Ген — единица наследственного материала, отвечающего за формирование определенной элементарной признаки. Ген является участком молекулы ДНК, содержащий информацию для синтеза РНК. Процесс считывания гена и синтеза РНК называется транскрипцией. В некоторых вирусов геном может считаться также участок РНК. Существуют различные типы РНК, самые известные из которых мрнк (мРНК), из которой в процессе трансляции считывается информация аминокислотной последовательности белка. Белки играют в организме специфическую роль, которая может проявляться в характерному признаку. С этой точки зрения гены рассматриваются как носители наследственной информации, передаваемой в результате размножения от родителей к потомкам. Экспрессия генов — это проявление активного состояния гена в отдельной клетке. Но не только мРНК закодированы в генах — существует много видов некодирующие РНК, которые не несут информацию о белках, но тем не менее они представлены в ДНК в виде генов.

Наука, изучающая структуру, функции и наследственную передачу генов называется генетикой. Наука, изучающая совокупность всех генов, локализованных в геноме отдельного организма, называется геномикой.

История исследования

В 1854 году Грегор Мендель начал серию экспериментов на семенах гороха, с целью установить закономерность наследственной передачи признаков. Он впервые предложил теорию о наличии факторов, которые передаются от родителей к потомкам. В результате экспериментов по скрещиванию он пришел к выводам, что определенные признаки передаются независимо, а также, что существуют доминантные и рецессивные признаки. Он разработал гипотезу, что существуют гомозиготные и гетерозиготные состояния, чем заложил фундамент для распознавания различия генотипа и фенотипа. Позже его открытия были сформулированы в законах Менделя.

1900 год считается годом «переоткрытия» законов Менделя, когда ботинки Хуго де Фриз, Эрих Чермак и Карл Корренс поняли, что существует количественная закономерность наследования факторов, которые отвечают за проявление признаков у потомков.

Термин «ген» был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. Очевидно, что это производный термин от слова генетика, который уже ранее, в 1905 году был предложен Уильямом Бэтсоном с греческого genetikos. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, только в 1910 году работами Томаса Моргана была доказана связь между хромосомами и наследственностью.

Томас Морган был убежден, что наследственность не передается материальным носителем и попытался возразить законы Менделя с помощью экспериментов. Зато достиг обратного: окончательно доказал, что гены расположены на хромосомах, которые являются материальным носителем наследственной информации. Была сформулирована хромосомная теория наследственности. Вместе с другими учеными Томасу Моргану также удалось построить первую генетическую карту. Поскольку под микроскопом в то время уже наблюдали обмен участками хромосом, кроссинговер, то рассчитали, что чем ближе два гена расположены друг к другу, тем меньше частота попадания на другой участок гомологической хромосомы в результате кроссинговера. Стало возможным рассчитать расстояние между генами на хромосоме, которая рассчитывается в сантиморганах.

В 1927 году работы Германа Мюллера по облучению дрозофил рентгеновским излучением показали количественную зависимость между дозой и мутагенным эффектом, окончательно доказало факт, что гены являются физическим объектами, на которые возможно воздействие извне. Срок мутация вошел в научный лексикон.

В 1928 году Фредерик Гриффит установил, что гены могут передаваться от одних организмов к другим. Живой невирулентных штамм Streptococcus pneumoniae при смешивании с убитым вирулентным штаммом приобретал вирулентных свойств. В 1944 году Освальдом Авери, Колином Маклеодом и Маклин Маккарти установлено, что вирулентный фактор находился в ДНК убитых бактерий, а процесс генетической информации назван трансформацией. Окончательно доказано, что ДНК носитель генетической информации.

В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем установили, что дефекты в обмене веществ связаны с мутациями определенных генов. Сформулирована концепция «один ген — один фенмент», которая позже уточнилась к «один ген — один полипептид».

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на рентгенограммах, полученных Розалинд Франклин, открыли структуру ДНК. Сформулирована центральная догма молекулярной биологии.

В 1972 году Вальтер Фриз (Бельгия) опубликовал первую геномную последовательность гена, кодирующего белок оболочки бактериофага MS2.

Современная формулировка гена — «дискретная участок геномной последовательности, соответствующей единицы наследственности и ассоциированная с регуляторными регионами, транскрибованих регионами и другими функциональные геномными последовательностями».

Часто термин «ген» ошибочно употребляется как синоним аллели: «ген цвета глаз», «ген устойчивости». В этом случае следует различать, что ген содержит только базовую информацию о нуклеотидную последовательность, а аллели — разные варианты одного гена, проявляется в разновидностях фенотипического проявления. На это важно обращать внимание при интерпретации информации из научно-популярных статей в прессе.

Структура гена

Химическая структура

У подавляющего большинства живых организмов гены закодированы в цепях ДНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является полимером из четырех типов нуклеотидов, каждый из которых состоит из моносахарида класса пентоз (2′-дезоксирибозы), фосфатной группы, и одного из четырех азотистых оснований: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г ) и тимина (Т).

Самой распространенной формой ДНК в клетке является структура в форме правой двойной спирали из двух отдельных нитей ДНК. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (два водородных связи), гуанин — только с цитозином (три водородных связи).

Благодаря химическим особенностям связи между пентозном остатками нуклеотидов, ДНК имеют полярность. Один конец ДНК-полимера заканчивается 3-гидроксильной (3 ОН) группой дезоксирибозы и называется 3 «(три-прайм), а другой — 5-фосфатной группой (5 -РО3) и называется 5» (пять-прайм). Полярность цепочки играет важную роль в клеточных процессах. Например, при синтезе ДНК удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 ‘конца.

Функциональная структура

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участки, с которой в результате транскрипции считывается одноцепная РНК-копия.

2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор и энхансер.

Комбинация и последовательность этих участков могут быть особыми для каждого конкретного гена, а также структура гомологичных генов у разных организмов могут существенно отличаться. Типичном гена эукариот предшествует регуляторная ДНК участок — промотор, к которому присоединяются энзим РНК-полимераза и факторы транскрипции и обеспечивают процесс транскрипции. Типичный транскрипт гена (пре-мРНК) содержит некодирующие участки интроны, которые вырезаются при сплайсинга, а экзоны сшиваются друг с другом в зрелую мРНК. Вариации во время альтернативного сплайсинга могут приводить к сшиванию различных участков экзонов и образования различных вариантов мРНК, считана с одного участка ДНК. Отношение длины и количества интронов в генах очень разнообразное. Есть гены как с одним интроном, в то время, как существуют гены, в которых интроны составляют до 95% всей нуклеотидной последовательности. Самый длинный человеческий ген белка дистрофина имеет длину 2,5 миллиона нуклеотидов (это 0,08% всего человеческого генома) и кодирует пептид длиной 3 685 аминокислот. Доля кодирующей последовательности составляет 0,44%.

Зрелая мРНК содержит открытую рамку считывания, а также некодирующие элементы: 5′-нетранслируемые участок, и 3 ‘нетранслируемые участок. Эти участки задействованы в регуляции процесса трансляции, а также регулирующие активность специфических ферментов, разрушающих мРНК — РНКаз.

Гены прокариот отличаются от генов эукариот тем, что не содержат в своей структуре интронов. При этом отдельные кодирующие участки могут быть расположены плотно друг к другу (полицистронний кластер) так, что регулируются общим структурным элементом — промотором. В таком случае подобный генный кластер считывается общим транскриптом, но транслируется в разные белки. Такая совместная генная структура называется опероном. Оперона — типичные генные кластеры у прокариот.

Гены кодируют не только мРНК, которая транслируется в белок, а также структурную рибосомную РНК, транспортную РНК, рибозимы, микроРНК, миРНК и пиРНК, которые играют регуляторную функцию. Последовательность ДНК, с которой считывается некодирующих РНК часто называется РНК геном.

Геномная организация

Общая сукуписть генов в организме или клетке называется геномом. У прокариот подавляющее большинство генов, расположенные на одной хромосоме, имеет вид кольцевой ДНК. В эукариот обычно несколько отдельных линейных спиралей ДНК упакованы в плотные комплексы ДНК-белок, называются хромосомами. Гены, которые расположены на одной хромосоме у одного вида, у другого вида могут быть расположены на разных хромосомах.

Место на хромосоме, где расположен ген, называется локусом. Гены также не равномерно распределены по хромосомам, а частично сгруппированы в так называемые кластеры. Генный кластер может содержать как случайные гены, расположенные в непосредственной близости друг к другу, так и группы генов, кодирующих белки, находящиеся в функциональной зависимости. Гены, белки которых имеют схожие функции, также могут быть расположены на разных хромосомах.

Многие виды могут содержать несколько копий одного и того же гена в геноме соматической клетки. Клетки или организмы с одной копией гена на каждой хромосоме — называются гаплоидными; с двумя копиями — диплоидными, с более чем двумя — полиплоидный. Копии гена на парных хромосомах могут быть не идентичными. Во время полового размножения одна копия гена наследуется от одного отца, другая — от другого.

По предварительным оценкам, количество человеческих генов составляет 50 000-100 000. Лишь небольшая их количество транслируется в белок (~ 20000 у человека, мышей и дрозофил, ~ 13000 у круглых червей,> 46 000 в риса). Таким образом, только 1-2% генома кодирует белки. Большая часть генома транскрибируется в виде интронов, ретротранспозонов и в некодирующих РНК.

Экспрессия и регуляция работы генов

Процесс синтеза биологически функциональной молекулы РНК или белка называется экспрессией генов, и в результате сама молекула называется генным продуктом.

Экспрессия генов, закодированных в ДНК, начинается с расшифровки генов в РНК (транскрипция), другой тип нуклеиновой кислоты, которая очень похожа на ДНК, но ее мономеры содержат сахар рибозу, а не дезоксирибозу. РНК также содержит нуклеотид урацил вместо тимина. Молекулы РНК менее стабильны, чем ДНК и, как правило, одноцепочечные. Генетический код указывает на соответствие определенной аминокислоте в переводе с тринуклеотидних последовательности — кодона. Существует 64 возможных кодона и только 20 стандартных аминокислот. Это означает, что генетический код вырожденный, или чрезмерное и несколько разных кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту. Соответствие между кодонами и аминокислотами почти универсальная между всеми известными организмами.

Транскрипция

В процессе генетической транскрипции синтезируется одноцепная молекула матричной РНК, последовательность нуклеотидов которой является комплементарной к шаблонной ДНК, с которой она считывается. Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразы, что читает шаблонную последовательность в 3’5 ‘направлении и синтезирует РНК в 5’ — 3ьнапрямку. Для начала транскрипции, полимераза сначала распознает и связывается с промоторной участком гена. Таким образом основным механизмом регуляции работы генов на уровне транскрипции является блокирование промоторной области сильной связью с репрессорнимы молекулами, которые физически блокируют полимеразы, или путем организации ДНК таким образом, чтобы промоторной регион не был доступен.

У прокариот транскрипция происходит в цитоплазме. В случае очень длинных транскриптов трансляция в белок может начаться на 5 ‘конце РНК, в то время как транскрипция 3’ конца все еще будет продолжаться. У эукариот транскрипция всегда происходит в ядре, первичные транскрипты РНК должны сначала пройти пост-транскрипционные изменения, прежде чем экспортируются в цитоплазму для трансляции. Альтернативный сплайсинг является дополнительной формой регуляции работы генов на уровне процессинга.

Трансляция

Трансляция это процесс, при котором зрелые молекулы мРНК используется в качестве шаблона для синтеза новых белков. Трансляция осуществляется рибосомами, большими комплексами РНК и белка, ответственные за проведение химических реакций добавления новых аминокислот в полипептидной цепи с образованием пептидной связи. Генетический код считывается трех нуклеотидов одновременно, посредством взаимодействия со специализированными молекулами РНК, которые называются транспортной РНК (тРНК). Каждая тРНК имеет три неспаренных основы, известные как антикодон и которые являются комплементарными к кодона, считывается. тРНК также ковалентно связанные с аминокислотой, в соответствии с кодона. Когда тРНК связывается со своим комплементарным кодоном в мРНК цепи, рибосомы передают из него аминокислоту к карбоксильного конца нового полипептидной цепи. Во время и после синтеза, новый белок должен сложиться в активную трехмерную структуру, прежде чем он сможет выполнять свои клеточные функции. Постртрансляцийни модификации составляют еще один этап регуляции работы генов.

Наследование генов

Рост, развитие и размножение организмов базируется на делении клеток, то есть процессе, в ходе которого одна клетка делится на две обычно идентичны дочерние клетки. Этому предшествует удвоение каждого гена в геноме в процессе, называемом репликацией ДНК. Копии создаются с помощью ферментов ДНК-полимеразы, которые «читают» шаблонный цепь двойной спирали ДНК и синтезируют новый комплементарный цепь. Поскольку двойная спираль ДНК держится вместе благодаря спариванию комплементарных нуклеотидов, последовательность одной цепи полностью определяет последовательность другого, поэтому только одна цепь должен быть прочитан ферментом, чтобы создать точную копию. Процесс репликации ДНК напивконсервативной, то есть копии генома, который наследует каждая дочерняя клетка содержит один оригинал и один ново синтезированный цепь ДНК.

После того, как репликация ДНК завершилась, клетка должна физически разделить две копии генома и распределить их по двум клетках. У прокариот — бактерий и архей — это, как правило, происходит с помощью относительно простого процесса бинарного разделения, при котором каждый из кильцьових геномов цепляется к клеточной мембране и распределяется по дочерним клеткам в момент, когда мембраны изгибаются, чтобы разделить цитоплазму на две ограниченные мембраной порции. Бинарный разделение происходит очень быстро по сравнению с показателями клеточного деления у эукариот. У эукариот деление клеток является сложным процессом, известный как клеточный цикл. Репликация ДНК происходит во время S фазы этого цикла, в то время как процесс разделения хромосом и деления цитоплазмы происходит во время фазы М. Во многих одноклеточных эукариот, таких как дрожжи, размножение почкованием является обычным явлением, что приводит к асимметричного деления цитоплазмы по двум дочерних клетках.

У организмов, размножающихся половым путем, специализированная форма клеточного деления мейоз производит клетки, которые называются гаметами или зародковиимы клетками, которые являются гаплоидными, или содержат только одну копию каждого гена. Гаметы, выработались в женских половых органах, называются яйцеклетками, а те, что производятся в мужских — спермой. Две гаметы сливаются, образуя оплодотворенную яйцеклетку, содержащую диплоидный набор генов: одну копию от матери и одну от отца.

В процессе мейотического деления клеток, может иногда случаться генетическая рекомбинация или кроссинговер, в котором участок ДНК на одной хроматиде меняется местами с гомологичной ДНК участком на сестринском хроматиде. Это не имеет никакого эффекта, если аллели на хроматидами те же, но в другом случае приводит к пересортицы связанных между собой аллелей. Менделевской принцип независимого распределения утверждает, что каждый из двух родительских генов для каждого признака сортируется независимо в гаметы: те аллели, которые организм наследует для одного признака, не имеют отношения к аллелей, которые он наследует для другого признака. Это на самом деле верно только для генов, которые не размещены на той же хромосоме, или по крайней мере расположены очень далеко друг от друга на одной хромосоме. Чем ближе два гена лежат на одной хромосоме, тем больше они будут связаны в гаметах и ​​чаще всего они успадкуються вместе. Гены, которые расположены очень близко на хромосоме наследуются вместе, потому что крайне маловероятно, что точка пересечения при кроссинговера случится между ними. Это называется сцепленным наследованием.

Особые гены

РНК гены

Хотя во всех клеточных живых организмов гены закодированы в последовательности ДНК, существуют некоторые вирусы, генетическая информация которых закодирована в форме РНК. РНК-вирусы поражают клетку, после чего сразу начинается синтез белков непосредственно с РНК с помощью клеточного трансляционного аппарата хозяина. Транскрипции ДНК в РНК не происходит. Зато ретровирусы при инфекции сначала «перечитывают» РНК в ДНК при участии фермента обратной транскриптазы.

Псевдогены

Геном, в строгом смысле слова, считают нуклеотидную последовательность, которая содержит информацию о функциональном белок. Зато псевдогены являются копиями генов, не кодирующие функциональных белков. Появление таких генов часто вызвана генными дупликации и / или мутациями, которые накопились без всякого отбора и потеряли свою первоначальную функцию. Некоторые, кажется, все же играют определенную роль в регуляции активности других генов. Геном человека содержит около 20000 псевдогенов.

Мобильные гены

Также известны как транспозонов и являются мобильными геномными регионам, которые могут свободно перемещаться по ДНК. Они способны сами себя вырезать из одного места в геноме и переноситься в другое. Транспозонов активны не только в клетках зародышевой линии, как считалось ранее, но и в предшественниках нейронных клеток. Результаты исследований показывают, что транспозонов играют важную роль, выступая в качестве «креативного фактора» в геноме и способны быстро распространять важные генетические «инновации» в наследственном материале.

Генетическая изменчивость

Под генетической наследственной изменчивостью понимают возникновение генетических вариантов (аллелей, генов или генотипов) в отдельных организмов. Это может быть обусловлено мутациями (мутационная изменчивость), или событиями во время мейоза (комбинативная изменчивость). Наследственная изменчивость принимается синтетической теорией эволюции как субстрат естественного отбора.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Ген