatsioonid 408 2.1.3.2. Integronid 409 2.1.3.3. Transpositsioon 410 Sisukord XIV. GEENIREGULATSIOON PROKARÜOOTIDEL JA FAAGIDEL 413 1. GEENIEKSPRESSIOONI TÜÜBID 415 1.1. Kvoorumitundlikkus 415 1.1.1. Atsüülhomoseriinlaktoonid 416 1.1.2. Peptiidsed autoinduktorid 417 1.1.2.1. Bakterinfektsiooni levik 417 1.1.2.2. Bakterite kompetentsusfaas 418 1.2. Keskkonnastiimulite toime 418 1.2.1. Konstitutiivne geeniekspressioon 418 1.2.2. Indutseeritud geeniekspressioon 419 1.2.2.1. Escherichia coli laktoosi lagundamine (katabolism) 419 1.2.3. Pidurdatud geeniekspressioon 419 1.2.3.1. Escherichia coli trüptofaani biosüntees (anabolism) 419 2. GEENIEKSPRESSIOONI KONTROLLSÜSTEEMID 420 2.1. Operon kui regulatsiooniüksus 420 2.2. Geneetilise kontrolli tüübid 421 2.2.1. Positiivne geneetiline kontroll 421 2.2.2. Negatiivne geneetiline kontroll 421 2.3. Geeniekspressiooni kontroll transkriptsiooni initsiatsiooni tasemel 425 2.3.1. Sigmafaktorid 425 2.3.2. DNA topoloogia 425 2.3.3. Aktivaatorid ja repressorid 426 2.3.3.1. E. coli laktoosi operoni induktsioon 426 2.3.3.2. E. coli laktoosi operoni kataboolne repressioon 429 2.3.3.2. E. coli trüptofaani operoni repressioon (pidurdamine) 432 2.4. Geeniekspressiooni kontroll transkriptsiooni terminatsiooni tasemel 434 2.4.1. Atenuatsioon 435 2.4.2. Autogeenne regulatsioon 437 2.5. Geeniekspressiooni kontroll mrna stabiilsuse tasemel 440 2.5.1. mrna degradatsiooniensüümid 440 2.5.1.1. Ekso- ja endonukleaasid 440 2.5.1.2. RNA degradosoom 440 2.5.2. mrna stabiilsust mõjutavad nukleotiidsed järjestused 441 2.5.2.1. Palindroomsed järjestused 441 2.5.2.2. Operonisisene geeniekspresssiooni regulatsioon 441 2.6. Geeniekspressiooni kontroll translatsiooni tasemel 441 2.6.1. Translatsiooniline geeniregulatsioon 442 2.6.1.1. Koodonikasutus 442 2.6.1.2. Antisenss-RNA 442 2.6.1.3. Translatsiooni atenuatsioon 442 18

2.6.1.4. Lugemisraami nihkumine ja ribosoomihüpe 442 2.6.2. Posttranslatsiooniline geeniregulatsioon 443 2.6.2.1. Lõpp-produktne inhibitsioon 443 2.6.2.2. R-valkude sünteesi kontroll 444 3. FAAGIDE GENEETILINE REGULATSIOON 444 3.1. Mõõdukad faagid 444 3.1.1. Lambda lüsogeenne repressorahel 446 3.1.2. Lambda lüütiline regulatsioonikaskaad 448 3.1.3. Faag λ lüütilise ja lüsogeense tsükli ümberlülitused 452 3.2. Virulentsed faagid 454 3.2.1. Bacillus subtilis e faag SP01 454 XV. GEENIREGULATSIOON EUKARÜOOTIDEL 457 1. GEENIDE RUUMILINE JA AJALINE REGULATSIOON 458 1.1. Geenide ruumiline regulatsioon 458 1.1.1. Tubuliinigeenide ruumiline regulatsioon taimedel 458 1.2. Geenide ajaline regulatsioon 458 1.2.1. Globiinigeenide ajaline regulatsioon loomadel 458 2. GEENIREGULATSIOON TRANSKRIPTSIOONI TASEMEL 459 2.1. DNA-järjestused transkriptsiooni kontrollil 460 2.1.1. Geenide võimendajad e. enhanserid 460 2.1.1.1. Äädikakärbse geeni yellow koespetsiifi line võimendaja 461 2.1.1.2. Ahvi viiruse SV40 võimendaja 461 2.2. Valgulised transkriptsioonifaktorid 463 2.3. Transkriptsiooni aktivatsioon keskkonna ja bioloogiliste faktorite mõjul 465 2.3.1. Temperatuuri mõju: temperatuurišoki geenid 465 2.3.1.1. Äädikakärbse temperatuurišokivalk HSP70 466 2.3.2. Valguse mõju: ribuloos 1,5-bifosfaadi karboksülaasi/ oksügenaasi- (RuBisCO) geenid taimedes 467 2.3.3. Signaalmolekulide mõju: geenide aktivatsioon hormoonide toimel 467 2.3.3.1. Steroidhormoonid 467 2.3.3.2. Peptiidhormoonid 467 3. TRANSKRIPTSIOONIJÄRGNE GEENIREGULATSIOON 469 3.1. RNA alternatiivne splaissing 469 3.1.1. Alternatiivne splaissing troponiini T-geeni avaldumisel 471 3.1.2. Äädikakärbse sugu määravate geenide alternatiivne splaissing 471 3.2. RNA stabiilsuse tsütoplasmaatiline kontroll 471 3.3. Interferents-RNA (RNAi): sirna-d ja mirna-d 473 3.3.1. Varbussi valku kodeeriva geeni lin-14 mrna ja mir-geeni lin-4 mrna-de paardumine 475 Sisukord 19

4. KROMOSOOMIDE ORGANISATSIOON JA GEENIEKSPRESSIOON 476 4.1. Transkriptsioon lambiharikromosoomide lingudel 477 4.2. Transkriptsioon polüteenkromosoomide puffi del 477 4.3. Transkriptsiooniliselt aktiivse DNA molekulaarne organisatsioon 478 4.3.1. Inimese ß-globiinigeeni transkriptsiooniline aktiivsus 478 4.4. Kromatiini modifi tseerimine 479 4.5. Eu- ja heterokromatiin 479 4.6. Geenide vaigistamine 480 4.6.1. Geenivaigistus äädikakärbsel Polycomb-grupi geenide valkudega 480 4.6.2. Paardumistüübi geenikassettide vaigistamine pagaripärmil 481 4.6.3. Trüpanosoomide pinna glükoproteiini vgs-geenide vaigistamine 482 4.7. DNA metüülimine ja geeni mälu 482 4.7.1. DNA metüülimine ja CpG-saarekesed 482 4.7.2. Geeni vermimine e. imprinting 485 4.7.3. Imetaja mälugeenid 486 4.8. DNA amplifi katsioon 486 4.8.1. Amfi ibide ribosoomi rrna geenide amplifi katsioon 486 5. KROMOSOOMIDE AKTIVATSIOON JA INAKTIVATSIOON 488 5.1. Imetaja X-kromosoomide inaktivatsioon (geenidoosi kompensatsioon) 489 5.2. Äädikakärbse X-kromosoomi hüperaktivatsioon 491 5.3. Varbussi X-kromosoomi hüpoaktivatsioon 492 Sisukord XVI. VIIRUSEGENEETIKA 493 1. VIIRUSTE GENEETILINE ORGANISATSIOON 493 1.1. Viirus: rohkem kui molekul ja vähem kui elusrakk 493 1.1.1. Viiruste defi nitsioon 493 1.1.2. Viiruste avastamine 495 1.1.3. Viriooni ehitus ja viiruste klassifi katsioon 497 2. FAAGIGENEETIKA 500 2.1. Faagide elutsükkel 500 2.1.1. λ-faag 500 2.1.2. T-faagid 502 2.1.3. Restriktsiooni-modifi katsioonisüsteem 504 2.2. Geenide peenstruktuur 506 2.2.1. Faagilaigud 506 2.2.2. Rekombinatsioonanalüüs 507 2.3. Genoomi struktuur 510 2.3.1. Terminaalne redundantsus ja tsirkulaarsed permutatsioonid 510 2.3.2. Faagide heterosügootsus 512 3. EUKARÜOOTIDE VIIRUSED 515 3.1. AIDS-i põhjustav viirus HIV 515 3.1.1. Genoom 517 20

3.1.2. Struktuur ja elutsükkel 518 3.2. Gripiviirus 522 3.2.1. Seagripp H1N1 522 3.2.2. Linnugripp H5N1 522 3.2.3. Gripiviiruse genoom 523 3.2.4. RNA-viiruste geneetiline stabiilsus 523 3.3. Papilloomiviirused 524 3.3.1. Papilloomiviiruse genoom 524 3.3.2. Emakakaelavähk 525 XVII. BAKTERIGENEETIKA 527 1. BAKTERIGENEETIKA 527 1.1. Genoom 527 1.1.1. Kromosoom 527 1.1.2. Plasmiidid 530 1.2. Mutagenees 533 1.2.1. Mutantide tüübid 533 1.2.2. Amesi test 534 1.2.3. Mutantide selektsioon 536 1.2.4. Lokaliseeritud mutagenees 538 1.3. Transformatsioon 539 1.3.1. Looduslik transformatsioon 540 1.3.2. Kunstlik transformatsioon 544 1.3.3. Kotransformatsioon 544 1.4. Konjugatsioon 545 1.4.1. Konjugatsiooni avastamine 545 1.4.2. Plasmiidne ülekanne 547 1.4.3. Kromosoomne ülekanne 549 1.4.4. Seksduktsioon 552 1.4.5. Kolmefaktorilised ristamised 552 1.5. Transduktsioon 554 1.5.1. Üldine transduktsioon 555 1.5.2. Spetsialiseeritud transduktsioon 556 1.5.3. Geenide kaardistamine 558 XVIII. SEENEGENEETIKA 561 1. PÄRMSEENTE PAARDUMISTÜÜBID 561 1.1. Paardumismistüüpide geneetiline regulatsioon 561 1.1.1. Paardumistüüpi määrav lookus 561 1.1.2. Paardumistüüpide ümberlülitumine 561 1.1.3. MAT-lookuse poolt kodeeritavad transkriptsioonifaktorid 563 1.1.3.1. Transkriptsiooni aktivatsioon 563 1.1.3.2. Transkriptsiooni repressioon 566 1.1.4. Feromoonid 566 Sisukord 21

2. TETRAADANALÜÜS 568 2.1. Pärmseente tetraadanalüüs 570 2.1.1. Askuste tüübid 570 2.1.2. Geenide ahelduse uurimine 571 2.2. Neurospora crassa tetraadanalüüs 574 2.2.1. Tsentromeeri kaardistamine 574 2.2.2. Aheldusgruppide kaardi koostamine 576 3. GENEETILINE KOMPLEMENTATSIOON 577 3.1. Geneetiline komplementatsioon 577 3.1.1. Tingimusmutatsioonid 577 3.1.2. Kaksikmutandid 578 3.1.2.1. Geneetiline komplementatsioon 578 3.1.2.2. Biosünteesiahelate analüüs 578 3.1.2.3. Signaaliülekanderadade analüüs 579 3.1.3. Supressormutatsioonid ja sünteetilis-letaalsed mutatsioonid 579 3.2. Funktsionaalne komplementatsioon 582 3.2.1. Genoteegi saamine 582 3.2.1.1. Plasmiidsed süstikvektorid 582 3.2.1.2. Rekombinantsete kloonide arv 582 3.2.2. Kloonide sõelumine 583 3.2.2.1. Komplementatsioon 583 3.2.2.2. Kolooniahübridatsioon 584 3.2.2.3. Pärmseente kaksikhübriidisüsteem 585 Sisukord XIX. TRANSPOSOONID 588 1. TRANSPOSOONIDE AVASTAMINE 588 2. TRANSPOSOONIDE TÜÜBID 590 2.1. Transposoonid bakteritel 590 2.1.1. IS-elemendid 590 2.1.2. Komplekssed transposoonid 592 2.1.3. Replikatiivsed transposoonid 594 2.1.4. Transposoonide osa geeniülekandel 596 2.2. Transposoonid eukarüootidel 598 2.2.1. Transposoonid maisil 598 2.2.2. Drosophila P-elemendid 600 2.2.3. Äädikakärbse mariner-elemendid 603 3. RETROTRANSPOSOONID 604 3.1. Retroviiruselaadsed transposoonid 604 3.1.1. Retrotransposoonid pärmseentel 605 3.1.2. Retrotransposoonid äädikakärbsel 607 3.2. Retroposoonid 607 3.2.1. Äädikakärbse retroposoonid 607 3.2.2. LINE-elemendid inimesel 608 3.2.3. SINE-elemendid inimesel 610 22

4. TRANSPONEERUVAD ELEMENDID GENOOMI EVOLUTSIOONIS 611 XX. TEHNOGENEETIKA 616 1. GEENIDE KLOONIMINE 617 1.1. Restriktsioon 617 1.1.1. Restriktaasid 617 1.1.2. Restriktsioonikaardid 619 1.2. Rekombinantne DNA 621 1.2.1. Rekombinantse DNA saamine in vitro 621 1.2.2. Rekombinantse DNA amplifi katsioon in vivo 623 1.2.3. Plasmiidsed vektorid 624 1.2.4. Faagvektorid 626 1.2.5. Fagemiidid 627 1.2.6. Kosmiidid 630 1.2.7. Süstikvektorid 632 1.2.8. Kunstlikud kromosoomid 632 1.2.8.1. YAC-id 632 1.2.8.2. BAC-id 633 1.2.8.3. Faagi P1 süsteem 633 1.2.8.4. PAC-id 634 1.2.9. Spetsiaalvektorid 635 1.3. Genoteegid 635 1.3.1. Genoomsed klonoteegid 636 1.3.2. cdna-genoteegid 638 1.3.3. Geenide sõelumine 638 1.3.3.1. Geneetiline selektsioon 639 1.3.3.2. Nukleiinhapete in situ hübriidimine 640 1.3.3.3. Immunoloogiline testimine 640 2. MOLEKULAARNE TESTIMINE 641 2.1. DNA, RNA ja valkude molekulaarne analüüs 641 2.1.1. Agaroosgeelelektroforees 641 2.1.2. Southern-ülekande analüüs 643 2.1.3. Nothern-ülekande analüüs 644 2.1.4. Western-ülekande analüüs 644 XXI. MITOKONDRITE JA KLOROPLASTIDE GENEETIKA 646 1. EUKARÜOOTSE RAKU SÜMBIONTSED ORGANELLID 646 2. ORGANELLIDE TUNNUSTE PÄRANDUMINE 648 2.1. Kloroplastide tunnuste pärandumine 648 2.1.1. Emapärilikkus 649 2.1.2. Kahevanemalik segapärilikkus 650 2.1.3. Ühevanemalik pärilikkus 651 2.2. Mitokondriaalsete tunnuste pärandumine 653 Sisukord 23

2.2.1. Pärmseente hingamismutandid 653 2.2.2. Isasteriilsus maisil 655 3. ORGANELLIDE GENOOM 656 3.1. Mitokondrite genoom 656 3.1.1. Mitokondriaalne DNA 656 3.1.2. Mitokondriaalsete geenide regulatsioon 658 3.1.2.1. Mitokondriaalsed kattuvad geenid 659 3.1.2.2. RNA korrektuur 659 3.1.2.3. Trans-splaissing 660 3.1.3. Koostoime tuumageenidega 660 3.1.4. Inimese mitokondriaalsed haigused 660 3.2. Kloroplastide genoom 663 Sisukord XXII. INIMESEGENEETIKA 666 1. GEENID JA KROMOSOOMID 667 1.1. Geenivigade pärandumine 667 1.1.1. Monogeensete tunnuste pärandumine 667 1.1.1.1. Alleelne heterogeensus 668 1.1.1.2. Lookusheterogeensus 669 1.1.1.3. Pleiotroopne toime 669 1.1.2. Geenide aheldus 671 1.1.2.1. Sugupuude koostamine 671 1.1.2.2. Suguliiteliste geenide aheldus 671 1.1.2.3. Autosoomsete geenide aheldus 673 1.1.3. Geenide pärandumine 673 1.1.3.1. Geenide ja keskkonna mõju konkordantsus 673 1.1.3.2. Autosoomdominantne pärandumine 674 1.1.3.3. Autosoomretsessiivne pärandumine 675 1.1.3.4. X-liiteline pärandumine 675 1.1.3.5. Y-liiteline pärandumine 677 1.1.4. Geneetiline konsultatsioon 677 1.1.4.1. Tunnuse tekke tõenäosus 677 1.1.4.2. Riskianalüüs 679 1.2. Inimese kromosoomistik 682 1.2.1. Rakugeneetika 682 1.2.1.1. Kromosoomide värvimine 682 1.2.1.2. Kromosoomide diferentsiaalvärvimine 682 1.2.1.3. Inimese karüotüüp 683 1.2.1.4. Inimese kromosoomanomaaliad 684 1.2.1.5. Amniotsentees ja biopsia 686 1.2.2. Rakkude hübriidimine 688 1.2.2.1. Geeni aheldusgrupi määramine 688 1.2.2.2. Geeni asukoha määramine kromosoomis 689 1.2.3. Molekulaarne rakugeneetika 689 24

1.2.3.1. FISH 689 1.2.3.2. Võrdlev genoomhübriidimine (VGH) 691 1.2.3.3. Molekulaaarne karüotüüpimine 691 2. GENOOM 693 2.1. Genoomi üldine struktuur 693 2.2. Kordusjärjestused 695 2.2.1. Insertsioonkordused 695 2.2.2. Tandemkordused 696 2.2.3. Geenide tuvastamine 697 2.2.3.1. Positsiooniline kloonimine 697 2.2.3.1. Kromosoomil jalutamine ja hüppamine 699 2.2.4. Isikute tuvastamine 703 2.2.4.1. DNA-sõrmejäljed 703 2.2.4.2. Rakendused kriminalistikas 703 2.2.5. Epigenotüüp 705 2.3. Üksiknukleotiidne polümorfi sm 706 2.3.1. Snipid ja haplotüübid 706 2.3.2. SNP-haigused 707 2.4. Mitokondriaalne genoom 708 3. TUNNUSTE EBAHARILIK PÄRANDUMINE 709 3.1. Trinukleotiidsed kordusjärjestushaigused 709 3.1.1. Polü-Q-haigused 709 3.1.1.1. Huntingtoni tõbi 710 3.1.2. Mitte-polü-Q-haigused 710 3.1.2.1. Fragiilse X-kromosoomi sündroom 711 3.1.2.2. Lihasdüstroofi a 713 3.2. Epigeneetilised haigused 714 3.2.1. Prioonhaigused 714 3.2.2. Genoomivermimine 714 3.2.3. Geenide mosaiikne avaldumine 714 XXIII. IMMUNOGENEETIKA 716 1. KAASASÜNDINUD IMMUUNSUS 718 1.1. Immuunsustüübid 718 1.1.1. Keemiline kaitse 720 1.1.1.1. Põletik 720 1.1.1.2. Komplemendisüsteem 720 1.1.2. Rakuline kaitse 720 1.1.3. Patogeeni spetsiifi lisus 721 2. ADAPTIIVNE IMMUUNSUS 721 2.1. Imuunsüsteemi komponendid 722 2.1.1. B-rakud 724 2.1.2. T-rakud 726 2.1.3. Immunoglobuliinid 727 Sisukord 25

2.1.4. T-rakkude retseptorid 729 2.1.5. Koesobivusantigeenid: oma eristamine võõrast 730 2.2. Imuunvastuse tüübid 733 2.2.1. Raku vahendatud immuunvastus 733 2.2.2. Humoraalne e. antikeha vahendatud immuunvastus 735 2.2.3. Immunoloogiline mälu 737 3. ANTIKEHADE MITMEKESISUSE GENEETILINE DETERMINATSIOON JA KONTROLL 739 3.1. Antikeha geenide assambleerimine 739 3.1.1. Kerge ahela lambdageenide assambleerimine kahest geenisegmendist 739 3.1.2. Kerge ahela kapageenide assambleerimine kolmest geenisegmendist 741 3.1.3. Raske ahela geenide assambleerimine neljast geenisegmendist 741 3.2. Antikehageenide geneetiline kontroll 742 3.2.1. Rekombinatsioonilised signaaljärjestused 742 3.2.2. Varieeruvad ühendussaidid 745 3.2.3. Somaatilised hüpermutatsioonid 747 4. RAKULISE IMMUUNVASTUSE GENEETILINE KONTROLL 747 4.1. Rakuline determinatsioon 747 4.1.1. Rakkude ümberlülitumine ühest antikehatüübist teiseks 747 4.1.2. T-rakkude retseptorite geenide assambleerimine somaatilisel rekombinatsioonil 748 4.2. Immunoglobuliine kodeerivate geenide rakuline regulatsioon 749 4.2.1. Alleelne välistamine 749 4.2.2. Koespetsiifi lised enhanserid (transkriptsiooni võimendajad) 749 Sisukord XXIV. ONKOGENEETIKA 752 1. KASVAJATE TEKE JA PÄRITAVUS 752 1.1. Rakutsükkel ja apoptoos 753 1.2. Vähkkasvajate tekkeahelad 756 1.2.1. Kasvajate geneetiline determineeritus 756 1.2.2. Kasvajate geneetilised avaldumisahelad 757 1.2.2.1. Käärsoole-pärasoole polüüpne vähk 757 1.2.2.2. Eesnäärmevähk 758 1.2.2.3. Aju glioom 759 2. ONKOGEENID 761 2.1. Viirusonkogeenid 761 2.2. Rakulised proto-onkogeenid 763 2.2.1. Mutantsed rakulised onkogeenid 764 2.2.2. Kromosoomsed ümberkorraldused 767 3. ONKOGEENIDE SUPRESSORID 769 3.1. Pärilikud kasvajad 770 26

3.1.1. Retinoblastoom 770 3.1.2. Pärilik mittepolüüpne käärsoole-pärasoolevähk 771 3.1.3. Rinna- ja munasarjavähk 774 3.2. Kasvajate supressorvalgud 775 3.2.1. Valk p53 775 3.2.2. Valk p21 777 XXV. ARENGUGENEETIKA 778 1. ARENGUPROGRAMMI REALISEERUMINE 778 1.1. Inimese loote varane areng 778 1.1.1. Sugurakkude moodustumine ja viljastumine 778 1.1.2. Blastula ja arenguprogrammi käivitumine 779 1.1.3. Gastrula ja morfogenees 781 1.2. Varane areng selgrootutel 782 1.2.1. Äädikakärbse areng 782 1.2.2. Varbussi areng 783 2. DIFERENTSEERUMISRAJAD 784 3. GENEETILINE SOO MÄÄRAMINE 787 3.1. Soo määramine äädikakärbsel 787 3.1.1. X:A-suhte tuvastamine 787 3.1.2. Arengusignaalid soo diferentseerumisel 790 3.1.3. Mutatsioonid sugu määravates geenides 792 3.2. Soo määramine varbussil 793 4. EMAEFEKTIGEENID 795 4.1. Avaldumine emasliini kaudu 795 4.2. Sümmeetriatelgede moodustumine äädikakärbsel 796 4.2.1. Selgmise-kõhtmise telje moodustumine 796 4.2.2. Keha esiosa-tagaosa telje moodustumine 798 5. SÜGOOTSETE ARENGUGEENIDE AVALDUMINE 800 5.1. Keha segmentatsioon 800 5.1.1. Segmentatsioonigeenid 800 5.1.2. Homeootilised geenid 802 5.1.3. Selgroogsete ja selgrootute arengugeenide homoloogia 803 5.2. Rakutüüpide spetsialiseerumine ja organite teke 804 5.3. Geneetilised mosaiigid 805 5.3.1. Günandromorfi d 807 5.3.2. Somaatiline rekombinatsioon 807 6. TRANSGEENSED RAKUD JA ORGANISMID 809 6.1. Tüvirakud 809 6.2. Transgeensed organismid 811 6.2.1. Kimäärsed organismid 811 6.2.2. Geennokaudiga organismid 813 6.2.3. Tunnusnokaudiga organismid 815 Sisukord 27

Sisukord XXVI. GEENITEHNOLOOGIA 817 1. TRANSGEENSED MIKROORGANISMID 818 1.1. Bakterid 818 1.1.1. Eukarüootsete valkude tootmine prokarüootide abil 819 1.1.1.1. Molekulaarsed tšaperonid 822 1.1.1.2. Sekretsioonisüsteemid 823 1.1.2. Prokarüootsete valkude tootmine prokarüootide abil 824 1.2. Seened 826 2. TRANSGEENSED TAIMED 828 2.1. Ti-plasmiidid 828 2.2. Teisi meetodeid transgeenide viimiseks taimerakku 830 2.2.1. Herbitsiidiresistentsed taimed 830 2.2.2. Kahjuriresistentsed taimed 831 2.2.3. Muud transgeenid taimedes 832 2.2.3.1. Külmatolerantsed taimed 832 2.2.3.2. Köögiviljade säilivusaja pikendamine 833 2.2.3.3. Transgeenne riis 833 3. TRANSGEENSED LOOMAD 833 3.1. Saamisviisid 833 3.1.1. Tuuma mikrosüstimine 834 3.1.2. Viirusvektorite kasutamine 835 3.1.3. Transgeenide viimine tüvirakkudesse 836 3.1.4. Tuumkloonimine 836 3.2. Rakendused 837 3.2.1. Kasvuhormoon 837 3.2.2. Ravimunad 838 3.2.3. Ravipiim 838 3.2.4. Trendikad hiired 838 3.2.5. Moskiitod 839 3.2.6. Ökotundlikud reoained 839 4. GEENITERAAPIA INIMESEL 840 4.1. Lähenemisviisid ja tulemused 840 4.1.1. Geeniteraapia meetodid 840 4.1.2. Immuunpuudulikkuse geeniteraapia 842 4.1.3. Ajukasvajate geeniteraapia 843 5. PÖÖRDGENEETIKA 845 5.1. Pöördgeneetika mõiste 845 5.1.1. Antisenss-RNA 845 5.1.2. T-DNA ja transposooninsertsioonid 847 5.1.3. RNA interferents 847 5.1.3.1. mirna 848 5.1.3.2. sirna 849 5.1.4. Ribosüümid 849 28

6. BIOTEHNOLOOGIA JA TÄNAPÄEV 850 6.1. Biosõjad ja bioterrorism 850 6.1.1. Molekulaarsed sõjavahendid 850 6.2. Bioeetika 851 6.2.1. Eugeenika 851 6.2.2. GMO-d 852 6.2.3. Meditsiinilised manipulatsioonid 853 6.2.4. Biotehnoloogia ja eetika 853 XXVII. KÄITUMISGENEETIKA 855 1. BIOLOOGILISED RÜTMID: BIOLOOGILINE KELL 855 1.1. Biorütmide geenid 856 1.1.1. Tsirkadiaanrütmid seentel ja bakteritel 856 1.1.2. Äädikakärbse perioodilisuse geenid 857 1.1.3. Biorütmid taimedel 860 1.1.4. Bioloogilised rütmid loomadel 860 1.1.5. Ajavahe mõju inimesele 862 2. KVALITATIIVSED KÄITUMISTUNNUSED 863 2.1. Käitumisgeenid 863 2.1.1. Kemo- ja fototaksis 863 2.1.2. Putukate pesakoristuskäitumine 864 2.1.3. Seksuaalne käitumine 865 2.1.4. Lapsehülgajad hiireemad 868 2.2. Käitumisgeenide mutatsioonid inimesel 869 2.2.1. Laste neuroloogilised haigused 869 2.2.1.1. Fenüülketonuuria 869 2.2.1.2. Leshi-Nyhani sündroom 871 2.2.1.3. Tay-Sachsi haigus 871 2.2.2. Dementsus 871 2.2.2.1. Huntingtoni tõbi 871 2.2.2.2. Alzheimeri tõbi 872 2.3. Käitumuslikud geenidoosimutandid 874 2.3.1. Autosoomsed karüotüübianomaaliad 874 2.3.1.1. Downi sündroom 874 2.3.1.2. Patau ja Edwardsi sündroomid 874 2.3.2. Genoomsed karüotüübianomaaliad 874 2.3.2.1. Klinefelteri sündroom e. diplo-x-sündroom 874 2.3.2.2. XYY-mehed e. üli-mehed 875 2.3.2.3. Turneri sündroom 875 2.3.2.4. XXX-naised e. triplo-x-sündroom 875 3. KVANTITATIIVSED KÄITUMISTUNNUSED 876 3.1. Intelligentsusomadused 876 3.2. Psüühikahäired ja sõltuvused 877 3.2.1. Alkoholism 877 Sisukord 29

3.2.2. Suitsetamine 879 3.2.3. Skisofreenia, bipolaarne meeleoluhäire ja agressiivsus 879 3.3. Käitumisgeenide valik 881 XXVIII. KVANTITATIIVSETE TUNNUSTE PÄRITAVUS 882 1. KOMPLEKSSED TUNNUSED 882 1.1. Pidev muutlikkus 883 1.1.1. Mendellikud tunnused 883 1.1.2. Näivalt mittemendellikud tunnused 886 1.2. Katkendlik muutlikkus 888 1.3. Kvantitatiivne geneetika (statistiline geneetika) 889 1.3.1. Populatsiooni keskmine ja modaalklass 889 1.3.2. Korrelatsioonikoefi tsient 890 1.3.3. Regressioonanalüüs 891 1.4. Päritavus 892 1.4.1. Varieeruvuse komponendid 892 1.4.2. Päritavus laiemas tähenduses 893 1.4.3. Päritavus kitsamas tähenduses 893 1.4.4. Päritavus ühe- ja erimunakaksikutel 894 2. ARETUS 896 2.1. Valikumeetodid 896 2.1.1. Individuaalne valik 897 2.1.1.1. Fenotüüpide ennustamine 897 2.1.2. Massvalik 898 2.1.3. Kvantitatiivse tunnuse lookus 900 2.2. Aretusmeetodid 901 2.2.1. Sise- ja välisaretus 901 2.2.2. Ühiseellased 904 Sisukord XXIX. POPULATSIOONIGENEETIKA 908 1. ALLEELISAGEDUSED POPULATSIOONIS 908 1.1. Tasakaaluline populatsioon 908 1.1.1. Hardy-Weinbergi seadus 909 1.1.1.1. Üks autosoomne dialleelne geen 909 1.1.1.2. Üks autosoomne polüalleelne geen 911 1.1.1.3. Suguliitelised geenid 911 1.1.2. Geneetiline konsultatsioon 912 1.1.2.1. Haige lapse sünni tõenäosus autosoomse tunnuse korral 912 1.1.2.2. Haige lapse sünni tõenäosus suguliitelise tunnuse korral 913 1.2. Mittetasakaaluline populatsioon 914 1.2.1. Mittejuhuslik ristumine 914 1.2.2. Ebavõrdne ellujäävus 915 1.2.3. Liigendunud populatsioonid ja geograafi line isolatsioon 916 1.2.4. Migratsioon ja ühendpopulatsioonid 916 30

2. LOODUSLIK VALIK 918 2.1. Looduslik valik fenotüübi tasemel 918 2.1.1. Kohasus 918 2.1.2. Valiku tüübid 919 2.1.2.1. Suunav valik 919 2.1.2.2. Lõhestav valik 919 2.1.2.3. Stabiliseeriv valik 920 2.2. Looduslik valik geeni tasemel 921 2.2.1. Suhteline kohasus (selektsioonikoefi tsient) 921 2.2.2. Tööstusreostus 923 3. JUHUSLIK GEENITRIIV 923 3.1. Populatsiooni efektiivne suurus 923 3.1.1. Populatsiooni heterosügootsus 924 3.2. Geenisageduste juhuslikud muutused 925 3.2.1. Paardumistüüpide erinev osakaal 925 3.2.2. Pöidlaküüdiefekt 926 3.2.3. Pudelikaelaefekt 927 3.2.4. Rajajaefekt 927 4. POPULATSIOONI TASAKAALUSEISUND 928 4.1. Populatsiooni dünaamiline tasakaal 928 4.1.1. Tasakaalustav valik 928 4.1.2. Mutatsiooni-selektsiooni tasakaal 930 4.1.3. Mutatsiooni-geenitriivi tasakaal 931 XXX. EVOLUTSIOONIGENEETIKA 934 1. EVOLUTSIOONITEOORIA 934 2. MOLEKULAARNE EVOLUTSIOONITEOORIA 935 2.1. DNA ja valkude polümorfi sm 936 2.1.1. Valgu struktuuri varieeruvus 936 2.1.2. Kromosoomi struktuuri varieeruvus 937 2.1.3. Nukleiinhapete järjestuste varieeruvus 937 2.1.3.1. DNA-fragmentide pikkuspolümorfi sm 938 2.1.3.2. Vaikiv polümorfi sm 941 2.1.3.3. Üksiknukleotiidne polümorfi sm 941 2.2. Molekulaarne evolutsioon 942 2.2.1. Molekulaarne fülogenees 942 2.2.1.1. Populatsioonide fülogeneesipuu 943 2.2.1.2. Hominoidide fülogenees 945 2.2.2. Valkude molekulaarne evolutsioon 945 2.2.2.1. Valkude molekulaarse evolutsiooni kiirus 946 2.2.2.2. Molekulaarne kell 948 2.2.3. DNA molekulaarne evolutsioon 949 2.2.3.1. DNA molekulaarse evolutsiooni kiirus 949 Sisukord 31

2.2.3.2. Neutraalsed mutatsioonid 950 2.2.3.3. Molekulaarse evolutsiooni neutraalsusteooria 951 2.2.3.4. Molekulaarne evolutsioon ja adaptiivsed fenotüübilised tunnused 951 3. LIIGITEKE 954 3.1. Liigitekke mehhanismid 955 3.1.1. Allopatriline liigiteke 955 3.1.2. Sümpatriline liigiteke 956 3.2. Inimese evolutsioon 958 3.2.1. Hominoidide evolutsioon 959 3.2.2. Inimese lähieellaste teke 959 3.2.3. Inimese evolutsioon 960 3.2.4. Rasside ja rahvuste evolutsioon 962 SÕNASTIK 964 AINEREGISTER 1100 NIMEREGISTER 1132 KASUTATUD KIRJANDUS JA SOOVITATAVAD ÜLDAINETE PÕHIÕPIKUD 1135 Sisukord 32

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 2001. a. anonüümsete doonorite DNA-proovidest nn. anonüümse inimese genoom. Uude etappi jõuti 2007. 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

Craig Venter. James Watson. Geneetika ajalugu 1.1. Geneetika 34 Tänapäeval teame, et vähemalt 8000. 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

eksperimendid ei andnud aga inimpopulatsiooni geneetilises struktuuris mingit märgatavat efekti. 1.1.1. 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. 460. 370. 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. 460. 370. 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 (384. 322. 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 (427. 347. 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

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 (14. 16. 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 (1637 1680). 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 (1733 1794). 1.1.2. Varateaduslik periood Geneetika arengu varateaduslik periood langeb ajavahemikku 17. sajandi lõpust kuni Mendeli seaduste taasavastamiseni aastal 1900. 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 (1665 1721) poolt 1694. a., kahe nelgisordi ristamisel esimese taimse mitteloodusliku hübriidi saamist 18. sajandi algul Inglise aedniku Thomas Fairchaildi (1667 1729) poolt, Rootsi süstemaatiku Carl von Linné (1707 1778) Peterburi Akadeemia konkursi võitu 1759 1760 taimede soo olemuse selgitamisel ja Saksa botaaniku Josef G. Kölreuteri (1733 1806) poolt 1760. aastal kahe tubakaliigi esimese tõelise liikidevahelise hübriidi saamist. Geneetika ajalugu 1.1.2.1. Mendelismi stiihilised ja teadlikud eelkäijad Mendelismi stiihilised eelkäijad toimetasid oma katsetega perioodil 1760 1825. Need uurijad tegelesid taimede hübriidimisega ning nad saavutasid üksikjuhtudel katsetulemusi, mis hiljem, võrreldes Johann Gregor Mendeli (1822 1884) 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 (1759 1838), kes näitas hübriidide lahknemist teises põlvkonnas. Neid katseid arendasid edasi mendelismi nn. teadlikud eelkäijad, eelkõige 36

Prantsuse suured hübriidijad Augustin Sageret (1763 1851) ja Charles V. Naudin (1815 1899). Perioodi suureks autoriteediks taimede uurimisel ja ristamisel oli tol ajal Saksa botaanik Karl Friedrich von Gärtner (1772 1850). 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 (1809 1882). Darwin arvas, et igas organismi rakus on pärilikkuse kandjad e. gemmulad, mis kanduvad suguelunditesse vere kaudu. Nagu me nüüd teame, oli pangeneesi hüpotees vale. 1.1.2.2. 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 (1817 1891) juba 1842. aastal ja hiljem sõltumatult Belgia teadlane Edouard van Beneden (1846 1910) ümar ussidel (Ascaris), kirjeldades kromosoomide jaotumist meioosis. E. van Beneden koos Saksa anatoomi Walther Flemmingiga (1843 1905) kirjeldasid mitoosi 1882. a. (esmakirjeldus juba 1878. a.). Nimetus mitoos pärineb aga hilisemast ajast teiselt Saksa anatoomilt Heinrich W. G. van Waldeyer-Hartzilt (1836 1921). K. Nägel lõi iduplasmateooria, mille kohaselt iduplasma on pärilike omaduste kandja. Iduplasmateooriat arendas edasi August Weismann (1834 1914), kes avastas ka meioosi. Sel perioodil tehti suuri edusamme ka kvantitatiivsete tunnuste uurimisel. Francis Galton (1822 1911) lõi inimgeneetika alused. Francis Galton oli muuseas Charles Darwini lähedane sugulane: tema emaisa ja Ch. Darwini isaisa oli sama mees Erasmus Darwin (1731 1802). Nende suguvõsas on ridamisi nii loomingulise talendiga mehi kui ka mõttehiiglasi, teadusajaloo suurkujusid (jn. 1.1). Johann Gregor Mendel. Geneetika ajalugu 37

I Erasmus Darwin (1731-1802) II III Robert W. Darwin Susanah Wedgwood Josiah Wedgwood II Elisabeth Allen Charles Darwin (1809-1882) Emma Wedgwood (Darwin) Francis Galton (1822-1911) 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. 1.1.3. Teaduslik periood Geneetika teadusliku perioodi eelkäijaks ja vaimseks isaks on loomulikult J. G. Mendel, kes tegi oma kuulsad ristamiskatsed aastatel 1854 1862 ja avaldas oma tulemused 1865. a. (trükis 1866. 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 (1848 1935) (ta on ka mutatsiooniteooria rajaja) Hollandist, Carl Correns (1864 1933) (ka tsütoplasmaatilise pärilikkuse avastaja) Saksamaalt ja Erich von Tschermak (-Seysenegg) (1871 1962) Austriast. Seoses nukleiinhapete osa selgitamisega jaotatakse teadusliku geneetika periood kahte etappi: klassikalise geneetika etapp (1900 1940) ja molekulaargeneetika etapp (pärast 1940. a.). Geneetika ajalugu 1.1.3.1. Klassikalise geneetika etapp Pärast Mendeli seaduspärasuste taasavastamist toimus kümne aasta jooksul kiire mendelismi võidukäik. Mutatsiooni mõiste esitas H. de Vries 1901. a. ja mutatsiooniteooria töötati välja 1905. a. Saksa bioloog Theodor Bover (1862 1915) ning Ameerika geneetik ja arst Walter Sutton (1877 1916) seostasid Mendeli avastatud pärilikkuse seaduspärasused juba 1902. a. kromosoomide, meioosi ja viljastumisega. Arendati välja geeniteooria ja 38

Thomas H. Morgan. geneetika uusavastused liideti evolutsiooniteooriaga. Mõiste geneetika pärineb 1906. a. William Batesonilt (1861 1926), mõisted geen, alleel, genotüüp ja fenotüüp aga 1909. a. kuulsalt Taani taimefüsioloogilt Wilhelm Johannsenilt (1857 1927). 1903. a. lõi W. Johannsen ka populatsioonigeneetika esmaalused. Klassikalise geneetika võidukäik toimus aastatel 1910 1925. Tähtsaimaks asjaoluks oli kindlasti pärilikkuse kromosoomiteooria väljatöötamine Ameerika geneetiku ja evolutsionisti Thomas H. Morgani (1866 1945) 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 (1873-1949) ning heteroosiefekt Ameerika geneetiku Edward M. Easti (1879 1938) poolt. Ajavahemikus 1900 1925 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 1925 1940. Sel perioodil toimus geneetika süntees darvinismiga. Üheks tähtsa - maks asjaoluks, mis seda võimaldas, oli kunstliku mutageneesi avastamine. Kiirgusmutageneesi avastasid USA geneetik Hermann Muller (1890 1967) ja Nõukogude radiobioloog Georgii A. Nadson (1867 1939) ning G. S. Filippov. Keemilise mutageneesi selgitamine seostub eelkõige saksa-juudi päritolu Šoti zooloogi ja geneetiku Charlotte Auerbachi (1899 1994) ja Nõukogude teadlaste V. V. Sakharovi ning I. A. Rapoporti töödega. Paralleelselt arendati välja populatsioonigeneetika, milles on suurimad teened Inglise statistikul Ronald Fisheril (1890 1962), Inglise evolutsionistil John B. S. Haldane il (1892 1964), USA geneetikul ja evolutsionistil Sewall Wrightil (1889 1988) ja ukraina päritolu USA evolutsionistil Theodosius Dobzhanskyil (1900 1975). Geneetika ajalugu 39

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 1.1.3.2. Molekulaargeneetika etapp Molekulaargeneetika alused töötasid mikroobigeneetika ja viirusegeneetika arengu põhjal kõigepealt välja USA teadlased George W. Beadle (1903 1989), Edward L. 40