Arv og genetikk - Bioteknologinemnda

Arv og genetikkTemaark fra Bioteknologinemnda • Oppdatert januar 2009 • www.bion.noI dette temaarket ser vi på arvestoffet og cellerog hvordan genetisk informasjon overføres fragenerasjon til generasjon.Arvestoffet – DNAAlle levende organismer har arvestoff som bestårav DNA. DNA er lange, trådformede molekyler.Et DNA-molekyl består av to DNA-tråder somer tvunnet om hverandre og danner en dobbelspiral,en DNA-dobbelheliks. Trådene er byggetopp av fi re byggesteiner: basene adenin (A),cytosin (C), guanin (G) og tymin (T). Hver avbasene på den ene tråden er koblet til en basepå den andre tråden og danner et basepar (sefi gur 4). Det er alltid slik at C og G danner baseparsammen, og A og T danner basepar sammen.Baseparing gjør DNA-molekylet til et stabiltmolekyl. Den gjør det også mulig for cellen åreparere skader i arvestoffet og lage to identiskekopier av arvestoffet før celledeling slik at de todattercellene får hver sin kopi av morcellensarvestoff. Dette er viktig både fordi DNA-et erarvematerialet som overføres fra generasjon tilgenerasjon, og fordi vi bærer det med oss gjennomhele livet.Hva er arv og genetikk?Hos alle levende organismer består arv e-stoffet av DNA. DNA er forkortelse fordeoksyribonukleinsyre, eller på engelsk deoxyribonucleic acid. DNA-et innholder gener somer oppskrifter på proteiner. Hvilke proteinercellene våre lager, gir cellene deres karakteristiskeegenskaper.Vi har det samme arvestoffet hele livet. Vioverfører DNA til neste generasjon. Slik gåregenskaper i arv fra generasjon til generasjon.Hos noen få virus er arvestoffet RNA. RNA erforkortelse for ribonukleinsyre, eller på engelskribonucleic acid.Genetikk er læren om hvordan egenskaper gåri arv.Hele arvestoffet, genomet, til en organisme erdelt opp i enheter som kalles kromosomer.Ordet ”kromosomer” betyr fargelegemer. Dehar fått navnet fordi man ved å tilsette farge tilcellen kan se kromosomene i mikroskop undercelledelingen. Hvert kromosom består av etlangt DNA-molekyl. Hos mennesket består helearvestoffet, det humane genom, av 46 kromosomereller 23 kromosompar. Vi har nemlig toutgaver av hvert kromosom. I hvert kromosomparhar vi arvet ett kromosom fra far og ett framor. Det 23. kromosomparet er kjønnskromosomenesom avgjør om man blir gutt eller jente.Jenter har to kopier av X-kromosomet, mensSædceller på vei mot eggcellen. Når en sædcelle befrukter eggcellen,blir den genetiske sammensetningen av et nytt individbestemt. Foto: SCANPIX.081212arvoggenetikk_rev for 2 op1 1 15.12.2008 10:00:33

Arv og genetikk • Oppdatert januar 2009 • Bioteknologinemnda • www.bion.nogutter har ett X- og ett Y-kromosom.Det humane genom består av 3,2 milliarderbasepar i hvert kromosomsett.Hvordan overføres så arvestoffet fragenerasjon til generasjon?Oppbygning av cellerMenneskeceller har en cellekjerne somomslutter arvestoffet – DNA-et (se figur2). Alle dyr og planter har denne typenceller som kalles eukaryote celler.BakterieCelleveggKromosom (DNA)CytoplasmaCelledeling – mitoseAlle organismer, fra bakterier til mennesker,er bygget opp av celler. Mens bakterierbestår av bare én celle, har et voksentmenneske rundt 100 000 milliarder celler.Når en bakterie skal formeres, vokserbakterien til dobbel størrelse og delerseg (se figur 1). Hver av de to dattercellenefår samme arvestoff som morcellenfordi morcellen lager en kopi av arvestoffetfør den deler seg. Arvestoffet til enbakterie består gjerne av bare ett kromosomsom er et sirkulært DNA-molekyl.Flercellede organismer har samme typecelledeling som bakterier når de vokserog når vevet fornyers. Denne prosessenkalles mitose.Bakterien tilhører en celletype som kallesprokaryote celler. Disse cellene har ikkecellekjerner, og alle cellens komponenterligger i cellens cytoplasma, også arvestoffetDNA (se figur 1).Eukaryote celler har også andre delersom med et samlebegrep kalles organeller.De har for eksempel mitokondrier somer cellenes kraftstasjoner. Plantecellerhar også kloroplaster som kan lage sukkerav karbondioksid (CO 2 ) og vann gjennomfotosyntesen. Både mitokondrier ogkloroplaster har et eget lite DNA-molekyl.Når vi snakker om arvestoffet til enorganisme, for eksempel mennesketsarvestoff – det humane genom, er detvanligvis arvestoffet i cellekjernen vimener.Organellene gjør det mulig å lage spesiellebiokjemiske miljøer – biokjemiskerom – inne i cellene, og å utvikle megetspesialiserte celler for forskjellige formål iorganismen. I ce llekjernen er for eksempelarvestoffet omgitt av komponentersom kan reparere skader i DNA-et.Eukaryote celler har trolig blitt til ved atenklere celler og bakterier som har levdsammen i symbiose har blitt til en ny typecelle. Man mener at mitokondriene opprinnelighar vært bakterier. En relativt nyFigur 1. Bakterier formerer seg ved å vokse tildobbel størrelse samtidig som de kopiere arvestoffet.Når cellen deler seg, dannes to identiskedatterceller. Dette kalles mitose.Cellekjernemed DNARibosomerFigur 2. Oppbyggingen av en eukaryot celle mednavn på noen av celledelene.Mitokondrier medeget DNACytoplasmaCelledeling for å lage kjønnscellerXUtveksletXYX XarvematerialeYYYYXVanligkromosomparFigur 3. Kromosomene kondenserer og blirsynlige i mikroskop før celledeling. Her ser vicellekjernen før cellen har laget kopier avarvestoffet. For enkelhets skyld viser vi bare ettvanlig kromosompar og kjønnskromosomene Xog Y hos en mann.Cellen lager kopier av alle kromosomene. Nårdet skal lages kjønnsceller, utveksler kromosomenei et kromosompar deretter arvemateriale.På den måten får alle kromosomene i kjønnscellenearvestoff fra begge foreldrene. Hos kvinnerutveksler også de to X-kromosomene arvemateriale.Hos mannen forblir kjønnskromosomenestort sett uendret.Ved reduksjonsdeling går cellen så gjennom to rundermed celledeling. Resultatet blir fire kjønnscellermed én utgave av hvert kromosom. Hos menn harhalvparten av sædcellene X-kromosom. Disse giropphav til jenter. Den andre halvparten har Y-kromosom,og disse gir opphav til gutter.081212arvoggenetikk_rev for 2 op2 2 15.12.2008 10:00:35

A)Fra DNA til proteinDNA oversettes til RNA i cellekjernenTAGCDNA-dobbelheliksenåpnesT A C G T T C A G A A C C C G G T T C C CA T G C A A G T C T T G G G C C A A G G GEn RNA-tråd lages påden ene DNA-trådenT A C G T T C A G A A C C C G G T T C C CA U G C A A G U C U U G G G C C A A G G GA T G C A A G T C T T G G G C C A A G G GDNA-tråden går sammenigjen og RNA-tråden frigjøresDNA-dobbelheliks – dobbelttrådig DNA-molekylBasepar (legg merke til at A bare er bundettil T på motstående tråd og C bare bundettil G på motstående tråd).DNA-trådDNA-trådDNARNADNADNA-dobbelheliksRNA-tråden som lageskalles et mRNA-molekylfor messenger RNA –budbringer RNA. RNAer bygget opp av de fi rebasene A, C, G og U.AminosyrsyreAmino-AminosyretRNAtRNA tRNAU A C G U U C A GRibosomProteinProteinet, som består av enlang kjede av aminosyrer,folder seg sammen til etfunksjonelt protein.A U G C A A G U C U U G G G C C A A G G GCellens proteinproduksjonsmaskineri, ribosomene,binder opp RNA-tråden. Det tiltrekkerseg så tRNA-molekyler som harmed seg riktig aminosyre. tRNA står fortransfer RNA – overførings RNA.A U G C A A G U C U U G G G C C A A G G GA U G C A A G U C U U G G G C C A A G G GmRNA-molekylRNA-et transporteres ut avcellekjernen til cellens cytoplasma.RNA oversettes til protein i cellens cytoplasmaFigur 4. DNA-molekylet inneholder oppskriften på proteiner. Proteinene er de molekylene som gir cellene deres egenart. En proteinoppskrift kalles et gen.Rekkefølgen på basene i genet, gensekvensen, bestemmer rekkefølgen på byggesteinene i proteinet. I proteinene er byggesteinene 20 ulike aminosyrer. Treog tre baser i DNA-molekylet koder for én og én aminosyre. For eksempel blir basekombinasjonen GTA i DNA-et til aminosyren valin i proteinet. DNA-etbefi nner seg i cellekjernen, mens proteinproduksjonen foregår i cellens cytoplasma. For at koden i DNA-molekylet skal komme ut i cytoplasmaet, ”oversetter”cellen først DNA-koden til et RNA-molekyl i cellekjernen. RNA er også bygget opp av baser, men bruker U (uracil) i steden for T. RNA-tråden transporteresut av cellekjernen til cellens cytoplasma der proteinene produseres. Der ”leser” cellens proteinproduksjonsmaskineri (ribosomene) tre baser iRNA-molekylet om gangen og forlenger proteinkjeden med den aminosyren disse tre basene koder for.teori er at cellekjernen har oppstått veden symbiose mellom bestemte typervirus og en celle. Andre mener at ogsåcellekjernen stammer fra en bakterie.Celler finnes i mange ulike størrelser ogformer. I flercellede organismer, somoss, utfører forskjellige celletyper mangeulike funksjoner. Celler i øyet kan foreksempel oppfatte lys, muskelceller kantrekke seg sammen og nerveceller kansende og motta elektriske signaler.Celledeling for å lage kjønnsceller– meioseFor at flercellede organismer, slik sommennesker, skal kunne formere seg, mådet først lages kjønnsceller (egg- og sædceller).Dette skjer ved en type celledelingsom kalles meiose, eller reduksjonsdeling(se figur 3). Kjønnscellene inneholdernemlig bare halvparten av arvestoffetfra den opprinnelige cellen fordi vi skal hasamme antall kromosomer fra generasjontil generasjon.Ved meiose skiller de to kromosomene iet kromosompar lag, slik at hverkjønnscelle bare får ett sett med kromosomer.Men først foregår det en tilfeldigutveksling av genetisk materiale, såkaltrekombinasjon, mellom de to settene. Pådenne måten får hvert kromosom ikjønnscellene arvestoff fra begge foreldrenesarvestoff (det vil si at avkommetfår DNA fra alle besteforeldrene i allekromosomparene). For at nye individerskal bli til, må to kjønnsceller smeltesammen i en befruktning. Hos menneskerog dyr må de to kjønnscellenekomme fra ulike individer – fra en far ogen mor. Mange planter kan derimotbefrukte seg selv.ProteinerCellene våre lager mange ulike typerproteiner med ulik funksjon. Noen fungererfor eksempel som byggeelementeri kroppens muskler og sener, andresom enzymer som styrer kroppens biokjemiskeprosesser. Noen er signalstoffersom hormoner, antistoffer i immun-Arv og genetikk • Oppdatert januar 2009 • Bioteknologinemnda • www.bion.no081212arvoggenetikk_rev for 2 op3 3 15.12.2008 10:00:39

Arv og genetikk • Oppdatert januar 2009 • Bioteknologinemnda • www.bion.nosystemet eller hemoglobin som frakter oksygen omkring iorganismen. Proteiner er bygget opp av aminosyrer. Hvertenkelt proteins funksjon bestemmes blant annet av aminosyresammensetningen,og den er bestemt av genene (sefigur 4). Endring i gensekvens kan gi endring i proteinsekvens,altså aminosyresammensetning. I verste fall kan detteføre til sykdom fordi proteinene ikke kan utføre oppgavenesine slik de skal.Gener og ”skrot-DNA”Genene er bygget opp forskjellig i bakterier og eukaryoteceller. Mens bakterier hovedsaklig bare inneholder DNAsom koder for proteiner, inneholder genomet til mer avanserteorganismer, som oss, både gener og områder som ikkekoder for proteiner. Gener som koder for proteiner utgjørfaktisk bare 1-2 prosent av genomet hos mennesker. Førmenneskets genom var ferdig kartlagt i år 2000, trodde vi atmennesket hadde 100 000 gener. Nå ser det ut til at vi ikkehar mer ca. 22 000 gener. Vi har imidlertid mange flere proteiner,kanskje det tidobbelte. Det er mulig fordi et gen kankode for proteindeler som kan settes sammen på ulikemåter og gi mange ulike proteiner. Proteiner kan dessutenmodifiseres ved at det settes på andre molekyler, for eksempelsukkermolekyler.Mer enn halvparten av menneskets arvestoff er kortere ellerlengre DNA-sekvenser som repeteres. Men det er ennåuklart hvorfor vi har fått dette DNA-et gjennom evolusjon ogvi vet ennå ikke helt hvilken rolle dette repeterte DNA-et hari cellene våre. Av den grunn kaller noen det for ”skrot-DNA”.Analyse av spesielle deler av dette DNA-et kan brukes for åidentifisere personer (les om dette på temaarket DNA-analyserfor identifikasjon).Regulering av genaktivitetAlle cellene i en organisme har de samme genene, menhvilke gener det blir laget proteiner fra og hvor mye proteinersom lages, varierer fra celletype til celletype. Derforblir cellene forskjellige. Regulering av genaktivitet skjer påflere nivåer. Både gener, DNA-områder utenfor genene ogproteiner regulerer når cellen skal lage proteiner fra genet,det vil si når genet skal være aktivt. For eksempel kan bådeDNA-et og proteinene som DNA-trådene er kveilet opppå for å danne kromosomer, såkalte histoner, modifiseres.Dette skjer ved at de får festet på seg kjemiske grupper(molekyler). DNA-et kan blant annet modifiseres ved å fåpå seg kjemiske metylgrupper. Histonene kan for eksempelmodifiseres med metyl-, acetyl- og fosfatgrupper. Slike faktorersom påvirker genaktivitet uten å endre på baserekkefølgen igenene, kalles epigenetiske faktorer (les mer om dette på nett).Genetisk variasjonDet er bare små forskjeller i gensekvensen mellom individer innenen art. Hos mennesker er variasjonen ca. én forskjell per 1000basepar. Slike små forskjeller medvirker til at vi alle er forskjellige.Vi har både forskjellig utseende og andre egenskaper. Noen gangerkan forskjellene gi mer dramatiske utslag og føre til at vi bliralvorlig syke (les om dette på temaark om gentesting).Små endringer i baserekkefølgen i arvestoffet over tid, mutasjoner,fører til genetisk variasjon fra individ til individ innen en art, og tilstørre genetisk ulikhet mellom arter. Mutasjoner kan slå uheldig utfor individet eller gi individet en fordel, men som oftest har deingen effekt.Innenfor arter med kjønnet formering, som for eksempel mennesket,spiller meiosen (se figur 3) en viktig rolle i å bidra til individuell,gentisk variasjon. Ved dannelse av kjønnscellene foregår det entilfeldig utveksling av genetisk materiale, som gjør at enhverkjønnscelle har en unik, genetisk sammensetning.Arv og miljøDet er ikke bare genene som former oss. Svært mye individuellvariasjon skyldes også at vi vokser opp i forskjellige miljøer og blirutsatt for ulike påvirkninger. Miljøpåvirkninger har stor betydninghelt fra unnfangelsen av. Hva som til slutt gjør deg til akkurat deg,er et resultat av et komplekst samspill mellom gener og miljø.Les mer på www.bion.no- Struktur til DNA og kromosomer- Kopiering av DNA- Vi arver mer enn bare DNA- Kopitallsvariasjoner- Antall kromosomer og størrelse på genomet hos noen organismer- Tabell over den genetiske koden- Virus- Læringsressurser- Tips til videre lesningProdusert av:Støttet av:Bioteknologinemnda, Rosenkrantz’ gate 11, Pb. 522 Sentrum, 0105 OSLO Tlf.: 24 15 60 20 Faks: 24 15 60 29 E-post: bion@bion.noInternett: www.bion.no ISBN 978-82-91-68346-1 Oppdatert: 05.01.09. 1. opplag (01.02.07): 5000 eks. 2. opplag (05.01.09): 3000 eks.Ansvarlig redaktør: Sissel Rogne081212arvoggenetikk_rev for 2 op4 4 15.12.2008 10:00:50