Структурные гены в составе генома человека кодирует. Современное представление о структуре и функции генов
Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.
Гено?м - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.
Геном человека - это геном биологического вида Homo sapiens. В нормальной ситуации в большинстве клеток человека должно присутствовать 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две - X-хромосома и Y-хромосома - определяют пол (XY - у мужчин или ХХ - у женщин), эти 46 хромосом составляют один геном. Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, в которых по оценкам содержится 20000-25000 генов.
Изучая механизмы регуляции функции гена, французские генетики Жакоб и Моно пришли к заключению, что существуют структурные и регуляторные гены.
К структурным генам относятся гены, которые контролируют (кодируют) первичную структуру матричных, или информационных, РНК, а через них последовательность аминокислот в синтезируемых полипептидах. Другую группу структурных генов составляют гены, определяющие последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях рибосомной РНК и транспортной РНК, т.е. структурные гены отвечают за передачу генетического кода от одного поколения клеток к другому, а также управляют синтезом белков.
Регуляторные гены контролируют синтез специфических веществ, так называемых ДНК-связывающих белков, которые регулируют активность структурных генов. Регуляторные гены взаимодействуют со структурными и регулируют все биохимические процессы в клетке, позволяя ей тем самым приспосабливаться к изменениям окружающей среды, например к изменениям количества и качества поступающих в нее питательных веществ. Если околоклеточная среда стабильна, регуляторные гены тормозят (репрессируют) структурные. Если же состояние окружающей среды изменяется, структурные гены активируются и тем самым способствуют адаптации клетки к новым условиям. Жакоб и Моно назвали совокупность структурных и регуляторных генов опероном, а ген, отвечающий за репрессию и активацию – геном-оператором.
Строение генов (генетические карты, некодирующие участки). Генетическая карта - схема относительного расположения генов в хромосомах, позволяющая предсказывать характер наследования изучаемых признаков организмов. Один конец хромосомы принимается за нулевой, от него отсчитывается расстояние в специальных единицах (морганидах).
Молекула ДНК может содержать множество генов. Ген - это участок молекулы ДНК, который занимает на хромосоме строго определенную позицию и последовательность ДНК которого содержит информацию, необходимую для синтеза белка. Геном человека включает, по приблизительным оценкам 50-100 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию - кодирует определенный белок (например, ферменты или структурные белки клетки) или молекулу РНК. Гены человека сильно варьируют по размерам - от нескольких сотен до нескольких миллионов пар оснований. Известно, что кодирующие белок последовательности занимают лишь около 10% генома. Остальные 90% приходятся на долю некодирующих участков. Большая часть генов состоит из перемежающихся кодирующих (экзоны) и некодирующих (нитроны) частей.
Генетические карты хромосом составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Генетические карты хромосом можно только для объектов, у которых изучено большое число мутантных генов. У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом.
Некодирующие районы между генами называют спейсерами. В некодирующих участках располагаются последовательности, регулирующие активность генов. Однако функция большей части некодирующей ДНК не ясна. Основным "строительным материалом" живых организмов является белок. Клетки человека способны синтезировать около 100 тысяч различных белков. Белок представляет из себя сложную молекулу, состоящую из одной или более цепочек, построенных из остатков аминокислот. Последовательность аминокислот в белке закодирована в последовательности оснований гена. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая из аминокислот будет располагаться в данной позиции белка.
Проблема гена - центральная проблема генетики. Представления о гене всегда отражали и отражают уровень развития этой науки, ее достижения проблемы. Понятие гена как дискретной единицы, выявленной разработанным Г. Менделем методом гибридологического анализа, ввел В Иоганнсен в 1909 г. Он не связывал это понятие с какими-либо гипотезами с его сущности и материальной природе.
В последующий период произошла не только «материализация», но и сам! гены - участки молекул ДНК - стали объектами и «рабочим! инструментами» генной инженерии и биотехнологии. Расшифрована первичная структура многих тысяч генов, выяснены основные черты особенности их строения у разнообразных объектов. Эти| сведения хранятся компьютерных банках информации, пополняемых и используемых ученым всего мира.
В настоящее время ген определяют как участок молекулы ДНК (у некоторые вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомой РНК либо взаимодействующий с регуляторным белком.
В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии одного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т. Моргана, который показал, что ген -это локус (участок) хромосомы, занимающий в ней строго определенное положение.
В современном понимании ген-это функциональная единица молекулы ДНК, Контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их уникальной последовательностью. Ген имеет определенную величину, выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий синтез полипептидной цени, называется структурным. Он является составной частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой акцепторными генами. Для каждого Структурного гена характерна уникальная последовательность нуклеотидов, позволяющая его идентифицировать.
Структурный ген является дискретной целостной единицей, кодирующей синтез одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка чередования нуклеотидов-выпадение, добавление или замена хотя бы одного нуклеотида -инактивирует структурный ген или изменяет его функцию.
Ранее отмечено, что для структурных генов эукариот характерно мозаичное строение участки молекулы ДНК, кодирующие аминокислоты полипептидной цепи, - ЭКЗОНЫ (кДНК) чередуются с участками, которые не обладают этой способностью, - нитронами.
Акцепторные гены каждого оперона обладают высокой специфичностью к ним могут присоединяться только определенные молекулы белка, в том числе белок-репрессор, подавляющий активность структурных генов, Cap-белок, а также ферментативные белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в генома разных организмов колеблется от 98 до 15%, Остальная часть ДНК генома получила название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК содержится геномах растений, для избыточной ДНК характерно наличие повторов-одинаковых последовательностей нуклеотидов. Р. Бриттен и д. Кон в 1968 г. установили, что у мыши 7о% ДНК составляют уникальные последовательности нуклеотидов, а 30% - повторы; у человека -66% уникальные последовательности, а 34% - повторы,
Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые структурные гены, имеющие уникальную последовательность нуклеотидов, могут быть представлены несколькими копиями. Гены; Кодирующие гистоны - основные белки, входящие в состав хромосом, в молекуле ДНК представлены различным числом копий, например, в гаплоидном геноме мыши содержится 30 структурных генов, кодирующих гистом Н4. У животных имеются повторы структурных генов, кодирующих глобин, иммуноглобулин, интерферон и другие жизненно важные молекулы белка. Среди повторов генов имеются нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеотида потеряли способность синтезировать мРНК. Их называют псевдогенами.
Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных генов, контролирующих синтез рибосомалиной и транспортной РНК, Так, в гаплоидном геноме лягушки имеется около 8000 генов тРНК, в геноме курицы-около 100 генов рРНК, в геноме дрозофилы их около 130.
В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, каждой из них содержит около 300 нуклеотидных пар, а также 40000-80000 повторов В1, содержащих приблизительно по 140 нуклеотидных нар |
В составе избыточной ДНК у эукариот в довольно большом количестве содержатся последовательности нуклеотидов, генетическая роль которых пока еще остается невыясненной. Они получили названий сателлитной ДНК, которая представляет собой последовательности, состояние из нескольких нуклеотидных пар. У мыши они состоят из 6 пар нуклеотидов, в том числе 5 пар ATи пары ЦТ; у морской свинки сателлитная ДНК состоит из 6 пар нуклеотидов, в том числе 3 пар ЦГ и 3 пар ТА, АГ иAT. Блоки (кластеры) сателлитной ДНК преимущественно сосредоточены в гетерохроматиновых районах хромосом, расположенных около центромеры.
Транспозоны. В течение длительного времени считалось, что положение генов в хромосоме и, следовательно, в молекуле ДНК является строго фиксированным, хотя Б. Мак-Клинток еще в 1953 гг. доказала, что в геноме кукурузы содержатся так называемые подвижные! генетические элементы. В 1975 -1977 советский ученый Г. П. Георгиев обнаружил в геноме дрозофилы гены, представленные десятками копий и рассеянные по разным хромосомам. Им было установлено, что эти гены являются подвижными или «прыгающими, так как могут быть локализованы у разных линий и даже у отдельных особей в разных хромосомах и в разных локусах одной хромосомы.
Перемещение фрагмента ДНК, содержащего ген или гены, из одной хромосомы в другую, им несвойственную, называется транспозицией. Фрагменты ДНК, способные перемешаться из одной хромосомы в другую или из одного локуса в другой, называют транспозонами. Транспозиция включает два процесса: эксцизию и инсерцию. Эксцизией называется освобождение Транспозона из молекулы ДНК, в которую он был встроен, а инсерцией процесс встраивания транспозона в новый локус ДНК.
Транспозоны условно можно разделить на несколько классов. Один из них, наиболее изученный и широко представленный, Г. IJLГеоргиев обнаружил у дрозофилы и назвал их «мобильные диспергированные гены (МДГ). У дрозофилы имеется ОКОЛО 20 семейств таких МДГ, каждое из которых содержит от 10 до 150 копий, локализация которых в геноме сильно варьирует. Характерной особенностью МДГ являются одинаково ориентированные, длинные концевые повторы (ДИП). ДНИ МДГ содержит 5-ю тыс нуклеотидных пар, в том числе 250-1500 нуклеотидных пар - это ДИП. Образование большого числа копий МДГ происходит следующим образом: на матрице ДНК в локусе МДГ-элемента синтезируется РНК, на которой при участии фермента обратной транскриптазы образуется много копий фрагментов ДНИ, соответствующих МДГ, которые внедряются в новые локусы ДНИ генома. В ДКП МДГ-элементов имеются сигнальные последовательности для начала и окончания транскрипции, а также усилители (энхансеры), резко увеличивающие интенсивность транскрипции. Они содержат также оперон, кодирующий обратную транскриптазу.
Другой класс активных транспозонов (МДГ) включает последовательности ДНИ, кодирующие фермент транспфазу, который отвечает за транспозицию МДГ - вырезание и встраивание транспозонов. К ним относят хорошо изученные Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы.
К особому классу можно отнести пассивные транспозоны - фрагменты ДНК, которые ничего не кодируют, но многочисленные копии которых могут служить субстратом для транспозазы. К их числу могут быть отнесены и длинные обращеан:1е повторы; и даже некоторые МДГ элементы,
К транспозонам относят также и другие участки генома, если они активно синтезируют РНК, а затем при участии фермента ревертазы образуют многочисленные копии ДНК, которые вставляются в различные участки генома, К их числу относятся два класса коротких транспозонов мыши, названные В и В2; В1 содержит 130, В2-190 пар нуклеотидов. Они рассеяны по всему геному, и почти в каждом фрагменте ДНК содержиться В1 или В2, или оба. Находясь в ДНК генома, они активно транскрибируют РНК,а затем при участии обратной транскриптазы образуют огромное число копий (в клетке может содержаться до 100 000 копий каждого транспозона).
В геноме человека также обнаружены В! и 132, а также транспозонами, содержащий 300 пар нуклеотидов и представленный 300000 копиями.
Транспозиция играет значительную роль в реализации наследственной информации и может быть причиной наследственного изменения признака (мутации). Многие транспозоны служат матрицами для транскрипции мРНК, кодирующей различные ферменты, в том числе обратную транскриптазу. Внедряясь в новые локусы генетического аппарата клетки, транспозоны влияют на работу окружающих генов. Иногда внедрившийся транспозон изменяет структуру гена вплоть до создания нового, несвойственного данному локусу. Транспозоны могут вызвать глубокие перестройки генома, в том числе делении; инверсии, транслокации, для разных генетических локусов от 10 до 90% всех спонтанных мутаций являются результатом транспозиции МГД.
В обычных условиях транспозиция происходит весьма редко, но под действием некоторых факторов наблюдаются так называемые транспозиционные взрывы, когда в клетке сразу перемещается большое число транспозонов, относящихся к разным классам.
В последние годы установлено, что транспозиция и образование большого числа повторов МДГ сходны с ретровирусами птиц и млекопитающих. Ретровирусами называют вирусы, у которых генетическая информация записана на РНК (РНК-содержащие вирусы). Когда такой РНК-содержащий вирус проникает в клетку, при участии фермента обратной транскриптазы синтезируются ДНК-копии РНК вируса. ДНК внедряется в различные локусы генома клетки и становится составной частью молекулы ДНК. Такую ДНК называют провирусом. В геноме мыши может содержаться несколько семейств провирусов, локализованных в разных локусах ДНК. На этих ДНК может синтезироваться РНК и даже могут образовываться вирусоподобные частицы, но инфекционный вирус не возникает. Вирусы, информация о которых содержится в ДНК высших организмов, получили название эндогенных вирусов (ЭВ), а кодирующие их генетические элементы - эндогенных провирусов (ЭП). Так, у кур выявлено 29 локусов ЭП, которые встречаются в различных сочетаниях и с разной частотой. Ни один из локусов ЭП не является обязательным элементом генома кур.
Подавляющее большинство ЭП дефектны и не могут кодировать вирионы, поэтому, он и не являются инфекционными для (родительских клеток. Вместе с тем некоторые ЭП следует рассматривать как генетические факторы риска, повышающие вероятность начала канцерогенного процесса или появления нового онкогенного вируса,
Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.Большой вклад в изучение гена внесли российские учёные: Симашкевич Е.А.,Гаврилова Ю.А.,Богомазова О.В.(2011 год)
В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены - это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию - о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.
В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis cis-regulatory elements ), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans -регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements ). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.
Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.
Гены могут подвергаться мутациям - случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations ), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.
Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин(А) или тимин(Т) или цитозин(Ц) или гуанин(Г), пятиатомный сахар-пентозу-дезоксирибозу,по имени которой и получила название сама ДНК, а так же остаток фосфорной кислоты.Эти соединения носят название нуклеотидов.
Свойства гена
- дискретность - несмешиваемость генов;
- стабильность - способность сохранять структуру;
- лабильность - способность многократно мутировать;
- множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
- аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
- специфичность - каждый ген кодирует свой признак;
- плейотропия - множественный эффект гена;
- экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;
- пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;
- амплификация - увеличение количества копий гена.
Классификация
- Структурные гены - уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК. (См. также статью гены домашнего хозяйства).
- Функциональные гены - регулируют работу структурных генов.
Генети́ческий код - свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Генетический код
Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.
Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.
Свойства
- Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
- Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
- Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
- Однозначность (специфичность) - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
- Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
- Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).
- Помехоустойчивость - мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными ; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными .
Биосинтез белка и его этапы
Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и тРНК.
Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы мРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путём присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.
Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни мРНК. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК, - альтернативный сплайсинг.
Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК (тРНК), которые образуют с аминокислотами комплексы - аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК, имеющая соответствующий антикодон, «подходящий» к кодону мРНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез белка обеспечивается за счёт АТФ.
Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации.
В ДНК заложена биологическая информация, составляющая программу развития клетки организма.
Основная биологическая функция ДНК заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении и передаче генетической информации в клетке.
Геном – совокупность генов в клетках с гаплоидным набором хромосом. Геном видоспецифичен и содержит у человека 3 · 10 9 пар нуклеотидов. Включает 80-100 тысяч генов. Общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом 174 см. В геноме человека 23 группы сцепления у женщин и 24 группы сцепления у мужчин, за счет наличия в 23 паре хромосом Х или Y- хромосом, а у женщин только Х и Х хромосомы.
В настоящее время все гены по функциям подразделяются: I — структурные ; II – функциональные .
I . Структурные гены – их насчитывается 35 — 40 тысяч и несут информацию:
- о белках ферментах,
- о гистонах,
- о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК.
По строению структурные гены подразделяются на:
- независимые гены или уникальные,
- повторяющиеся гены,
- прерывистые гены.
Независимые гены – это гены, транскрипция которых не связана с транскрипцией других генов. Их активность может регулироваться гормонами.
Повторяющиеся гены – это гены один, из которых может находиться в виде повторов, повторяясь много сотен раз, вплотную следуя друг за другом. Сотни повторов одного гена называются тандем .
Семейства генов – это группа генов кодирующих один пептид. Например: 4 гена альфа-глобиновой цепи гемоглобина расположены в 16 хромосоме и образуют одно семейство. Второе семейство генов бета-глобиновой цепи гемоглобина находятся в 11 хромосоме.
Умеренно повторяющиеся последовательности могут составлять от 1% до 90% всего генома, т. е. работающей ДНК всего 10%.
Кластеры генов – это группы различных генов расположенных в определенных локусах хромосом и объединенных общими функциями. Например, гистоновые белки H2A, H2B, H3, H4.
Прерывистые гены – такие гены, в которых есть кодирующие и не кодирующие последовательности триплетов. Это отличительная черта строения многих генов эукариот, получившая название «мозаичность», т.е. прерывистость структуры смысловой части генов. В геноме человека наряду с прерывистыми генами есть гены цистронной структуры (все триплеты кодирующие), например гены тРНК, рРНК.
II . Функциональные гены подразделяются:
- гены – модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (ингибиторы, интеграторы, модификаторы);
- гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы, операторы и гены пунктуации);
- онкогены – это клеточные или вирусные гены, экспрессия которых может привести к развитию новообразований;
- протоонкогены – нормальные клеточные гены, усиление или изменение функции которых превращает их в онкогены;
- опухолевые супрессоры – клеточные гены, контролирующие этапы клеточного цикла, инактивация которых резко увеличивает вероятность возникновения новообразований; восстановление их функции, наоборот, может подавить рост опухолевых клеток.
Регуляция экспрессии генов прокариот по типу индукции и корепрессии (модель оперона).
Общие принципы генетического контроля экспрессии генов
Активация структурных генов происходит с помощью гена – регулятора и гена – оператора. В обычных условиях ген – регулятор активен и синтезирует белки – регуляторы. Если белок – регулятор взаимодействует с оператором, занимающим часть промотора при этом РНК- полимераза не может соединиться с промотором, транскрипция не идёт. Такой белок называется репрессором, контроль экспрессии генов – негативным. Если область оператора расположена перед промотором, связывание РНК-полимеразы с промотором облегчается белком — регулятором и оператор запускает транскрипцию со структурных генов. Такие белки называются активаторами, контроль экспрессии генов – позитивным.
Роль негенетических факторов в регуляции генной активности
Регуляция экспрессии генов на стадии транскрипции может осуществляться и негенетическими факторами, так называемыми эффекторами. К ним относятся вещества небелковой природы. При взаимодействии с белками – регуляторами, они изменяют их способность соединятся с оператором. Оператор остается свободным, запускает транскрипцию со структурных генов, эффектор выполнил роль индуктора (побудителя). Эффекторы могут также играть роль корепрессоров, препятствуя транскрипции. Они переводят белок – репрессор в активное состояние, который блокирует оператор, и транскрипция прекращается.
Регуляция экспрессии генов у прокариот
Механизмы регуляции были изучены у микроорганизмов французскими учеными Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г. Они предложили оперонную модель регуляции транскрипции прокариот. Оперон – это блок тесно связанных структурных и функциональных генов (промотор, оператор, терминатор). Последовательность структурных генов определяет синтез группы белков, учавствующих в одной цепи биохимических реакций. Оперонная модель предполагает наличие единой системы регуляции, то есть объединенные в один оперон структурные гены имеют один общий ген – промотор, ген – оператор и ген – терминатор. Со структурных генов транскрибируется единая полицистронная мРНК, затем она разрезается и синтезируются отельные пептиды. Регуляция транскрипции изучена на кишечной палочке, она может идти по типу индукции и корепрессии.
Регуляция активности генов по типу индукции
Примером регуляции экспрессии генов по типу индукции может служить лактозный оперон. В эксперименте было отмечено, что после введения в питательную среду сахара лактозы в цитоплазме клетки появляются три фермента. Лактоза выступает в роли индуктора синтеза ферментов – расщепления, которые превращают субстрат в продукт, необходимый для жизнедеятельности бактерий. Лактоза связывает белок — репрессор, изменяет его третичную структуру, он теряет способность соединятся с геном — оператором. Свободный ген – оператор включает оперон, РНК-полимераза взаимодействует с геном – промотором и со структурных генов осуществляется транскрипция полицистронной мРНК. (рис. 11) После удаления из среды лактозы, освобожденный белок – репрессор вновь блокирует ген – оператор и оперон выключается, транскрипция прекращается.
Регуляция активности генов по типу корепрессии
У бактерий описана система регуляции, которая переводит активные структурные гены в неактивное состояние, в зависимости от концентрации в цитоплазме конечного продукта определенной биохимической реакции. Примером может служить триптофановый оперон, он является системой, постоянно кодирующей синтез незаменимой аминокислоты – триптофана. Избыточное количество этой аминокислоты, то есть конечного продукта, активизирует белок – репрессор, он блокирует ген – оператор и транскрипция прекращается, синтез триптофана останавливается (рис. 12)
Таким образом, оперонная модель – это саморегулируемая система, работает по принципу обратной связи и носит приспособительный характер. Синтез фермента запускается поступлением в клетку субстрата реакции (индуктор) и прекращается при его избытке, при этом конечный продукт выступает в роли корепрессора.
Регуляция работы генов у эукариот
Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции по типу обратной связи сохраняется, но механизмы её более сложны. Это обусловлено появлением ядерной оболочки и разобщением процессов транскрипции и трансляции во времени и пространстве.
Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона начинается промотором и инициатором, за ней следует группа генов операторов и далее расположена информативная зона. Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны и интроны. Заканчивается транскриптон терминатором.
В настоящее время установлено, что регуляция транскрипции эукариот носит комбинационный характер. Это означает, отсутствие оперонной модели организации генов и синтез ферментов одной цепи биохимических реакций не имеют единой регулируемой системы.
Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов и синтезируется несколько белков-репрессоров.
Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (гормоны и другие вещества), для расщепления их требуется несколько ферментов. Индукторы освобождают гены – операторы от белков – репрессоров, РНК – полимераза запускает транскрипцию. Вначале синтезируется большая молекула предшественница мРНК, списывающая всю информацию. После процессинга происходит ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами – рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Синтезируется моноцистронная мРНК (рис.13). Включение и выключение транскриптона происходит так же, как и оперона.
В геноме эукариот встречаются уникальные последовательности нуклеотидов ДНК (одна в геноме), у человека на них приходится до 56%. Уникальная ДНК входит в состав структурных генов и даёт информацию о первичной структуре полипептидов. Кроме того, в геномах эукариот содержатся последовательности нуклеодидов, многократно повторяющиеся. Эти гены выполняют разнообразные функции: являются промоторами, регулируют репликацию ДНК, участвуют в кроссинговере, отделяют экзоны и интроны и др. Жизнедеятельность организма обусловлена функциональной активностью в основном уникальных генов, а она, в свою очередь, зависит от состояния внутренней среды организма (гормональный фон и др.), а также условий окружающей среды.
8.1. Ген как дискретная единица наследственности
Одним из фундаментальных понятий генетики на всех этапах ее развития было понятие единицы наследственности. В 1865 году основоположник генетики (науки о наследственности и изменчивости) Г. Мендель на основании результатов своих опытов на горохе пришел к заключению, что наследственный материал дискретен, т.е. представлен отдельными единицами наследственности. Единицы наследственности, которые отвечают за развитие отдельных признаков, Г.Мендель назвал «задатками». Мендель утверждал, что в организме по любому признаку имеется пара аллельных задатков (по одному от каждого из родителей), которые между собой не взаимодействуют, не смешиваются и не изменяются. Поэтому, при половом размножении организмов в гаметы попадает лишь один из наследственных задатков в «чистом» неизменном виде.
Позже предположения Г.Менделя о единицах наследственности получили полное цитологическое подтверждение. В 1909 году датский генетик В. Иогансен назвал «наследственные задатки» Менделя генами.
В рамках классической генетики ген рассматривается как функционально неделимая единица наследственного материала, определяющая формирование какого-либо элементарного признака.
Различные варианты состояния определенного гена, возникшие в результате изменений (мутаций), получили название «аллели» (аллельные гены). Количество аллелей гена в популяции может быть значительным, но у конкретного организма число аллелей определенного гена всегда равно двум – по числу гомологичных хромосом. Если в популяции количество аллелей какого-либо гена больше двух, то такое явление получило название «множественного аллелизма».
Гены характеризуются двумя противоположными по биологическому значению свойствами: высокой стабильностью своей структурной организации и способностью к наследственным изменениям (мутациям). Благодаря этим уникальным свойствам обеспечивается: с одной стороны – устойчивость биологических систем (неизменяемость в ряде поколений), а с другой – процесс их исторического развития, формирования адаптаций к условиям окружающей среды, т.е. эволюция.
8.2. Ген как единица генетической информации. Генетический код.
Еще Аристотель более 2500 лет тому высказал предположение о том, что гаметы – это отнюдь не миниатюрные варианты будущего организма, а структуры, содержащие информацию о развитии эмбрионов (хотя он признавал только исключительно важность яйцеклетки в ущерб сперматозоиду). Однако развитие этой идеи в современных исследованиях стало возможным лишь после 1953 года, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик разработали трехмерную модель строения ДНК и тем самым создали научные предпосылки для раскрытия молекулярных основ наследственной информации. С этого времени началась эра современной молекулярной генетики.
Развитие молекулярной генетики привело к раскрытию химической природы генетической (наследственной) информации и наполнило конкретным смыслом представление о гене как единици генетической информации.
Генетическая информация – информация о признаках и свойствах живых организмов, заложенная в наследственных структурах ДНК, которая реализуется в онтогенезе через синтез белка. Наследственную информацию, как программу развития организма, каждое новое поколение получает от предков в виде совокупности генов генома. Единицей наследственной информации является ген, который представляет собой функционально неделимый участок ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющей последовательность аминокислот определенного полипептида или нуклеотидов РНК.
Наследственная информация о первичной структуре белка записана в ДНК с помощью генетического кода.
Генетический код – система записи генетической информации в молекуле ДНК (РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов. Этот код служит ключом для перевода последовательности нуклеотидов в и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи при ее синтезе.
Свойства генетического кода:
1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (триплетом или кодоном)
2. Вырожденность – большинство аминокислот шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). В ДНК или РНК имеется 4 различных нуклеотида, которые теоретически могут образовывать 64 разных триплета (4 3 = 64) для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белков. Этим и объясняется вырожденность генетического кода.
3. Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.
4. Специфичность (однозначность) – каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
5. Код не имеет знаков препинания. Считывание информации с и-РНК при синтезе белка всегда идет в направлении 5 , -- 3 , в соответствии с последовательностью кодонов иРНК. Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывание его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кода, из-за чего изменится аминокислотный состав в молекуле белка.
6. Код универсален для всех живых организмов и вирусов: одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.
Универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов
Однако, универсальность генетического кода не является абсолютной. В митохондриях ряд кодонов имеет другой смысл. Поэтому иногда говорят о квазиуниверсальности генетического кода. Особенности генетического кода митохондрий свидетельствует о возможности его эволюционирования в процессе исторического развития живой природы.
Среди триплетов универсального генетического кода три кодона не кодируют аминокислоты и определяют момент окончания синтеза данной полипептидной молекулы. Это так называемые «nonsens» кодоны (стоп-кодоны или терминаторы). К ним относятся: в ДНК – АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК – УАА, УГА, УАГ.
Соответствие нуклеотидов в молекуле ДНК порядку аминокислот в молекуле полипептида получило название коллинеарности. Экспериментальное подтверждение коллинеарности сыграло решающую роль в расшифровке механизма реализации наследственной информации.
Значение кодонов генетического кода приведены в таблице 8.1.
Табл.8.1. Генетический код (кодоны иРНК для аминокислот)
С помощью этой таблицы по кодонам иРНК можно определить аминокислоты. Первый и третий нуклеотиды берут из вертикальных столбиков, расположенных справа и слева, а второй – с горизонтального. В месте перессичения условных линий содержится информация про соответствующую аминокислоту. Отметим, что в таблице приводится триплеты и-РНК, а не ДНК.
Структурно - функциональная организация гена
Молекулярная биология гена
Современное представление о строении и функции гена формировалось в русле нового направления, которое Дж.Уотсон назвал молекулярной биологией гена (1978)
Важным этапом в изучении структурно – функциональной организации гена были работы С. Бензера в конце 1950-хх годов. Они доказали, что ген представляет собой нуклеотидную последовательность, которая может изменятся в результате рекомбинаций и мутаций. Единицу рекомбинации С.Бензер назвал реконом, а еденицу мутации – мутоном. Экспериментально установлено, что мутон и рекон соответствуют одной паре нуклеотидов. Единицу генетической функции С. Бензер назвал цистроном.
В последние годы стало известно, что ген имеет сложное внутренее строение, а отдельные его части обладают разными функциями. В гене можно выделить последовательность нуклеотидов гена, которая определяет строение полипептида. Эта последовательность называется цистроном.
Цистрон – это последовательность нуклеотидов ДНК, которая определяет отдельную генетическую функцию полипептидной цепи. Ген может быть представлен одним или несколькими цистронами. Сложные гены содержащие в себе несколько цистронов называются полицистронными .
Дальнейшее развитие теории гена связано с выявлением различий в организации генетического материала у организмов далеких друг от друга в таксономическом отношении, которыми являются про- и эукариоты.
Структура генов прокариот
У прокариот, типичными представителями которых являются бактерии, большинство генов представлены непрерывными информативными участками ДНК, вся информация которых используется при синтезе полипептида. У бактерий гены занимают 80-90% ДНК. Главная особенность генов прокариот – это их объединение в группы или опероны.
Оперон – это группа следующих подряд структурных генов, находящихся под контролем одного регуляторного участка ДНК. Все сцепленые гены оперона кодируют ферменты одного метаболического пути (например, расщепление лактозы). Такая общая молекула иРНК называется полицистронной. Только некоторые гены прокариот транскрибируются индивидуально. Их РНК называется моноцистронной.
Организация по типу оперона позволяет бактериям быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой. Бактерии не синтезируют ферменты определенного метаболического пути в отсутствии необходимого субстрата, но способны начать их синтезировать при появлении субстрата.
Структура генов эукариот
Большинство генов эукариот (в отличии от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирующие структуру полипептида участки – экзоны, но и некодирующие – интроны. Интроны и экзоны чередуются между собой, что придает гену прерывистую (мозаичную) структуру. Количество интронов в генах варьиирует от 2-х до десятков. Роль интронов до конца неясна. Полагают, что они учавствуют в процессах рекомбинации генетического материала, а также в процессах регуляции экспресии (реализации генетической информации) гена.
Благодаря экзонно – интронной организации генов создаются предпосылки для альтернативного сплайсинга. Альтернативний сплайсинг- процесс «вырезания» разных интронов из первичного РНК-транскрипта в результате чего на основе одного гена могут синтезироватся разные белки. Явление альтернативного сплайсинга имеет место у млекопитающих при синтезе различних антител на основе иммуноглобулиновых генов.
Дальнейшие исследование тонкой структуры генетического материала еще больше осложнило четкость определения понятия «ген». В геноме эукариот были обнаружены обширные регуляторные области имеющие различные участки, которые могут располагатся за пределами едениц трансскрипции на расстоянии в десятки тысяч пар нуклеотидов. Структуру эукариотического гена, включающую транскрибируемые и регуляторные области, можно представить следующие образом.
Рис 8.1. Структура эукариотического гена
1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области.
Промотор – участок ДНК для связывания с РНК – полимеразой и образование комплекса ДНК-РНК полимеразы для запуска синтеза РНК.
Энхансеры - усилители транскрипции.
Сайленсеры – ослабители транскрипции.
В настоящее время ген (цистрон) рассматривается как функционально неделимая единица наследственного мастерства, определяющая развитие какого – либо признака или свойства организма. С позиции молекулярной генетики ген представляет собой участок ДНК (у некоторых вирусов РНК), который несет информацию о первичной структуре полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК.
В диплоидных клетках человека примерно 32000 пар генов. Большинство генов в каждой клетке «молчит». Набор активных генов зависит от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов. Можно сказать, что в каждой клетке «звучит» свой акорд генов, определяя спектр синтезируемых РНК, белков и, соответственно, свойства клетки.
Структура генов вирусов
Вирусы имеют структуру гена, отражающую генетическую структуру клетки - хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в опероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот имеют интроны.
Характерная особенность вирусных геномов – это явление «перекрывающихся» генов («ген в гене»). В «перекрывающихся» генах каждый нуклеотид принадлежит одному кодону, но имеются разные рамки считывание генетической информации с одной и той же нуклеотидной последовательности. Так, у фага φ Х 174 имеется участок молекулы ДНК, который входит в состав сразу трех генов. Но соответствующие этим генам последовательности нуклеотидов прочитывается каждая в своей системе отсчета. Поэтому нельзя говорить о «перекрывании» кода.
Такая организация генетического материала («ген в гене») расширяет информационные возможности сравнительно небольшого по величине генома вирусов. Функционирование генетического материала вирусов происходит по-разному в зависимости от структуры вируса, но всегда с помощью ферментной системы клетки хозяина. Различные способы организации генов у вирусов, про- и эукариотов представлены на рис 8.2.
Функционально – генетическая классификация генов
Существует несколько классификаций генов. Так, например, выделяют аллельные и неаллельные гены, летальные и полулетальные, гены «домашнего хозяйства», «гены роскоши» и т.д.
Гены «домашнего хозяйства» - набор активных генов, необходимых для функционирования всех клеток организма независимо от типа ткани, периода развития организма. Эти гены кодируют ферменты транскрипции, синтеза АТФ, репликации, репарации ДНК и др.
Гены «роскоши» имеют избирательную активность. Их функционирование специфично и зависит от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов.
Исходя из современных представлений о гене как функционально неделимой единице наследственного материала и системной организации генотипа все гены принципиально можно разделить на две группы: структурные и регуляторные.
Регуляторные гены – кодируют синтез специфических белков, влияющих на функционирование структурных генов таким образом, что в клетках разной тканевой принадлежности синтезируются необходимые белки и в необходимых количествах.
Структурными называются гены, которые несут информацию о первичной структуре белка, рРНК или тРНК. Гены, кодирующие белки, несут информацию о последовательности аминокислот определенных полипептидов. С этих участков ДНК транскребируется иРНК, которая служит матрицей для синтеза первичной структуры белка.
Гены рРНК (выделяют 4 разновидности) содержат информацию о последовательности нуклеотидов рибосомальных РНК и обуславливают их синтез.
Гены тРНК (более 30 разновидностей) несут информацию о строении транспортных РНК.
Структурные гены , функционирование которых тесно связано со специфическими последовательностями в молекуле ДНК, называемыми регуляторными участками, подразделяются на:
· независимые гены;
· повторяющиеся гены;
· кластеры генов.
Независимые гены – это гены, транскрипция которых не связана с транскрипцией других генов в рамках транскрипционной еденицы. Их активность может регулироваться экзогенными веществами, например, гормонами.
Повторяющиеся гены присутствуют в хромосоме в виде повторов одного гена. Ген рибосомной 5-S-РНК повторяется много сотен раз, причем повторы располагаются тандемом, т. е. следуя вплотную друг за другом без промежутков.
Кластеры генов – это локализованные в определенных участках (локусах) хромосомы группы разных структурных генов с родственными функциями. Кластеры тоже часто присутствуют в хромосоме в виде повторов. Например, кластер гистоновых генов повторяется в геноме человека 10-20 раз, обазуя тандемную групу повторов.(рис. 8.3.)
Рис.8.3. Кластер гистоновых генов
За редким исключением кластеры транскрибируются как одно целое – в виде одной длинной пре-мРнк. Так пре-мРНК кластера гистоновых генов содержит информацию про все пять гистоновых белков. Это ускоряет синтез гистоновых белков, которые принимают участие в формировании нуклеосомной структуры хроматина.
Существуют также сложные кластеры генов, которые могут кодировать длинные полипептиды с несколькими ферментативными активностями. Например, один из генов NeuraSpora grassa кодирует полипептид с молекулярной масой 150000 дальтон, который отвечает за 5 последовательных этапов в биосинтезе ароматических аминокислот. Полагают, что полифункциональные белки имеют несколько доменов – конформационно ограниченных полуавтономных образований в полипептидной цепи, выполняющих специфические функции. Открытие полуфункциональных белков дало основание полагать, что они являются одним из механизмов плейотропного действия одного гена на формирование нескольких признаков.
В кодирующей последовательности этих генов могут вклиниваться некодирующие, называемые интронами. Кроме того между генами могут находится участки спейсерной, и сателитной ДНК (рис.8.4).
Рис.8.4. Структурная организация нуклеотидных последовательностей (генов) в ДНК.
Спейсерная ДНК располагается между генами и не всегда транскрибируется. Иногда участок такой ДНК между генами (так называемый спейсер) содержит какую-то информацию, относящуюся к регуляции транскрипции, но он может представлять собой и просто короткие повторяющиеся последовательности избыточной ДНК, роль которой остается неясной.
Сателитная ДНК содержит большое количество групп повторяющихся нуклеотидов, которые не имеют смысла и не транскрибируются. Эта ДНК часто располагается в области гетерохроматина центромер митотических хромосом. Одиночные гены среди сателитной ДНК имеет регулирующие и усиливающие действие на структурные гены.
Большой теоритический и практический интерес для молекулярной биологии и медицинской генетики представляет микро- и минисателитные ДНК.
Микросателитная ДНК – короткие тандемные повторы из 2-6, (чаще из 2-4) нуклеотидов, которые получили название STR. Наиболее распространенными являются нуклеотидные ЦА- повторы. Количество повторов может существенно различатся у разных людей. Микросателиты находятся преимущественно в некоторых участках ДНК и насследуются по законам Менделя. Ребенок получают одну хромосому от матери, с определенным количеством повторов, другую от отца - с другим количеством повторов. Если рядом с геном ответственным за моногенное заболевание, или внутри гена расположен такой кластер микросателитов, то маркером патологического гена может быть определенное количество повторов по длине кластера. Эта особенность используется при непрямой диагностике генных болезней.
Минисателитная ДНК – тандемные повторы из 15-100 нуклеотидов. Они получили название VNTR – вариабельные по количеству тандемные повторы. Длина этих локусов также существено вариабельна у разных людей и может быть маркером (меткой) патологического гена.
Микро- и макросателитные ДНК используют:
1. Для диагностики генных болезней;
2. В судебно-медицинской экспертизе для идентификации личностей;
3. Для установления отцовства и в других ситуациях.
Наряду со структурными и регуляторными повторяющимися последовательностями, функции которых неизвестны, обнаружены мигрирующие нуклеотидные последовательности (транспозоны, мобильные гены), а также так называемые псевдогены у эукариот.
Псевдогены – нефункционирующие последовательности ДНК, которые сходные с функционирующими генами.
Вероятно, они произошли путем дупликации, а неактиаными копии стали в результате мутаций, нарушивших какие-либо стадии экспрессии.
По одной из версий псевдогены являются «эволюционным резервом»; по-другой – представляют собой «тупики эволюции», побочный эффект перестроек некогда функционирующих генов.
Транспозоны - структурно и генетически дискретные фрагменты ДНК, способные перемещаться от одной молекулы ДНК к другой. Впервые предсказаны Б.Мак-Клинток (рис. 8) в конце 40-х годов XX века на основе генетических экспериментов на кукурузе. Изучая природу окраски зерен кукурузы она сделала предположение, что существуют так званые мобильные („прыгающее”) гены, которые могут перемещаться по геному клетки. Пребывая по соседству с геном ответственным за пигментацию зерен кукурузы мобильные гены блокируют его работу. В дальнейшем транспозоны были выявлены у бактерий и было установлено, что они ответственны за устойчивость бактерий к различным токсическим соединениям.
Рис. 8.5. Барбара Мак- Клинток Впервые предсказала о существовании мобильных («прыгающих») генов, способных перемещаться по геному клеток.
Мобильные генетические элементы выполняют такие функции:
1. кодируют белки, ответственные за их перемещение и репликацию.
2. вызывают многие наследственные изменения в клетках, вследствии чего образуется новый генетический материал.
3. приводит к образованию раковых клеток.
4. встраиваясь в различные участки хромосом, они инактивируют или усиливают экспрессию клеточных генов,
5. является важным фактором биологической эволюции.
Современное состояние теории гена
Современные теории гена сформирована благодаря переходу генетики на молекулярный уровень анализа и отражает тонкую структурно-функциональную организацию единиц насследственности. Основные положения этой теории следующие:
1) ген(цистрон) – функциональная неделимая еденица наследственного материала (ДНК у организмов и РНК у некоторых вирусов), определяющая проявление наследственного признака или свойства организма.
2) Большинство генов существует в виде двух или большего числа альтернативных (взаимоисключающих) вариантов аллелей. Все аллели данного гена локализуются в одной и той же хромосоме в определенном ее участке, которую назвали локусом.
3) Внутри гена могут происходить изменения в виде мутаций и рекомбинаций; минимальные размеры мутона и рекона равны одной паре нуклеотидов.
4) Существуют структурные и регуляторные гены.
5) Структурные гены несут информацию о последовательности аминокислот в определенном полипептиде и нуклеотидов в рРНК, тРНК
6) Регуляторные гены контролируют и направляют роботу структурных генов.
7) Ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка, он является матрицей для синтеза различных видов РНК, которые непосредственно принимают участие в синтезе белка.
8) Существует соответствие (колиннеарность) между расположением триплетов из нуклеотидов в структурных генах и порядком аминокислот в молекуле полипептида.
9) Большинство мутаций гена не проявляются в фенотипе, так как молекулы ДНК способны к репарации (востановлению своей нативной структуры)
10) Генотип являет собой систему, которая состоит из дискретных едениц – геннов.
11) Фенотическое проявление гена зависит от генотипической среды, в которой находится ген, влияние факторов внешней и внутренней среды.
