Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

73

Imetajatel toimub viljastumine (ingl. fertilization) munajuha ampullis (ingl. oviduct). Sperm seondub munaraku rebukestaga, mida nimetatakse valkjaskestaks e. zona pel-lucida. Viimasel on mitmeid põhifunktsioone, näiteks:

1) sisaldab mitmesuguseid glükoproteiine, mis seostavad spermi munarakuga;2) eristab sama liigi sperme võõra liigi spermidest.

Pärast spermi seondumist vabanevad spermi akrosomaalvesiikuli ensüümid, mis võimal-davad spermil tungida läbi munaraku zona pellucida, et spermi ja munaraku membraanid ühineksid. Kohe pärast membraanide ühinemist vabastavad munaraku membraani sise-pinnal paiknevad kortikaalsed graanulid rea ensüüme ja erinevaid valke ja suhkruid, mis muudavad zona pellucida selliseks, et uus sperm pole enam võimeline munarakku tungima.

Meeldejätmiseks• Prokarüootne rakk jaguneb pooldumisel, eukarüootne rakk mitoosi ja tsütokineesi teel.• Eukarüootses rakus toimub rakutsüklis enne mitoosi interfaasi sünteesifaasis (S-faas) DNA duplitseeru-

mine (kahekordistumine).• Mitoosi alguses toimub profaasis duplitseerunud kromosoomide kondenseerumine e. spiraliseerumine

pulgakujulisteks kehakesteks.• Mitoosi metafaasis liiguvad kromosoomid raku ekvatoriaalplaadile.• Mitoosi anafaasis lahknevad tütarkromatiidid.• Mitoosil moodustuvad tütarrakud on geneetiliselt identsed (sisaldavad samu kromosoome).• Meioosil moodustub eukarüootide diploidsest ürgsugurakust neli haploidset sugurakku protsessis, mis

sisaldab meioosi eel ühte DNA (kromosoomide) duplitseerumist ja kahte rakkude jagunemist.• Meioosi esimesel jagunemisel paarduvad (moodustavad sünapsi) homoloogsed kromosoomid, nende

tütarkromatiidid vahetavad ristsiirdel osi (krossingover) ning homoloogsed kromosoomid lahknevad poolustele, kusjuures iga lahknemine ei sõltu teiste homoloogsete kromosoomipaaride lahknemisest.

• Meioosi teisel jagunemisel lahknevad tütarkromatiidid.• Paljudel kõrgematel organismidel arenevad meioosiproduktidest välja gameedid.• Taimedel jagunevad meioosiproduktid edasi mitootiliselt, moodustades haploidse gametofüüdi.• Taimede elutsüklis vaheldub haploidne gametofüüdistaadium diploidse sporofüüdi staadiumiga.• Inimese oogenees algab varases embrüonaalses arengus ja jätkub tsükliliselt alates puberteedieast.• Inimese spermatogenees algab puberteedieas ja toimub edaspidi pidevalt kõrge vanaduseni.• Inimesel viljastab munaraku üldjuhul vaid üks sperm.

2. GENEETIKA MUDELORGANISMID

Geneetilistes katsetes peame tegema ristamisi, jälgima selgepiiriliste (eelistatavalt) tunnuste pärandumist ja analüüsima suurt hulka järglaskonda (geneetiline analüüs).

74

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

Ristamiste eelduseks on, et oleksid (ka alamatel organismidel) sugulise sigimise meh-hanismid. Eksperimentaalsete katsete tarvis peab olema võimalik kasvatada uuritavaid organisme selgelt defi neeritavates laboratoorsetes kasvutingimustes ning oodatavalt peab see tegevus olema odav. Lisaks on elusorganismid sageli uskumatult keerulised, mistõtt u geneetika arengus on geneetiliste katsete tegemisel välja kujunenud vaid vähesed lemmik-organismid e. mudelorganismid (ingl. model organisms).

2.1. Bakterid2.1.1. Escherichia coli Kuni 1940. aastani uuriti mitmesuguseid bakteriliike eelkõige meditsiinilisel ees-märgil. Bakterite geneetiline analüüs sai võimalikuks tänu bakterite laboratoorsete kasvatusmeetodite täiustamisele, mistõtt u sai eraldada ja eristada mutante. Sama tähtis oli bakterigeneetikas suguliste protsesside avastamine. Uurijate lemmikuks sai soolekepike (Escherichia coli), mis sisaldab ühte rõngasjat kromosoomi ning lisaks kromosoomiväli-seid geneetilisi elemente e. plasmiide (ingl. plasmids). E. coli kasvab väga kiiresti, annab optimaalsetes kasvutingimustes järglaspõlvkonna 20 minutiga. Selle bakteri ühe labora-toorse tüve (K12) kromosoomne DNA on 1,4 mm pikkuse kontuuriga rõngasmolekul, mis koosneb 4,6 x 106 nukleotiidipaarist ning sisaldab 4288 valku kodeerivat geeni. Esimesel E. coli tüvel määrati täielik genoomijärjestus 1997. a. Järgnevalt teistel E. coli tüvedel määratud genoomijärjestused erinesid esimesest oluliselt nii genoomi suuruse kui ka geenide arvu poolest. Järelikult pole mitt e kõik E. coli tüved geneetiliselt identsed.

Paljud geneetika seaduspärasused selgitati E. coli viiruste uurimisel. Bakteri-viiruseid nimetatakse bakteriofaagideks (ingl. bacteriophages) e. faagideks. Kui bakterite suurus on tavaliselt 1 – 2 μm, siis viiruste diameeter on vaid ca 100 nm. Vii-rused koosnevad nukleiinhappest ja seda katvast valgulisest kestast e. kapsiidist (ingl. capsid). Viirused pole iseseisvalt, ilma peremeesrakuta võimelised paljunema. Viirus-test on geneetikute mudelorganismideks olnud kaksikahelalise DNA-ga (dsDNA) faag T4 (genoom 168 903 bp) ja faag lambda (genoom 215 104 bp) ning üksikahelalise DNA-ga (ssDNA) faag ΦX174 (genoom 5386 b) ja fi lamentne faag MS2 (3 569 b). Vii-ruste eeliseks geneetilisel analüüsil on nende suhteliselt lihtne geneetiline ehitus ja võime anda tohutult arvukat järglaskonda.

2.2. Seened2.2.1. Saccharomyces cerevisiaeÜherakuliste eukarüootide geneetika mudelorganismiks on pagaripärm (Saccharomyces cerevisiae). Sellel organismil on tervelt 16 kromosoomi (n = 16). Pagaripärm oli esimene eukarüoot, mis 1996. a. sekveneeriti. Pärmi genoom koosneb 12 x 106 nukleotiidipaarist ja sisaldab 6268 geeni. Ta paljuneb nii suguliselt kui ka suguta (jn. 2.11). Haploidsete rak-kude suguta paljunemine toimub pungumise teel (mitoos), diploidsed rakud jagunevad nii mitootiliselt kui ka meiootiliselt. Sugulisel sigimisel erinevat paardumistüüpi (a ja α) (ingl. mating types) rakud ühinevad ning tekivad diploidsed rakud (n = 32). Rakkude näl-jutamisel lähevad diploidsed rakud meioosi ning moodustavad sporulatsioonil spoorid. Meioosil moodustuvad neli askospoori (ingl. ascospores) jäävad kokku askusesse e. eos-kott i (ingl. ascus) ning igaüks neist on võimeline andma iseseisva järglaskonna.

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

75

(n)

2n

Spo

rula

tsio

onN

eli a

skos

poor

i e.

kotte

ost (

1n=1

6)

Ask

ospo

orid

Vas

tasp

aard

umis

tüüb

iga

hapl

oids

ed (n

) rak

ud

Meioos

Mitte

sugu

line s

igim

ine

Hapl

oid

(1n=

16)

Rist

umin

e

Meio

os

Pun

gum

ine

(mitoos

)

a

a

Mitte

sugu

line s

igim

ine

Dipl

oid

(2n=

32)

Pun

gum

ine

(mitoos

)

a (n)

Rak

kude

ühin

emin

eTu

umad

eüh

inem

ine

2n Ask

us e

. eos

kott

Idan

emin

e

2n

Eba

sobi

vad

kesk

konn

a-tin

gim

used

Joon

is 2.1

1. Pa

garip

ärm

i Sac

char

omyc

es cer

evisi

ae (2

n =

32) e

lutsü

kkel.

Mitt

esug

ulin

e sig

imin

e toi

mub

hap

loid

sete

(1n=

16) r

akku

de p

ungu

mise

l ja d

iplo

idse

te ra

kkud

e (2

n=32

) mito

otili

sel ja

gune

mise

l. Rist

umise

l toi

mub

vasta

spaa

rdum

istüü

biga

hap

loid

sete

rakk

ude (

1n=1

6) ü

hine

min

e ja d

iplo

idse

(2n=

32) s

ügoo

di te

ke. D

iplo

idse

d ra

kud l

ähev

ad m

eioos

i, kui

nad j

ääva

d eba

sobi

vate

sse ti

ngim

uste

sse (t

oit, t

o jt.).

Meio

osijä

rgse

l spo

rulat

sioon

il moo

dustu

b ask

us e.

eosk

ott , m

illes

on ne

li hap

loid

set (

1n=1

6)

asko

spoo

ri e.

kott e

ost.

76

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

2.2.2. Neurospora crassaNeurospora crassa on lõhevärvi oranž leivahallitusseen hõimkonnast Ascomycota. Tal on 7 kromosoomi. Aastal 2003 sekveneeriti ta genoom täielikult (sisaldab ligi 43 x 106 alus-paari ja ligikaudu 10 000 geeni). Geneetika meelisobjektiks sai see organism seetõtt u, et tal on suguline sigimine (seeneniidistiku hüüfi des moodustuvad koniidid, mis moodus-tavad protoperiteetsiumis sugurakud). Ristamistüüpidest A ja a moodustuvad sugurakud ühinevad ning pärast meioosi jäävad meioosi produktid askusesse e. eoskotti kokku. Veelgi enam, askospoorid on askuses kindlas järjekorras (jn. 2.12). Askuses on 8 haploid-set askospoori, sest pärast meioosi toimub veel üks mitootiline jagunemine.

Hüüf

Koniidiumid

Protoperiteetsium

Paardumistüüp A Paardumistüüp a

Uus hüüf

Meioos I

Tuum ATuum a

Haploidsed (n)askospoorid

Meioos II

MitoosDiploidne (2n) sügoodi tuum

A ja a tüve haploidsete (n) sugurakkudeühinemine

8 haploidset (n=7) askospoori:4 paardumistüübist A,4 paardumistüübist a.

Sugurakkudeteke

Koniidid

Diploidsed (2n=14)rakk

Uus hüüf

Joonis 2.12. Leivahallitusseene Neurospora crassa (n = 7) elutsükkel. Koniidiumid moodustuvad hüüfide otstes, andes koniide, mis spetsiifi listes organites e. protoperiteetsiumides muutuvad sugurakkudeks. Proto-periteetsiumi haploidsete erinevat paardumistüüpi (A ja a) sugurakkude ühinemisel moodustub diploidne sügoot. Pärast sügoodi meioosi toimub üks mitoos, moodustub 8 askospoori (4 paardumistüübist A ja 4 paar-dumistüübist a) , mis jäävad järjestatult askusesse.

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

77

2.3. Selgrootud2.3.1. Drosophila melanogasterPutukate liike on miljoneid. Putukad on ilmselt maailmas kõige mitmekesisem loom-organismide grupp. Neist üks, äädikakärbes (Drosophila melanogaster) võeti geneetika meelisuurimisobjektiks juba enne baktereid ja seeni, 1909. a. Esimesed kosmosesse jõud-nud elusolendid olidki äädikakärbsed (e. puuviljakärbsed), kes lennutati USA raketiga 1947. a. 170 km kõrgusele ja toodi alla tagasi.

Äädikakärbse elutsükkel on suhteliselt lühike, ca 10 päeva 25oC juures. Kärbes on ca 2 mm pikk ning putukatele iseloomulikult on tal kolm paari jalgu ning kahetiivalistele iseloomulikult vaid üks paar tiibu. Keha on kaetud suhteliselt hästi väljaarenenud närvi-süsteemiga seostuvate tundlike karvakeste ja harjastega (ingl. bristles). Peas on silmad ja tundlad ning tagakehas reproduktiivorganid. Emane Drosophila muneb sadu mune. Munadest arenevad vastsed e. larvid (ingl. larva), larvidest moodustuvad nukud (ingl. pupa), nukkudest täiskasvanud isendid (jn. 2.13). Seega toimub areng täismoondega (ingl. complete metamorphosis). Drosophila eripäraks on tuhandete selgelt eristatavate fenotüübiliste tunnustega mutantide lihtne saamine. Ta on osutunud arengu- ja käitu-misgeneetika uurimustes asendamatuks. D. melanogaster´i genoom on sekveneeritud, see sisaldab 170 x 106 aluspaari, 13 792 geeni ja kõik need asuvad kolmes paaris autosoomides ja ühes paaris sugukromosoomides.

Väiksem Suurem

Sperm Munarakk

Viljastatudmunarakk

Vastne e.larv

NukkViljastumine

n n

2n

Valmik

Joonis 2.13. Äädikakärbse Drosophila melanogaster (n = 4) elutsükkel. Areng toimub täismoondega (muna – vastne – nukk – valmik). Isased äädikakärbsed on palju väiksemad ja nende tagakeha on teravatipulisem.

78

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

2.3.2. Caenorhabditis elegansVäike (pikkus 1 mm) mullas elav nematood Caenorhabtidis elegans e. varbuss on võe-tud geneetikas loomade arengu uurimise mudelorganismiks. Varbussi elutsükkel munast vastsevormide ja täiskasvanu eani kestab kolm päeva. Teda saab lihtsalt agarsöötmetel kasvatada. Ta kasutab toiduks näiteks E. coli rakke. C. elegans on valdavalt hermafrodiitne organism (leidub ka isaseid indiviide), kus sama organism moodustab sperme ja muna-rakke ning ka viljastumine toimub samas organismis. Et see uss on läbipaistev, siis saab temal jälgida rakkude jagunemisi ja organismi arengut. C. elegans i genoom on sekvenee-ritud, sisaldades 100 x 106 nukleotiidipaari ja 20 516 geeni. Genoom sisaldab viit paari autosoome ja üht paari sugukromosoome.

2.4. Selgroogsed2.4.1. Mus musculusKoduhiirest (Mus musculus) sai geneetiliste uurimuste meelisobjekt eelkõige asjaolu tõtt u, et hiirt kasutatakse väga laialdaselt biomeditsiinilistes uuringutes, eriti eritüübiliste haiguste uurimisel. Üheks oluliseks põhjuseks on see, et erinevalt rotirakkudest osatakse hiirerakke kasvatada koekultuuris, ilma et nad diferentseeruksid. Hiirte mudelit kasuta-des on saadud ka võõraid geene sisaldavaid transgeenseid (ingl. transgenic) organisme ja organisme, kellel olid välja lülitatud kindlad üksikud geenid. Viimaseid nimetatakse nok-auditud hiirteks (ingl. knockout mice). Ka hiire genoom on sekveneeritud. See sisaldab 2,9 x 109 nukleotiidipaari ja 25 396 geeni, mis asuvad kahekümnes kromosoomis. Seega on hiire geenide arv inimese omaga võrreldav ning teda saab kasutada eksperimentides, mida inimesega läbi viia ei saa või nende tegemine inimesel poleks eetiline.

2.4.2. Danio rerio1960. aastate lõpust sai geneetikas uuringute meelisobjektiks üks akvaariumikaladest, sebrakala (Danio rerio). See kalake annab põlvkonna 5–6 kuuga, tema toitmistingimu-sed on lihtsad. Tema uurimise eeliseks võrreldes teistega oli aga asjaolu, et ta munarakk on läbipaistev ning viljastumine toimub kehaväliselt. Seega tekkisid head lisavõimalused uurida selle loomakese arengut. Sebrakala genoom sisaldab 1,6 x 109 DNA nukleotiidi-paari ja 23 524 geeni. Ta on diploidne organism, kellel on 50 kromosoomi.

2.5. Taimed2.5.1. Arabidopsis thalianaMüürlook (Arabidopsis thaliana) on väike, kiiresti kasvav taim, mis annab viie näda-laga põlvkonna. Nagu aedherneski on see taim iseviljastuv, kuid tema erinevaid tüvesid on võimalik laboratoorsetes tingimustes ka ristviljastada ja saada hübriide. Müürloogal pole mingit majanduslikku tähtsust. Tema diploidne genoom (2n = 10) sisaldab 157 x 106 nukleotiidipaari ja 27 706 geeni, milledest väga paljud on ka olulistel põllumajandus-taimedel (mais, riis, nisu). Seega saab müürlook olla testorganismiks, millega saadud katsetulemused on tõenäoliselt ülekantavad teistele taimedele.

Müürlooga isasgameedid on mikrospoorid, mis moodustatakse meioosil mikro-spoori eellasrakkudest tolmukapeas (ingl. anthers). Järgnevalt paljuneb iga mikro spoor

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

79

Kah

eko

rdn

e v

ilja

stu

min

e:

1.

Sp

erm

i tu

um

(n

) +

mu

nara

ku

tu

um

(n

) =

em

brü

o t

uu

m (

2n

)

2.

Sp

erm

i tu

um

(n

) +

teis

tuu

m (

2n

) =

en

do

sp

erm

i ra

kku

de

trip

loid

ne t

uu

m (

3n

)

See

me

Taim

Vilja

stat

ud

endo

sper

mi r

aku

(3n)

tuum

Meio

os

Spo

rofü

üt (2

n)

Meg

aspo

ori

emar

akk

(2n)

Õis

Endo

sper

m

Vilja

stat

ud

mun

arak

u (2

n) tu

um

Em

brü

og

en

ees

Mik

rosp

oro

gen

ees

Mik

rog

am

eto

gen

ees

Me

ga

sp

oro

gen

ees

Me

ga

ga

meto

gen

ees

Mit

oo

s

Meg

aspo

or (n

)E

mbr

üoko

tt (n

)

Mik

rosp

oori

emar

akk

(2n)

Mik

rosp

oor (

n)

Meio

os

Mit

oo

s To

lmut

era

(n)

Vege

tatii

vse

raku

tuum

Gen

erat

iivse

dsp

erm

iraku

d

Mun

arak

kS

üner

gilis

ed ra

kud

Pola

artu

umad

Antip

oods

ed ra

kud

Mun

arak

k(n

)

Teis

tuum

(2n)

Em

as-

gam

etof

üüt (

n)

Sig

imik

Isas

-ga

met

ofüü

t (n)

Joon

is 2.1

4. M

üürlo

oga A

rabid

opsis

thali

ana (

n=5)

elut

sükk

el. M

ikro

spor

ogen

eesil

moo

dustu

vad m

eioos

is m

ikro

spoo

rid, m

illed

est a

rene

vad t

olm

uter

ad, n

eist m

oodu

stub

isasg

ameto

füüt

(n).

Meg

aspo

roge

nees

il moo

dustu

b meio

osis

meg

aspo

or, m

illes

t are

neb e

mas

gam

etofü

üdin

a (n)

sigi

mik

us te

istuu

m (2

n) ja

mun

arak

k (n)

. Kah

ekor

dsel

vil-

jastu

mise

l moo

dustu

b: a)

embr

üo di

ploid

ne (2

n) tu

um sp

erm

i tuum

a (n)

ja m

unar

aku t

uum

a (n)

ühin

emise

l; b) e

ndos

perm

i trip

loid

ne (3

n) tu

um te

istuu

ma (

2n) j

a spe

rmi

tuum

a (n)

ühin

emise

l. Em

brüo

gene

esis

moo

dustu

b see

me n

ing e

dasi

seem

nest

dipl

oidn

e (2n

) taim

.

80

Palju

nem

ine

ja g

enee

tika

mud

elor

gani

smid

mitootiliselt, moodustub vegetatiivne rakk, kus on kaks haploidsete tuumadega gene-ratiivset spermirakku (jn. 2.14). Tekib tolmutera. Emasgameedid e. megaspoorid moodustuvad megaspoori eellasrakkudest sigimikus (ingl. ovary), mis asub õie keskel olevas emakas (ingl. pistil). Emaskoe rakkude meioosis moodustub algul neli rakku, milledest kolm degenereeruvad ning moodustub vaid üks funktsionaalne megaspoor. Megaspoori haploidne tuum jaguneb kolm korda mitootiliselt, moodustub embrüokott , kus on kaheksa haploidset tuuma. Järgneval tsütokineesil moodustub kolm antipoodset rakku (degenereeruvad pärast viljastumist), kaks sünergilist rakku ning munarakk. Kaks polaarset tuuma jäävad embrüokoti suure raku keskele, ühinevad ning moodustavad dip-loidse sekundaarse endospermi tuuma.

Taimedel esineb kahekordne viljastumine (jn. 2.14).1. Diploidne sügoot moodustub kui sperm ühineb emasgametofüüdi muna rakuga

ning sellest areneb embrüo.2. Spermi rakk ühineb diploidse emasgametofüüdi sekundaarse endospermi tuu-

maga, moodustub triploidne tuum ning endospermi kude (3n), millega toidetakse seemne valmimisel embrüot.

Meeldejätmiseks• Prokarüootidest on geneetiliste uuringute meelisorganismiks koli-bakter (E. coli).• Eukarüootsed mudelorganismid on pagaripärm (S. cerevisiae), äädikakärbes (D. melanogaster), varbuss

(C. elegans), koduhiir (M. musculus), sebrakala (D. rerio) ja müürlook (A. thaliana).

Koduhiir Mus musculus, liin CBA. Foto: Sulev Kuuse.

Müürlook Arabitopsis thaliana.Foto: Sulev Kuuse.