Надо Знать

добавить знаний



Ген



План:


Введение

Ген - единица наследственного материала, который отвечает за формирование определенной элементарной признаки. Ген является участком молекулы ДНК, содержащая 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, наиболее известные из которых матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК), из которой в процессе трансляции считывается информация аминокислотной последовательности белка. Белки играют в организме специфическую роль, которая может проявляться в характерном признаке. С этой точки зрения гены рассматриваются как носители наследственной информации, которая передается в размножения от родителей к потомкам. Экспрессия генов - это проявление активного состояния гена в отдельной клетке.

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


1. История исследования

В 1854 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, заложив фундамент для распознавания различия генотипа и фенотипа. Позже его открытия были сформулированы в законах Менделя.

1900 считается годом "переоткрытия" законов Менделя, когда ботаники Хуго де Фриз, Эрих Чермак и Карл Корренс поняли, что существует количественная закономерность наследования факторов, отвечающих за проявление признаков у потомков.

Термин "ген" был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. Очевидно, что это производное срок от слова генетика, который уже раньше, в 1905 году был предложенный Уильямом Бэтсоном с греческого genetikos. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, лишь 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 гена 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 Герман Мюллера по облучению дрозофил рентгеновским излучением показали количественную зависимость между дозой и мутагенным эффектом, окончательно доказало факт, что гены являются физическим объектам, 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 названо трансформацией. Окончательно доказано, что ДНК носитель генетической информации.

В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем установили, что дефекты в обмене веществ связана с мутациями определенных генов. Сформулирована концепция ?один ген - один фенмент", которая позже уточнилась в "один ген - один полипептид".

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

В 1972 году Вальтер Фриз (Бельгия) опубликовал первую геномной последовательности гена, кодирующего белок оболочки бактериофага MS2 [1].

Современная формулировка гена - "дискретная участок геномной последовательности, соответствующей единицы наследственности и ассоциирована с регуляторными регионами, транскрибованих регионами и другими фунциональном геномными последовательностями". [2] [3]

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 - различные варианты одного гена, который проявляется в разновидностях фенотипического проявления. На это важно обращать внимание при интерпретации информации из научно-популярных статей в прессе.


2. Структура гена

2.1. 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).

Наиболее 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.


2.2. Функциональная структура

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которой вследствие транскрипции считывается одноцепная РНК -копия.

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

Комбинация и последовательность этих участков могут быть особыми для каждого конкретного гена, а также структура гомологичных генов у разных организмов могут существенно отличаться. Типовому 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 сшивания различных участков экзонов и образование различных вариантов мРНК, считана с одного участка ДНК. Отношение длины и количества интронов в генах очень разнообразна. Есть гены как с одним интронов, в то время, как существуют гены, в которых интроны составляют до 95% всей нуклеотидной последовательности. Длинный человеческий ген белка дистрофина [4] имеет длину 2,5 миллиона нуклеотидов (это 0,08% всего человеческого генома) и кодирует пептид длиной 3685 аминокислот. Доля кодирующей последовательности составляет 0,44%.

Зрелая мРНК содержит открытую рамку считывания, а также некодирующие элементы: 5-нетрансльовану участок, и 3'-нетрансльовану участок. Эти участки задействованы в регуляции процесса трансляции, а также регулирующие активность специфических ферментов, разрушающих мРНК - РНКазы.

Гены прокариот отличаются от генов еукариотив тем, что не содержат в своей структуре интронов. При этом отдельные кодирующие участки могут быть расположены плотно друг к другу (полицистронний кластер) так, что регулються 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 в прокариот.

Гены кодируют не только мРНК, которая транслируется в белок, а также структурную рибосомную РНК, транспортную РНК, рибозимы и микроРНК, которые играют регуляторную функцию.


2.3. Геномная организация

Общая сукуписть генов в организме или клетке называется геномом. У прокариот подавляющее большинство генов, расположенных на одной хромосоме, который имеет вид кольцевой ДНК. В эукариот обычно несколько отдельных линейных спиралей ДНК упакованы в плотные комплексы ДНК-белок, которые называются хромосомами. Гены, расположенные 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 хромосомах, 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, которые находятся 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 - полиплоидных. Копии гена на парных хромосомах могут быть не идентичными. Во время полового размножения одна копия гена наследуется от одного отца, другой - от другого.

По предварительным оценкам, количество человеческих генов составляет 50 000-100 000 [5]. Лишь небольшое их количество транслируется в белок (~ 20 000 в человека, мышей и дрозофил, ~ 13 000 в круглых червей,> 46 000 в риса) [6]. Таким образом, только 1-2% генома кодирует белки [7]. Большая часть генома транскрибируется в виде интронов, ретро транспозонов и в некодирующие РНК.


3. Експресія та регуляція роботи генів

Процес синтезу біологічно функціональної молекули РНК або білку називається експресією генів, і в результаті сама молекула називається генним продуктом.

Експресія генів, закодованих в ДНК, починається з розшифровки генів в РНК (транскрипція), інший тип нуклеїнової кислоти, яка дуже схожа на ДНК, але її мономери містять цукор рибозу, а не дезоксирибозу. РНК також містить нуклеотид урацил замість тиміну. Молекули РНК менш стабільні, ніж ДНК і, як правило, одноланцюгові. Генетичний код вказує на відповідність певній амінокислоті в переказі з тринуклеотидної послідовності - кодону. Існує 64 можливих кодони і тільки 20 стандартних амінокислот. Це означає, що генетичний код вироджений, або надмірний і декілька різних кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту. Відповідність між кодонами і амінокислотами майже універсальна між всіма відомими організмами.


3.1. Транскрипция

В процесі генетичної транскрипції синтезується одноланцюгова молекула матричної РНК, послідовність нуклеотидів якої є комплементарною до шаблонної ДНК, з якої вона зчитується. Транскрипція здійснюється ферментом РНК-полімеразою, що читає шаблонну послідовність в 3'- 5' напрямку і синтезує РНК в 5' - 3'напрямку. Для початку транскрипції, полімераза спочатку розпізнає і зв'язується з промоторною ділянкою гена. Таким чином основним механізмом регуляції роботи генів на рівні транскрипції є блокування промоторної області сильним зв'язком з репрессорними молекулами, які фізично блокують полімеразу, або шляхом організації ДНК таким чином, щоб промоторний регіон не був доступним.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі. У випадку дуже довгих транскриптів трансляція в білок може початися на 5 'кінці РНК , в той час як транскрипція 3' кінця все ще буде тривати. У еукаріотів транскрипція завжди відбувається у ядрі, первинні транскрипти РНК повинні спочатку пройти пост-транскрипційні зміни, перш ніж експортуються в цитоплазму для трансляції. Альтернативний сплайсинг є додатковою формою регуляції роботи генів на рівні процесингу.


3.2. Трансляция

Трансляція це процес, при якому зрілі молекули мРНК використовується в якості шаблону для синтезу нових білків. Трансляція здійснюється рибосомами, великими комплексами РНК і білку, що відповідальні за проведення хімічних реакцій додавання нових амінокислот до поліпептидного ланцюга з утворенням пептидного зв'язку. Генетичний код зчитується трьох нуклеотидів одночасно, за допомогою взаємодії зі спеціалізованими молекулами РНК, які називаються транспортною РНК (тРНК). Кожна тРНК має три неспарених основи, відомі як антикодон і які є комплементарними до кодону, що зчитується. тРНК також ковалентно пов'язані з амінокислотою, відповідно до кодону. Коли тРНК зв'язується зі своїм комплементарним кодоном в мРНК ланцюзі, рибосоми передають з нього амінокислоту до карбоксильного кінця нового поліпептидного ланцюга. Під час і після синтезу, новий білок повинен скластись в активну тривимірну структуру, перш ніж він зможе виконувати свої клітинні функції. Постртрансляційні модифікації складають ще один етап регуляції роботи генів.


4. Успадкування генів

Рост, развитие и размножение организмов базируется на делении клеток, т.е. процессе, во время 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-полимераз, которые "читают" шаблонный цепь двойной спирали ДНК и синтезируют новый комплементарный цепь. Поскольку двойная спираль ДНК держится вместе благодаря испарения комплементарных нуклеотидов, последовательность одной цепи полностью определяет последовательность другой, поэтому только одна цепь должен быть прочитан ферментом, чтобы создать точную копию. Процесс репликации ДНК напивконсервативной, есть копии генома, который наследует каждая дочерняя клетка содержит один оригинал и один ново синтезирован цепь ДНК [8].

После того, как репликация ДНК завершилась, клетка должна физически разделить две копии генома и распределить их по двум клетках. В прокариот - бактерий и архей - это, как правило, происходит с помощью относительно простого процесса бинарного деления, при котором каждый из кильцьових геномов пристает к клеточной мембраны 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. В эукариот деление клеток является более сложным процессом, известный как клеточный цикл. Репликация ДНК происходит во время S фазы этого цикла, в то время как процесс деления 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 двух дочерних клетках.

У организмов, размножающихся половым путем, специализированная форма клеточного деления мейоз продуцирует 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, которые производятся в мужских - спермой. Две гаметы сливаются, образовывая оплодотворенную яйцеклетку, которая содержит диплоидный набором 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 сестринские хроматиды. Это не имеет никакого эффекта, если аллели на хроматида те же, но в противном 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 одноеи признаки, не имеющие отношения к аллелей, которые он наследует для другого признака. Это действительно верно только для генов, которые не размещены на той же хромосоме, или хотя 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 ​​зачастую 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.


5. Особые гены

5.1. РНК гена

Хотя во всех клеточных живых организмов гены закодированы в посладовности 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. Процессу танскрипции ДНК в РНК не происходит. Вместо ретровирусы при инфекции сначала "перечитывают" РНК в ДНК с участием фермента обратной транскриптазы.


5.2. 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 дупликация и / или мутациями, которые накопились без какого-либо отбора и утратили свою первоначальную функцию. Некоторые, кажется, все же играют определенную роль в регуляции активности других генов. Геном человека содержит около 20000 псевдогенов.

5.3. Мобильные гены

Также известны как транспозонов и являются мобильными геномными регионами, которые могут свободно перемещаться по ДНК. Они способны сами себя вырезать из одного места в геноме и переноситься в другое. Транспозоны активны не только в клетках зародышевой линии, как считалось ранее, но и в предшественниках нейронных клеток. Результаты исследований показывают, что транспозоны играют важную роль, выступая в качестве ?креативного фактора" в геноме и способны быстро распространять важные генетические "инновации" в наследственном материале [9].


6. Генетическая изменчивость

В 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.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам