Bookshelf

Biologi er et stort emne. Planeten Jorden rummer en svimlende mængde af livsformer. Vi ved allerede, at der findes 286 000 arter af blomstrende planter, 500 000 arter af svampe og 750 000 arter af insekter. Derudover er der stadig mange flere arter, der bliver opdaget. For 50 år siden var videnskaben biologi opdelt i separate discipliner, som hver især analyserede livet på et andet niveau. Der var morfologi, fysiologi, biokemi, taksonomi, økologi, genetik osv., som alle arbejdede stort set i adskilte akademiske afdelinger. Opdagelser inden for ingenetik har imidlertid givet nogle af de vigtigste samlende temaer for hele biologien, så der nu er begrebsmæssige tråde, der forbinder underdisciplinerne.

Den vigtigste tematiske tråd, som genetik giver, er bogstaveligt talt en tråd, nemlig det genetiskemolekyle DNA. Vi ved nu, at DNA er det informationsgrundlag, der ligger til grund for alle livets processer og strukturer. DNA-molekylet har en struktur, der er ansvarlig for to af livets vigtigste egenskaber, nemlig reproduktion og dannelse af former. Vi vil i denne bog lære, at DNA er en dobbelt-helikal struktur, hvis iboende design er sådan, at det kan replikeres til to identiske kopier. DNA-replikation er grundlaget for al reproduktion, både den cellulære og den organismiske. DNA replikeres før celledelingen, og dette gør det muligt for kromosomer at dele sig i kromatider, som til sidst bliver til datterkromosomer, som overføres til datterceller. Denne proces med replikation og kromatiddannelse er i det væsentlige ens under delingen af både aseksuelle og seksuelle celler og er skematiseret i figur 1-8. (Bemærk dog, at de to typer celledeling har mange forskelle, som vi vil komme ind på i senere kapitler). Vi ser derfor, at det er DNA-replikationens egenskab, der gør det muligt at fremstille kopier af celler og organismer og at bevare dem gennem tiden (figur 1-9). DNA kan således betragtes som den tråd, der forbinder os med alle vores evolutionære forfædre. Desuden skaber DNA form, fordi der i den lineære sekvens af DNA-molekylets byggesten er indskrevet en kode, som indeholder instruktionerne til opbygning af en organisme; vi kan betragte dette som information, eller “det, der er nødvendigt for at give form”. En arts unikke karakteristika, hvad enten det er strukturer eller processer, er under indflydelse afDNA. De strukturer, som morfologerne studerer, de reaktioner, som fysiologerne studerer, de homologier, som evolutionisterne studerer, osv. ligger således til grund for DNA-molekylets forenende tråd.

Figur 1-8

Når der dannes nye celler, gør DNA-replikation det muligt for et kromosom at blive til et par kromatider, som til sidst bliver til datterkromosomer og overføres til de nye celler.

Figur 1-9

DNA-replikation er grundlaget for livets opretholdelse gennem tiden.

DNA fungerer stort set på samme måde i alle organismer. Dette er i sig selv endnu et samlende tema, men det betyder desuden, at det, vi lærer i én organisme, ofte i princippet kan overføres til andre organismer. Af denne grund har genetikken i vid udstrækning gjort brug af modelorganismer, hvoraf mange vil optræde på siderne i denne bog. Faktisk har de fremskridt, der er gjort inden for humangenetik i løbet af de seneste årtier, været mulige i vid udstrækning på grund af de fremskridt, der er gjort med så lavtudviklede modelorganismer som bakterier og svampe.

Genetikken har også leveret nogle af de mest skarpe analytiske tilgange, der nu anvendes på tværs af de biologiske discipliner. Den vigtigste er teknikken med genetisk dissektion. Med denne eksperimentelle metode kan enhver struktur eller proces skilles ad eller “dissekeres” ved at se på, hvordan muterede gener påvirker den. Ved at studereabnormalitet kan vi udlede det normale tilfælde. I undersøgelsen af voksne organismers udvikling fra et befrugtet æg identificerer hvert mutantgen, der giver en udviklingsanormalitet, f.eks. en komponent i den normale udviklingsproces. Den genetiske dissektion af paralyserede mutantstammer af nematodeorme har ført til en forståelse af de gener, der kontrollerer normale bevægelser. Det samlede billede af en bestemt proces kan sammensættes ved at sammenholde alle disse genetisk kontrollerede komponenter.

Vi har set, at molekylær genteknologi har åbnet nye muligheder inden for anvendt bioteknologi, men de samme teknikker er lige så nyttige inden for grundforskning.Forskere har manipuleret gener i gær for at fremstille helt kunstige, funktionelle kromosomer, der kan bære enorme mængder ekstra DNA til specifikke forsøgsformål. For nylig er der endda blevet fremstillet kunstige menneskelige kromosomer, og disse kan indføres i pattedyrceller, både menneskelige og andre. Evnen til at isolere et gen i et reagensglas, ændre dets struktur på specifikke måder og derefter genindsætte det i organismen har givet den skarpeste skalpel til genetisk dissektion.

En anden vellykket teknik er brugen af specifikke gener som markører.Ligesom man kan bruge farvestrålende mærker til at markere dyr eller planter i en biologisk undersøgelse, bruger genetikere visse let påviselige former af gener til at holde styr på strukturer – kromosomer, celler eller individer. Denne teknik har fundet anvendelse på tværs af alle biologiske discipliner, fra retsmedicin til cellebiologi til evolution og økologi. F.eks. er man nu i færd med at isolere gener for sygdomme hos mennesker i kraft af deres kromosomale nærhed til ubeslægtede markørsekvenser (teknikken med positionskloning). Med evnen til at flytte gener fra organisme til organisme har genetikerne erstattet de residente gener med “reporter”-gener, hvis funktioner er lettere at påvise og undersøge eksperimentelt. (Et reportergen er en type markørgen, der markerer funktionen snarere end strukturen.)Luciferase-genet fra ildfluer er blevet brugt på denne måde; genet kan indsættes i dyre- eller plantekromosomer på en sådan måde, at det får cellerne til at lyse på de udviklingsstadier, hvor det oprindelige gen på det pågældende sted var aktivt. Genet for grønt fluorescerende protein fra vandmænd er også anvendt som reporter. Mikrofoner med dette gen lyser grønt under UV-bestråling (figur 1-10). Alt i alt har genteknologi revolutioneret de biologiske videnskaber, og ingen biologer kan i dag tillade sig at være uvidende om dette kraftfulde analytiske værktøj.

Figur 1-10. Transgene mus, der indeholder et gen for grønt fluorescerende protein, som er indsat i kromosomerne.

Figur 1-10

Transgene mus, der indeholder et gen for grønt fluorescerende protein, som er indsat i kromosomerne.

Figur 1-10

Transgene mus, der indeholder et gen for grønt fluorescerende protein, som er indsat i kromosomerne. (KYODO News International/AP.)

MESSAGE

Genetisk analyse er nu en vigtig teknik inden for alle områder af biologien.

Måske er den største biologiske succeshistorie af alle, at man har fået klarhed over, hvordan generne præcist udfører deres arbejde, med andre ord, hvordan information bliver formet. Det er en fascinerende historie, der har udviklet sig med en forbløffende hurtighed. I dag er kodningen og strømmen af genetisk information i cellerne grundlaget for den moderne biologiske tænkning og den grundlinje, som eksperimentelle undersøgelser tager udgangspunkt i. Det er værd at opsummere højdepunkterne i den måde, hvorpå genetisk information flyder, eller tilsvarende, hvordan generne virker, hvilket er blevet kaldt det nye paradigme i biologien.Figur 1-11 viser diagrammatisk de væsentligste elementer i genernes virke i en generaliseret celle af en eukaryot. Eukaryoter er de organismer, hvis celler har en membranbunden kerne. Dyr, planter og svampe er alle eukaryoter. Inde i kernen findes en række kromosomer, og uden for kernen findes en kompleks række membranstrukturer, herunder det endoplasmatiske retikulum og Golgi-apparatet, og organeller som mitokondrier og kloroplaster.

Figur 1-11. Forenklet visning af genvirksomheden i en eukaryote celle.

Figur 1-11

Forenkelt visning af genvirksomheden i en eukaryote celle. Den grundlæggende strøm af genetisk information går fra DNA til RNA til protein. Der er vist fire typer af gener. Gen 1 reagerer på eksterne reguleringssignaler og fremstiller et protein til eksport; gen 2 reagerer på (mere…)

Inden for den eukaryote kerne syntetiserer nogle proteinkodende gener deres proteinprodukt mere eller mindre konstant, men andre skal tændes og slukkes for at passe til cellens eller organismens behov. Signalet til at aktivere et gen kan komme udefra, f.eks. fra et stof som et steroidhormon. Eller signalet kan komme indefra cellen, f.eks. fra et særligt reguleringsgen, hvis opgave det er at tænde og slukke andre gener.De regulerende stoffer binder sig til et særligt område af genet og sætter gang i syntesen af transskriptioner af genets DNA. I den proteinkodende region af et eukaryote gen er der indlagt segmenter, som ikke er bestemt til at blive translateret til protein. Disse ikke-kodende regioner af genet kaldes introner; de skæres ud af det oprindelige transkript. Den resterendeRNA-sekvens udgør messenger-RNA. mRNA-molekylerne passerer gennem kerneporerne ud i cytoplasmaet, hvor cytoplasmatiske organeller, kaldetribosomer, binder sig til mRNA’et og oversætter informationen i deresRNA-sekvens til protein. mRNA’et passerer gennem ribosomerne, som katalyserer samlingen af polypeptidet, dvs. den række af aminosyrer, der udgør proteinets primære struktur. Hver aminosyre bringes til ribosomet af et specifikt transfer-RNA-molekyle (tRNA), som lægger sig til en specifik kodningsenhed i mRNA’et. tRNA’erne syntetiseres ud fra særlige tRNA-gener. Ingen tRNA’er bliver nogensinde oversat til protein; de genbruges konstant og leverer deres specifikke aminosyre til ribosomerne. Selve ribosomet består af et komplekst sæt proteiner plus flere slags RNA kaldet ribosomalt RNA (rRNA). Generne for rRNA er placeret i et særligt kromosomalt område, der kaldes den nukleolære organisator. Ligesom tRNA bliver rRNA aldrig oversat til protein.

MESSAGE

Protein-kodende gener fungerer via to trin af informationsoverførsel:

Hvert proteinkodende gen koder for et separat protein med specifikke funktioner enten inden for cellen (f.eks. det firkantede protein i figur 1-11) eller til eksport til andre dele af organismen (det cirkulære protein). Syntesen af proteiner til eksport (sekretoriske proteiner) finder sted påribosomer, der er placeret på overfladen af det ru endoplasmatiske retikulum, et system af store fladtrykte vesikler. De færdige aminosyrekæder sendes ind i det endoplasmatiske retikulums lumen, hvor de spontant folder sig sammen og antager deres proteinform. Proteinerne kan modificeres på dette stadium, men i sidste ende sendes de videre til Golgiapparatets kamre og videre til sekretoriske kar, der smelter sammen med cellemembranen og frigiver deres indhold til ydersiden.

Proteiner, der er bestemt til at fungere i cytosolen, og de fleste af de proteiner, der fungerer i mitokondrier og kloroplaster, syntetiseres i cytosolen på ribosomer, der ikke er bundet til membraner. F.eks. følger proteiner, der fungerer som enzymer i glykolysen, denne vej. Proteinsyntesen sker efter samme mekanisme ved hjælp af de samme typer tRNA’er. Det færdige protein løsner sig fra ribosomet og folder sig op i sin rette form i cytosolen. De proteiner, der er bestemt til organeller, er specielt mærket for at målrette dem til at blive indsat i organellen. Desuden har mitokondrier og kloroplaster deres egne små cirkulære DNA-molekyler. Syntesen af proteiner, der er kodet af generne på mitokondrie- eller kloroplast-DNA, foregår på ribosomer inde i selve organellerne. Proteinerne i mitokondrier og kloroplaster har derfor to forskellige oprindelser, enten er de kernekodet og importeret til organellen eller organelkodet og syntetiseret i organelkammeret.

Prokaryoter er organismer som f.eks. bakterier, hvis celler har en mere simpel struktur; der er ingen kerne eller andre membranbundne strukturer i disse celler. Proteinsyntesen i prokaryoter ligner generelt den i eukaryoter ved hjælp af mRNA, tRNA og ribosomer, men der er nogle vigtige forskelle. Prokaryoter har f.eks. ingen introner.