Bookshelf

Biologi är ett stort ämne. Planeten jorden innehåller en häpnadsväckande mängd livsformer. Vi vet redan att det finns 286 000 arter av blommande växter, 500 000 arter av svampar och 750 000 arter av insekter. Dessutom upptäcks fortfarande många fler arter. För femtio år sedan var biologin uppdelad i olika discipliner som var och en analyserade livet på olika nivåer. Det fanns morfologi, fysiologi, biokemi, taxonomi, ekologi, genetik och så vidare, som alla arbetade i stort sett i separata akademiska avdelningar. Upptäckter inom genetiken har dock gett några av de viktigaste förenande temana för hela biologin, så att begreppsliga trådar nu binder samman underdisciplinerna.

Den viktigaste tematiska tråden som genetiken ger är bokstavligen en tråd, nämligen den genetiska molekylen DNA. Vi vet nu att DNA är den informationsbas som ligger till grund för alla livets processer och strukturer. DNA-molekylen har en struktur som förklarar två av livets viktigaste egenskaper, reproduktion och generering av former. I den här boken kommer vi att lära oss att DNA är en dubbelhelikal struktur vars inneboende design är sådan att den kan replikeras för att göra två identiska kopior. DNA-replikation är grunden för all reproduktion, både cellulär och organismisk. DNA replikeras före celldelningen, vilket gör det möjligt för kromosomerna att dela sig i kromatider, som så småningom blir dotterkromosomer, vilka överförs till dottercellerna. Denna process för replikation och kromatidbildning är i huvudsak likartad under delningen av både asexuella och sexuella celler, och är schematiskt illustrerad i figur 1-8. (Observera dock att de två typerna av celldelning har många skillnader, som vi kommer att ta upp i senare kapitel). Vi ser alltså att det är DNA-replikationens egenskap som gör det möjligt att göra kopior av celler och organismer och att de kan bestå över tid (figur 1-9). DNA kan alltså ses som den tråd som förbinder oss med alla våra evolutionära förfäder. Dessutom skapar DNA form eftersom det i den linjära sekvensen av byggstenarna i en DNA-molekyl finns en kod som innehåller instruktionerna för att bygga upp en organism; vi kan betrakta detta som information, eller ”det som är nödvändigt för att ge form”. De unika egenskaperna hos en art, oavsett om det rör sig om strukturer eller processer, påverkas avDNA. Under de strukturer som morfologer studerar, de reaktioner som fysiologer studerar, de homologier som evolutionsforskare studerar och så vidare ser vi alltså DNA-molekylens förenande tråd.

Figur 1-8

När nya celler bildas gör DNA-replikationen det möjligt för en kromosom att bli ett par kromatider, som så småningom blir dotterkromosomer och går in i de nya cellerna.

Figur 1-9

DNA-replikation är grunden för livets fortbestånd genom tiden.

DNA fungerar på praktiskt taget samma sätt i alla organismer. Detta ger i sig ett annat förenande tema, men det innebär dessutom att det vi lär oss i en organism ofta kan tillämpas i princip på andra organismer. Därför har genetiken i stor utsträckning använt sig av modellorganismer, av vilka många kommer att förekomma på sidorna i den här boken. Faktum är att de framsteg som gjorts inom humangenetiken under de senaste decennierna till stor del har varit möjliga på grund av de framsteg som gjorts med så enkla modellorganismer som bakterier och svampar.

Genetiken har också gett upphov till några av de mest skarpsinniga analytiska tillvägagångssätt som nu används inom hela spektrumet av de biologiska disciplinerna. Den främsta är tekniken för genetisk dissektion. Med detta experimentella tillvägagångssätt kan en struktur eller process plockas isär, eller ”dissekeras”, genom att man tittar på hur muterade gener påverkar den. Genom att studeraabnormalitet kan vi dra slutsatser om normalfallet. När man till exempel studerar utvecklingen av vuxna organismer från ett befruktat ägg, identifierar varje muterad gen som ger upphov till en utvecklingsavvikelse en komponent i den normala utvecklingsprocessen. Den genetiska dissektionen av paralyserade muterade stammar av nematodmaskar har lett till en förståelse av de gener som kontrollerar normala rörelser. Den övergripande bilden av en viss process kan sammanställas genom att alla dessa genetiskt kontrollerade komponenter sätts i samband med varandra.

Vi har sett att den molekylära gentekniken har öppnat nya möjligheter inom den tillämpade biotekniken, men samma tekniker är lika användbara inom grundforskningen.Forskare har manipulerat gener i jäst för att framställa helt konstgjorda, funktionella kromosomer som kan bära enorma mängder extra DNA för specifika experimentella ändamål. Nyligen har man till och med tillverkat konstgjorda mänskliga kromosomer, som kan föras in i däggdjursceller, både mänskliga och andra. Förmågan att isolera en gen i ett provrör, ändra dess struktur på specifika sätt och sedan återinföra den i organismen har gett den vassaste skalpellen för genetisk dissektion.

En annan framgångsrik teknik är användningen av specifika gener som markörer.På samma sätt som man kan använda färgglada etiketter för att markera djur eller växter i en biologisk studie, använder genetiker vissa lätt påvisbara former av gener för att hålla reda på strukturer – kromosomer, celler eller individer. Denna teknik har tillämpats inom alla biologiska discipliner, från rättsmedicin till cellbiologi, evolution och ekologi. Till exempel isoleras nu gener för mänskliga sjukdomar på grund av deras kromosomala närhet till orelaterade markörsekvenser (tekniken för positionell kloning). Med förmågan att flytta gener från organism till organism har genetiker ersatt inhemska gener med ”reportergener”, vars funktioner är lättare att upptäcka och studera experimentellt. (En reportergen är en typ av markörgen som markerar funktion snarare än struktur.) Luciferasgenen från eldflugor har använts på detta sätt; genen kan infogas i djur- eller växtkromosomer på ett sådant sätt att den får cellerna att lysa i de utvecklingsstadier där den ursprungliga genen på den aktuella platsen var aktiv. En gen för grönt fluorescerande protein från maneter används också som reporter. Mikrofoner med denna gen lyser grönt vid UV-strålning (figur 1-10). Sammantaget har gentekniken revolutionerat de biologiska vetenskaperna, och ingen biolog har idag råd att vara okunnig om detta kraftfulla analysverktyg.

Figur 1-10

Transgena möss som innehåller gelggenen för grönt fluorescerande proteininsatt i sina kromosomer. (KYODO News International/AP.)

Den kanske största biologiska framgångshistorien är att man har lyckats klarlägga exakt hur generna gör sitt jobb, med andra ord, hur information blir form. Det är en fascinerande historia som har utvecklats med otrolig snabbhet. I dag är den genetiska informationens kodning och flöde i cellerna grunden för det moderna biologiska tänkandet och den baslinje från vilken experimentella undersökningar utgår. Det är värt att sammanfatta höjdpunkterna i hur genetisk information flödar eller,motsvarande, hur gener agerar – vilket har kallats biologins nya paradigm.Figur 1-11 visar schematiskt de väsentliga delarna av genernas agerande i en generaliserad cell hos en eukaryot. Eukaryoter är de organismer vars celler har en membranbunden kärna. Djur, växter och svampar är alla eukaryoter. Inuti kärnan finns en rad kromosomer, och utanför kärnan finns en komplex rad av membranstrukturer, inklusive det endoplasmatiska retikulumet och Golgiapparaten, och organeller som mitokondrier och kloroplaster.

Figur 1-11

En förenklad bild av genverkan i en eukaryotisk cell. Det grundläggande flödet av genetisk information går från DNA till RNA till protein. Fyra typer av gener visas. Gen 1 reagerar på externa reglerande signaler och tillverkar ett protein för export; gen 2 reagerar på (mer…)

Inuti den eukaryotiska kärnan syntetiserar vissa proteinkodande gener sin proteinprodukt mer eller mindre konstant, men andra måste slås på och stängas av för att passa cellens eller organismens behov. Signalen för att aktivera en gen kan komma från utsidan av cellen, till exempel från ett ämne som ett steroidhormon. Signalen kan också komma inifrån cellen, till exempel från en särskild reglerande gen vars uppgift är att sätta på och stänga av andra gener.De reglerande ämnena binder till en särskild region i genen och startar syntesen av transkriptioner av genens DNA. I den proteinkodande delen av en eukaryotisk gen finns det segment som inte är avsedda att translateras till protein. Dessa icke-kodande delar av genen kallas introner och skärs bort från det ursprungliga transkriptet. Den återstående RNA-sekvensen utgör messenger RNA. MRNA-molekylerna passerar ut genom kärnans porer till cytoplasman, där cytoplasmatiska organeller som kallasribosomer binder till mRNA och översätter informationen i demRNA-sekvensen till protein. Det mRNA passerar genom ribosomerna, som katalyserar sammansättningen av polypeptiden, den sträng av aminosyror som kommer att utgöra proteinets primära struktur. Varje aminosyra förs till ribosomen av en specifik transfer-RNA-molekyl (tRNA) som dockar till en specifik kodningsenhet i mRNA. TRNA:erna syntetiseras från särskilda tRNA-gener. Inga tRNA:er översätts någonsin till protein; de återvinns ständigt och levererar sin specifika aminosyra till ribosomerna. Själva ribosomen består av en komplex uppsättning proteiner och flera typer av RNA som kallas ribosomalt RNA (rRNA). Generna för rRNA finns i ett särskilt kromosomalt område som kallas den nukleolära organisatören. Liksom tRNA översätts rRNA aldrig till ett protein.

MEDDELANDE

Proteinkodande gener fungerar via två steg av informationsöverföring:

Varje proteinkodande gen kodar för ett separat protein, med specifika funktioner antingen inom cellen (till exempel det fyrkantiga proteinet i figur 1-11) eller för export till andra delar av organismen (det cirkulära proteinet). Syntesen av proteiner för export (sekretoriska proteiner) sker påribosomer som finns på ytan av det grova endoplasmatiska retikulumet, ett system av stora tillplattade vesiklar. De färdiga aminosyrakedjorna förs in i det endoplasmatiska retikulumets lumen, där de spontant viks ihop och får sin proteinform. Proteinerna kan modifieras i detta skede, men passerar så småningom in i Golgiapparatens kamrar och vidare till sekretoriska kärl som smälter samman med cellmembranet och släpper ut sitt innehåll till utsidan.

Proteiner som är avsedda att fungera i cytosolen, och de flesta av de proteiner som fungerar i mitokondrier och kloroplaster, syntetiseras i cytosolen på ribosomer som inte är bundna till membranen. Till exempel följer proteiner som fungerar som enzymer i glykolysen denna väg. Proteinsyntesen sker genom samma mekanism med hjälp av samma typer av tRNA:er. Det färdiga proteinet lossnar från ribosomen och vecklar sig till sin rätta form i cytosolen. De proteiner som är avsedda för organeller är speciellt märkta så att de kan införas i organellen. Dessutom har mitokondrier och kloroplaster sina egna små cirkulära DNA-molekyler. Syntesen av proteiner som kodas av gener på mitokondriernas eller kloroplasternas DNA sker på ribosomer i själva organellerna. Proteinerna i mitokondrier och kloroplaster har därför två olika ursprung, antingen är de kärnkodade och importerade till organellen eller organellkodade och syntetiserade inom organellkompartmentet.

Prokaryoter är organismer, t.ex. bakterier, vars celler har en enklare struktur; det finns ingen kärna eller andra membranbundna strukturer inom dessa celler. Proteinsyntesen hos prokaryoter liknar i allmänhet den hos eukaryoter med hjälp av mRNA, tRNA och ribosomer, men det finns några viktiga skillnader. Till exempel har prokaryoter inga introner.