mini|500px|Prostorna struktura DNK mini|desno|250px|U dvostrukoj zavojnici molekule DNK zapisana je genetička informacija za kontrolu svih elemenata građe i funkcija ogromne većine živih bića. Lokacija i hijerarhija organizacije i strukture genetičkog materijala|mini right|mini|Panetova (Punnett) križaljka ilustrira rezultate ukrštanja dvije sorte graška – heterozigotne za ljubičastu (B) i bijelu (b) boju cvjeta.
Genetika (starogrčki: γενετικός – genetičko, γένεσις = porijeklo) biološka je nauka o genima i promjenljivosti živih bića kroz prostor i vrijeme, o nasljednim osnovama života i njegovog biodiverziteta – od prvih reproducibilnih molekula – do savremenih i budućih oblika života.Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2002): Molecular Biology of the Cell. Garland Science New York.Hartl D., Jones E. (2005). Genetics: Analysis of Genes and Genomes. Jones & Bartlett Publishing, Burlington, MA, USA.Lodish H., Berk A., Zipursky L. S., Matsudaira P., Baltimore D., Darnell J. (2000). Molecular Cell Biology. Scientific American Books New York.Pierce B. A. (2013) Genetics: A Conceptual Approach, Fifth Edition, W.H. Freeman and Company, New York.Brown T A (2011) Introduction to Genetics: A Molecular Approach, 1st edition, Garland Science - Taylor & Francis, New York.Hartwell L., Silver L. M., Leroy Hood, Michael Goldberg, Ann Reynolds, Ruth Veres (2010) Genetics: From Genes to Genomes, 4th edition, McGraw-Hill Science/Engineering/Math, New York, USA.Allison L. A. (2007) Fundamental Molecular Biology, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA.Primrose S. B., Twyman R. M. (2006) Principles of Gene Manipulation and Genomics, 7th edition, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA.Brooker R. J. (2014) Genetics: Analysis and Principles, 5th edition McGraw-Hill Higher Education, New York, USA. Osnivač savremene genetike je austrijski botaničar, matematičar i biolog Gregor Mendel (1822-84).
Gregor Mendel je krajem 19. stoljeća istraživao osobinu nasljedstva, tj. obrasce na koji se način osobine roditelja javljaju kod potomstva. Primijetio je da organizmi (biljke graška) naslijeđuju osobine putem diskretnih jedinica nasljeđivanja ili nasljednih faktora. Ovaj termin se i danas koristi, iako je nejasna definicija onoga što se naziva gen.
Nasljedive fenotipske osobine i molekularni mehanizmi nasljeđivanja gena su i dalje u fokusu genetike 21. stoljeća, ali je moderna genetika proširena i na proučavanje funkcije i ponašanja gena. Struktura, funkcija, varijacija i distribucija gena se proučava u svjetlu ćelijske biologije, molekularne razine i u kontekstu genetike populacija. Višestran i interdisciplinaran razvoj genetike je doveo do pojave niza grana, o kojima se u početnim fazama razvoja klasične genetike nije moglo ni naslućivati. Jedna od njih je i epigenetika, koja je definirana još polovinom 20. stoljeća, ali (čini se zbog nevjerice) svoj procvat doživljava tek početkom 21. Uključivanjem molekulskih genetičkih markera novu ekspanziju ostvaruje i populacijska genetika posebno u razvoju mjera genetičke udaljenosti. U ova i ostala istraživanja uključuju se organizmi svih oblika života, od bakterija, preko gljiva i biljaka do životinja i čovjeka.
Genetičke pojave i procesi se proučavaju u kombinaciji s faktorima životnog okruženja i iskustva, koji značajno utiču na razvoj i ponašanje organizma. Intra- ili ekstra-ćelijsko okruženje organizma može uticati i na transkripciju, uključivanje i isključivanje određenih gena, odnosno vrijeme njihove funkcije tokom ontogeneze. Klasičan primjer je dvije sjemenke genetički identičnih kukuruza, kada se jedna biljka uzgaja u umjerenoj klimi, a druga u sušnoj. Iako prosječna visina stabljike ova dva kukuruza može biti genetički određena da budu jednaki, onaj u sušnoj klimi raste samo na pola visine onog u umjerenoj klimi, zbog nedostatka vode i hranjivih tvari u svom okruženju. Slično se dešava i s kloniranim biljkama koje rastu u tako različitim uvjetima ili čak različitim nadmorskim visinama.
Nedavno, 19. marta 2015, genetičari su pozvali na zabranu širom svijeta nekih istraživačkih metoda, posebno tzv. Crispr-Cas9 i cinkov prst postupaka, koji se koriste za promjene ljudskog genoma, jer u takvim postupcima mogu nastati nasljedne promjene. Tako je razvoj genetike dospio u fazu kada njen napredak treba da usmjeravaju i zakonska i etička načela.
Historija genetike
Rezultati Mendelovih istraživanja su onovremenoj naučnoj javnosti ostali nepoznati sve do 1900, kada su ih "ponovo otkrili" ugledni genetičari onoga doba: Carl Correns, Erich von Tschermak i Hugo de Vries i označili kao Mendelova pravila. Po tome je i početna faza razvoja genetike označena kao mendelizam. To ponovno otkriće označava početak burne akceleracije razvoja ove biološke nauke.Mendel G. (1866): Versuche über Pflanzen–Hybriden. Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brün, Bd. IV, für den Jahr 1865, Abhandlungen, 3-47, Bürn. In: Křizenský J., Němec B. (1965): Fundamenta genetica. Publishing house of the Czechoslovak Academy of Science, Prague, Moravian Museum, Brno.
Hronologija najznačajnijih otkrića i događaja 1859 – Charles Darwin objavljuje Porijeklo vrsta putem prirodnog odabiranja 1865 – Gregor Mendel objavljuje Eksperimenti u hibridizaciji biljaka 1900 – Ponovo otkriće Mendelovog rada i afirmacija značenja njegovih rezultata (Tschermak, Korens i De Vries) 1903 – Otkriće hromosoma 1905 – Britanski biolog William Bateson prvi put upotrebljuje pojam genetika 1910 – Thomas Hunt Morgan potvrđuje lokaciju gena na hromosomima 1913 – Alfred Sturtevant pravi prvu gensku (genetičku) mapu hromosoma 1918 – Ronald A. Fisher objavljuje rad pod nazivom Korelacija između pripadnika iste familije na osnovu Mendelovskog nasljeđivanja 1913 – Genske mape pokazuju linearni raspored gena na hromosomima 1927 – Fizičke promjene u genima se zovu mutacije 1928 – Frederick Griffit otkriva nasljednu molekulu koja se prenosi sa bakterije na bakteriju 1931 – Crossing ower je posljedica rekombinacije 1941 – Edward Lawrie Tatum i George Wells Beadle potvrđuju da geni nose kodove za sintezu preoteina 1944 – Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarty prvi izoliraju molekule DNK 1950 – Erwin Chargraff pokazuje da generalni zakoni stabiliziraju brojni odnos purinskih i pirimidinskih nukleotida (adenina je skoro uvijek jednak broju timina, a citozina broju guanina) 1952 – Alfred D. Hershey i Martha Chase Hershey-Chase metodom eksperimentalno potvrđuju da se genetička informacija bakteriofaga nalazu u molekulu DNK. 1953 – James Devey Watson i Francis H. C. Crick dokazuju dvojno-spiralnu strukturu DNK 1956 – Joe Hin Tjio i Albert Levan dokazuju da ljudi u somatskim (ćelijama imaju 46 hromosoma 1958 – Matthew Meselson i Franklin Stahl eksperimentalno demonstriraju semikonzervativnu replikacij DNK 1961 – Genetički kod se sastoji od tripleta; svaki kod ima po tri jedinice ("slova"), a svaka od njih kodira samo po jednu aminokiselinu. Više kodova može imati isti smisao - kodiranje iste aminokiseline 1964 – Howard M. Temin na RNK virusima demonstrira da Watsonova centralna dogma nije uvažila činjenicu da se virusa genetička informacija može dolaziti i u RNK molekuli, a ne samo u DNK. 1970 – Otkriveni restrikcijski enzimi, u studijama na bakteriji Haemophilius influenzae. Oni su omogućili isijecanje ciljanih segmenata DNK i njihovo intraspecijsko i transspecijsko inkorporiranje druge dijelove ili molekule. 1977 – Frederick Sanger svojom originalnom metodom utvrđuje DNK sekvencu bakteriofaga E. coli poznatog pod nazivom Ø X174 (koji sadrži 5 375 nukleotida). Nezavisno od njega, po istom principu, Walter Gilbert i Alan Maxam razvili su svoj metod hemijske degradacije (Chemical degradation method - Maksam-Gilbertova metoda). 1983 – Kary Banks Mullis otkriva polimerizovanu lančanu reakciju (PCR) koja omogućava jednostavnu amplifikaciju DNK molekula 1989 – Utvrđena sekvenca prvog ljudskog gena Francisa Collinsa i Lap-Chi-Cuija; gen kodira CFTR protein, koji uzrokuje cističu fibrozu 1995 – Utvrđena sekvenca genoma Haemophilus influenza, što je bio prvi uspjeh u sekvenciranju cjelokupnog genoma nekog živog organizma 1996 – Sekvenciran genom Saccharomyces cerevisiae - prvog eukariotskog genoma koji je sekvenciran 1998 – Sekvenciran prvi multicelularni eukariotski genom 2001 – Objavljena prva verzija sekvence ljudskog genoma 2003 (14. april) – Uspješno okončan "Human Genom Project" (Projekat Ljudski Genom); sekvencirano 99% ukupnog genoma, uz grešku od 0,01%.
IzvoriAlberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2002):Molecular biology of the cell, 4th Edition Garland Science, New York, .Hartl D., Jones E. (2005): Genetics: Analysis of genes and genomes, 6th Edition, Jones & Bartlett, New York, Lodish H. et al.(2000): Molecular cell biology, 4th Edition. Scientific American Books, New York, .
Klasična genetika Klasična genetika (formalna genetika) oblast je genetike koja proučava pojave i modele nasljeđivanja individualnih svojstava, na osnovu eksperimentalne ili posmatrane distribucije fenotipova u potomstvu mogućih roditeljskih parova. Istražuje tokove gena kroz sukcesivne generacije živih bića i citogenetičke osnove njihove međugeneracijske distribucije.Lawrence E. (1999): Henderson's Dictionary of biological terms. Longman Group Ltd., London, .
Iako je formalna (klasična) genetika najstarija oblast nauke o biološkom nasljeđivanju, njeni rezultati imaju fundamentalno mjesto i u modernoj genetici. Značajni rezultati istraživanja u ovoj oblasti su postignuti i prije Mendelovih eksperimenata i imenovanja gena i genetike.
Mendelovi zakoni
mini|desno|Gregor Mendel Ove zakone je formulirao 1865. godine Gregor Mendel, a tiču se raspodjele gena i osobina u tri sukcesivne generacije monohibridnog i dihibridnog ukrštanja različitih sorti baštenskog graška (). Roditeljska generacija je označena s P (parentalna), a dvije potomačke s F–1 (prva filijalna) i F–2 (druga filijalna).
Izvorna su tri Mendelova zakona: Zakon uniformnosti prve filijalne generacije, Zakon segregacije gena u drugoj filijalnoj generaciji, i Zakon nezavisnog kombiniranja gena.
Molekulska genetika Iako se za znalo da se geni nalaze na hromosomima i da se hromosomi sastoje od proteina i DNK, dugo se nije znalo koja je od ovih supstanci odgovorna za nasljeđivanje. Godine 1928, Frederick Griffith je otkrio fenomen transformacije, uočivši da su mrtve bakterije mogle prenijeti genetički materijal na transformirane druge žive bakterije Diplococcus pneumoniae. Šesnaest godina kasnije, 1944. godine, Avery, MacLeod i McCarty su identificirali DNK kao molekulu koja je odgovorna za takvu transformaciju. U Hershey-Chasevom eksperimentu, 1952. godine potvrđeno je da je DNK (umjesto proteina) genetički materijal virusa koji inficiraju bakterije. Također je potvrđeno da je DNK molekula odgovorna za prenošenje genetičke informacije.
Hemijsku strukturu i molekulsku konfiguraciju DNK su odredili James Watson i Francis Crick, 1953. Polazište im je bio kristalografski rad sa X-zračenjem Rosalind Franklin i Mauricea Wilkinsa koji je indicirao da DNK ima helikoidnu, tj. dvostruko spiralnu strukturu. Njihov model dvostrukog heliksa je imao dva lanca nukleotida s međusobnim vezama između komplementarnih nukleotida, koji se spiralno uvrću.WatsonJ. D., Crick F. (1953): Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature, 171: 964–967. Ova struktura je sugerirala da se genetička informacija nalazi u sekvencama nukleotida na svakom lancu nukleotida, tj. polulancu DNK. Ona je predviđala i jednostavan način replikacije ovih makromolekula: kada se polulanci odvoje, svaki od njih, od slobodnih nukleotida u citoplazmi, rekonstruira komplementarni polulanac. Ova pojava je označena kao semikonzervativna priroda procesa u kojem jedan od potomačkih polulanaca DNK potiče od originalnog roditeljskog.