INLEIDING:

Die lesing beoog om ‘n oorsig te gee van enkele van die nuutste ontwikkelinge in Genetika en om op grond daarvan te probeer om ‘n paar antwoorde te verskaf op enkele van die vrae oor Genetika waarmee ons dikwels  gekonfronteer word. Dit sluit vrae in oor evolusie, die menslike genoom en wat dit ons vertel oor die mens se verwantskap met die res van die biologiese wêreld. Daar is ook vrae oor die vordering wat gemaak is met die studie van genetiese siektes, klonering, embrionale stamselnavorsing en die rol van die omgewing in die uitdrukking en beheer van gene.

Sentraal in hierdie onderwerp staan nog steeds die “Sentrale dogma van die Molekulêre Biologie” wat reeds 50 jaar gelede deur Francis Crick geformuleer is as: “ Genetiese inligting vloei van DNA na RNA na proteïen”.  Soos nou reeds algemeen bekend, bestaan DNA uit ‘n heliks van twee komplementere DNA kettings waarin vier verskillende nukleotiedbasispare mekaar afwissel om strukture van baie miljoene basispare in lengte te vorm. Dit is die volgorde van hierdie nukleotiedbasispare waardeur  die volgorde van die aminosuurkettings in ‘n  proteïen voorgeskryf word.

Elke spesifieke volgorde van drie basispare spesifiseer die inkorporasie van een aminosuur in die aminosuurketting van ‘n proteïen.  Die totale som van alle erflike inligting wat in die DNA molekules in die kern van ‘n sel opgesluit lê, staan bekend as die genoom van ‘n sel of die ooreenstemmende organisme. By eukariote organismes soos plante en diere is die DNA verpak in die vorm van die chromosome wat voorkom in die kern van ‘n sel.  Gene daarteenoor is slegs daardie klein,  diskrete gedeeltes van die totale DNA genoom wat die genetiese inligting bevat vir die sintese van die RNA of proteïenprodukte wat deur die sel of organisme benodig word.  In baie genome maak dit slegs 1-2% van die totale DNA volgorde uit.

Die inligting wat in die gene opgesluit lê, word op streng gereguleerde wyse oorgeskryf  (getranskribeer) in ‘n RNA-vorm en daarna vertaal in die vorm van die aminosuurvolgorde van proteïene. Proteïene bepaal in hoofsaak die kenmerke van ‘n sel en by multisellulêre organismes, die eienskappe van die betrokke organisme. Die studie van die komponente, die beheer en  gebruike van hierdie genetiese informasiestroom is die bron van baie van die belangrikste ontdekkings wat in Genetika gemaak is. Die inligting wat daaruit voortvloei, lewer nog steeds baie verassings op. Enkele daarvan sal bespreek word.

 

GENOOM KARAKTERISERING:

‘n Volledige “genoomprojek” behels dat die volledige DNA-volgorde van al die genetiese materiaal van ‘n enkelsel of multisellulêre organisme bepaal word.  Die grootste en duurste van hierdie projekte was die menslike genoomprojek wat in 1990 van stapel  gestuur is en teen 2003 afgehandel was.  Dit het soveel as 2.7 biljoen dollars gekos om die 3.2 biljoen basispare van die menslike DNA te bepaal. Slegs ‘n baie klein persentasie van die inligting word gebruik om proteïene te vervaardig. Die res het ander funksies of staan bekend as sogenaamde “junk DNA”.

Die DNA-volgordebepalingstegnologie het inmiddels geweldig verbeter en goedkoper geword.  Vandag is meer as 600 prokariote genoomprojekte reeds voltooi asook meer as 65 eukariote genoomprojekte, insluitende die muisgenoom, die vrugtevlieggenoom, die sjimpansee genoom, die rysgenoom en baie meer. Meer as 2,000 nuwe genoomprojekte is in die pyplyn.

Die dataontploffing wat besig is om plaas te vind, gee vir die eerste keer ‘n volledige blik op hoeveel die menslike genoom van dié van ander spesies  verskil soos die sjimpansee, die muis en baie ander. Die mens en sjimpansee genoom het soveel as 95% ooreenkoms en ook die  chromosomale organisasie van die ooreenstemmende volgordes stem baie treffend ooreen. Die mens en die muisgenoom daarteenoor het ongeveer 34% direkte ooreenkoms maar in die geval is die stukke DNA met direkte volgorde ooreenkoms tot ‘n groot mate verdeel oor verskillende chromosome en is daar opvallende verskille in chromosomale  organisasie.

Die menslike genoomprojek het verder ook die verassing opgelewer dat die mens aansienlik minder gene het as wat aanvanklik vermoed was.  Die mens het nie veel meer as  20,500 gene nie. Dit is minder as die muis se 29,000 gene en nie veel meer as die 19,500 gene van die baie eenvoudige platwurm (C. Elegans).   As ons die mens as meer “kompleks” as ‘n wurm of ‘n muis sou wil beskou, is dit wel duidelik dat die  “kompleksiteit” van multisellulere organismes nie bepaal deur die aantal gene nie maar wel deur die manier waarop die gene beheer en uitgedruk word.

Die studie van geenbeheer het vandag baie belangrik geword en groot vorderings is op die gebied gemaak. Inligting oor ander genome soos die mitochondriale DNA genoom in die sitoplasma van die sel, het inmiddels ook baie goeie insig gebring oor biologiese verwantskappe en vrae aangespreek oor aspekte soos die migrasie van die mens uit Afrika en die  genetiese verwantskappe tussen individue, spesies en families van verskillende organismes.  Die hele veld van filogenetiese verwantskappe is vandag baie belangrik en word wyd toegepas in epidemiologiese studies van plant- en diere-siekteveroorsakende  organismes, asook in die versameling van kennis oor en bewaring van die genetiese diversiteit in die natuur.

Genoom-analises het ook ‘n baie wye reeks toepassings gevind in die forensiese wetenskappe waar die rol van DNA in misdaadondersoeke en ouerskapbepalings al amper huishoudelike woorde geword het. Die groot gemak waarmee gene vandag geïsoleer, gekloneer, en gekarakteriseer kan word, het ‘n hele omwenteling op gebied van die diagnostiek van genetiese siektes meegebring. Die voorgeboortelike identifikasie van genetiese siektes,  soos Huntington se siekte wat eers later in ‘n lewensiklus tot uitdruking kom,  is ‘n goeie voorbeeld.

 

GEEN-MANIPULERING:

Die groot vordering wat gemaak is met die genetiese manipulering van embrionale stamselle skep op sy beurt ook weer ander etiese en wetenskaplike uitdagings waarvoor ons almal te staan kan kom. Die aanvanklike skok dat diere gekloneer kan word, het al weer vervaag maar diere van byna alle huishoudelike en ander ekonomiese belang soos beeste, skape, honde en katte is reeds suksesvol gekloneer uit volwasse weefsel.  Transgeniese diere (veral muise) wat op die embrionale stadium gemanipuleer is om vreemde gene uit te druk, of waarvan belangrike gene geïnaktiveer is,  is vandag algemene wetenskaplike hulpmiddels.  Geneties gemodifiseerde plante met verbeterde eienskappe soos siektebestandheid is vandag algemeen.

Die ontwikkeling van metodes om embrionale stamselle te isloeer,  te kweek  en daarna deur middel van spesifieke behandeling te laat differensieer in verskillende tipe selle, soos bloedselle of neurologiese stamselle, het ook ‘n reeks nuwe uitdadings op die tafel geplaas. Dit het aanleiding gegee tot ‘n hele veld van navorsing waarin gekyk word of dit moontlik is om defekte hart-, brein- of bloedselle te vervang deur terapeutiese behandeling met ‘n nuwe generasie weefsel-spesifieke stamselle. Neurologiese siektes soos Parkinson se siekte, Alzheimers en andere is veral ter sprake.

Al hierdie ontwikkelinge is egter nog in ‘n baie vroeë stadium van ontwikkeling en slegs enkele kleindiere proewe is ter sprake.  Daar is ook ‘n toenemende belangstelling is die rol wat kankerstamselle kan speel in die vermeerdering van die selle van ‘n kankergewas.  Hierdie kennis kan veral ‘n belangrike impak hê op die manier waarop sulke gewasse behandel behoort te word. Die isolasie, kweek en gebruik van menslike embrionale stamselle is en bly nog steeds kontroversioneel en gee dikwels aanleiding tot soms heftige  debatte.

 

GEENFUNKSIE EN BEHEER: 

Vrae wat hier tersprake is, is hoe kan ons die funksie van die verskillende gene kan bepaal? Hoe kan ons vasstel watter van die verskillende gene uitgedruk word en watter nie?  Wat is die invloed van die omgewing op die uitdrukking van gene?

Van die belangrikste metodes om geenfunksie te bepaal, is die sogenaamde “knock-out” strategie waarin ‘n enkele geen of ‘n kombinasie van ‘n aantal gene van ‘n organisme geïnaktiveer word om te bepaal wat die invloed is op die ontwikkeling van en fenotipiese eienskappe van die hele organisme. Die gebruik van sogenaamde “knock-out” muise is veral belangrik in dié verband. In sulke muise word ‘n teikengeen in die muisembrio geïnaktiveer en die effek daarvan bestudeer in volwasse muise. Die benadering word vandag aangevul of vervang deur ‘n “RNA interference” (RNAi) benadering waarin die mRNA van die teikengeen afgebreek word of die vertaling daarvan verhinder word.  Die benadering het ‘n groot impak op farmaseutiese en ander siekte-verwante navorsing. Die invloed van omgewingsfaktore op die manier waarop gene uitgedruk word (die epigenetika), is vandag ook ‘n florerende navorsingsveld met baie groot implikasies vir kanker en ander siektes. Die epigenetiese modifikasies behels dikwels iets soos die direkte chemiese modifikasie van DNA of die DNA verpakkingsproteïene en kan tot gevolg hê dat gene aan – of afgeskakel kan word. Die maniere om die aan- of afskakeling van gene te bepaal is vandag ook ‘n hoogs gespesialiseerde bedryf. In die “micro-arrayer” tegnologie word DNA-skyfies gebruik waarop kort DNA-fragmente van soveel as 1000 verskillende gene geïmobiliseer kan word. Die skyfies word gehibridiseer met kleur-gemerkte boodskapper-RNA om vas te stel watter van die 1000 gene uitgedruk word en watter nie.  Die tegnologie het groot diagnostiese potensiaal. Dit kan gebruik word om vas te stel hoe kankerselle verskil van normale selle en dit kan gebruik word om behandeling voor te skryf in sekere gevalle.

 

DIE BELANG VAN RNA IN GENTIKA:

RNA is baie soos DNA, behalwe dat een van die suikergroepe verskil en een van die nukleotiede verskil van die van DNA. Dit is normaalweg in ‘n enkledraad vorm.  Dit is die enkeldraad eienskap wat aan elke RNA molekuul ‘n unieke struktuur verleen omdat die RNA drade op hulle self terugvou vir maksimum stabiliteit en basispaarvorming.  Hierdie struktuur verskaf aan die RNA ‘n reeks unieke eienskappe. So is dit byvoorbeeld vasgestel dat RNA ander RNA molekules kan opsny en in ander volgordes weer aanmekaar las en op die manier nuwe genetiese variasie kan skep. RNA is ook instaat om homself te vermeerder sonder die hulp van proteïene en kan homself dus kloneer.  Ribosomale RNA besit verder die ensiematiese vermoë om die nuleotiedvolgorde van ‘n RNA ketting te vertaal in die aminosuurketting van ‘n proteïen.  Ook het RNA ‘n baie belangrike rol in die beheer van geenuitdrukking.  RNA kan dus beide die rol van sowel DNA as stoor van genetiese inligting én die rol van proteïene as ensieme speel.  Al hierdie gegewens het Walter Gilbert reeds in 1986 aangespoor om voor te stel dat die wêreld van lewende selle (soveel as 3.5 biljoen jaar gelede) vooraf gegaan is deur ‘n RNA wêreld van miskien 0.5 biljoen jaar waar RNA die rol van DNA en proteïene gespeel het.  Uit die RNA wêreld het die lewende selle ontwikkel.

 

SAMEVATTING:

Ons weet vandag ‘n klein bietjie meer van ‘n veel groter geheel.   Daar is nog geweldig baie om te ontdek maar ons moet nooit oorskat wat ons wel weet of wat ons wel kan doen nie