Moderné predstavy o gen. Moderné predstavy o ľudskom genóme, jeho štúdium Moderné predstavy o molekulárnej organizácii genómu
Gene, alebo dedičný faktor, - Toto časť molekuly DNA (v mnohých RNA vírusoch) kódujúca primárnu štruktúru polypeptidovej, prenosovej alebo ribozomálnej molekuly RNA.
Celkový počet génov v bunke vyšších organizmov je podľa rôznych odhadov 50 – 200 000. Každý štruktúrny gén zodpovedá konkrétnemu proteínu. Gény kódujúce syntézu proteínov v eukaryotoch pozostávajú z niekoľkých prvkov.
V prvom rade ide o regulačnú zónu (región), ktorá ovplyvňuje aktivitu génu v rôzne obdobiaživota organizmu. Regulačná oblasť zahŕňa promótor- nukleotidová sekvencia DNA dlhá až 80-100 párov báz, ktorú rozpozná molekula enzýmu RNA polymerázy a spojí sa s ňou, čím sa začne transkripcia daného génu. V tomto prípade promótor určuje, ktoré z vlákien dvojzávitnice DNA sa naviaže na RNA polymerázu a bude tak slúžiť ako templát pre syntézu mRNA.
V prokaryotoch, ktoré sa nachádzajú za promótorom operátor- úsek DNA, ktorý je „rozpoznaný“ špecifickými represorovými proteínmi a reguluje transkripciu jednotlivých génov. Operátor a ním riadené štruktúrne gény tvoria spolu funkčný celok tzv operón.
Okrem toho sa v chromozómoch našli oblasti - zosilňovače transkripcie, ktorý sa nachádza vo veľkej vzdialenosti od kódujúcej nukleotidovej sekvencie génu a jeho promótora. Pre normálna operácia Veľmi dôležité sú aj génové oblasti umiestnené na konci kódujúcej sekvencie a slúžiace ako signál na zastavenie transkripcie. Nazývajú sa terminátory.
Dôležitým znakom génov eukaryotických organizmov je ich diskontinuita. Na rozdiel od prokaryotickej mRNA, ktorá obsahuje celú nukleotidovú sekvenciu štruktúrneho génu, eukaryotická mRNA obsahuje kódujúce oblasti - exóny - striedajúce sa s nekódujúcimi - intróny. Intróny sa líšia veľkosťou od niekoľkých jednotiek po niekoľko tisíc nukleotidových párov; Navyše ich dĺžka môže byť väčšia ako dĺžka exónov a počet intrónov v géne môže dosiahnuť dva až tri tucty.
Po dokončení transkripcie z molekuly mRNA obsahujúcej exóny aj intróny sú exóny aj intróny vyrezané enzýmami počas spracovanie. Ďalej sú kódujúce oblasti exónov fúzované do jednej molekuly. Tento proces sa nazýva spájanie RNA. Exóny sú spojené do translatovanej molekuly mRNA v rovnakom poradí, v akom sú umiestnené v DNA. Takto premenená mRNA sa nazýva zrelá mRNA.
Génová štruktúra vírusov odráža genetickú organizáciu hostiteľskej bunky. Gény bakteriofágov sú teda zostavené do rperónov a nemajú intróny, zatiaľ čo eukaryotické vírusy ich majú.
Gene - fragment molekuly DNA obsahujúci dedičnú informáciu o primárnej štruktúre jedného proteínu (polypeptid, enzým) alebo nukleotidovej sekvencii jednej t-RNA alebo r-RNA
· Je jednotkou fungovania dedičného materiálu, ktorá určuje vývoj znaku (prípadne skupiny znakov) alebo vlastností organizmu (základná štrukturálna a funkčná jednotka chromozómu)
Primárnym produktom funkcie génu je mRNA a potom proteín-enzým (polypeptid) alebo r-RNA a t-RNA
Súčasný stav teórie génov (vlastnosti génov)
1. Pôsobí ako kódovací systém
2. Má schopnosť automatická reprodukcia (replikácia)
3. Má schopnosť mutácie(Základnou jednotkou génovej mutácie je Mouton)
4. Má schopnosť rekombinácia(Základnou jednotkou génovej rekombinácie je rekon)
5. Vlastní diskrétna akcia
6. Existujú štruktúrne, funkčné, regulačné a modulačné gény
7. Zaberá určitú časť chromozómu – lokus
Štruktúra génu
Genetický materiál vnútri génu je komplexne organizovaný a má lineárne usporiadanie
Gén pozostáva z mnohých miest mutácie ( stránky) oddelené počas rekombinácie
Cistron - najmenší segment DNA (800-1200 párov báz), ktorého mutácia je sprevádzaná vznikom mutantného fenotypu - elementárny funkčná jednotka génu (určuje syntézu jedného polypeptidu)
· Gén v eukaryotoch pozostáva z niekoľkých základných prvkov:
n regulačnej zóny - reguluje aktivitu génu v určitom tkanive v určitom štádiu ontogenézy
n promótor - sekvencia DNA až 80-100 nukleotidových párov, zodpovedná za väzbu RNA polymerázy, ktorá prepisuje daný gén
n štruktúrna zóna - časť génu obsahujúca informácie o primárnej štruktúre zodpovedajúceho enzýmového proteínu (podstatne kratšia ako regulačná zóna, ale niekoľko tisíc nukleotidových párov)
n Terminátor - sekvencia nukleotidov na konci génu, ktorá zastavuje transkripciu
Štrukturálna časť génu pozostáva z dvoch typov nukleotidových sekvencií:
1. Exóny - úseky DNA, ktoré nesú informácie o štruktúre proteínu (časť zrelej mRNA)
2. Intróny - úseky DNA, ktoré nekódujú proteínovú štruktúru (sú prepísané, ale nie sú zahrnuté v zrelej mRNA, pretože sú v procese „vyrezané“ spájanie)
Spájanie- enzymatický proces excízie intrónov z molekuly RNA a zostrihu exónov pri tvorbe zrelej mRNA
Klasifikácia génov
1. Štrukturálne gény - gény kódujúce vývoj špecifických znakov(produkt primárnej génovej aktivity je buď mRNA a potom polypeptid, alebo r-RNA a t-RNA)
2. Modulátorové gény - gény, ktoré posúvajú vývoj vlastnosti jedným alebo druhým smerom(napríklad frekvencia mutácií štrukturálnych génov); môže byť inhibítory alebo supresory, potlačenie aktivity alebo zosilňovače- zvýšenie aktivity génov
3. Génové regulátory - gény regulácia aktivity štruktúrnych génov(čas zahrnutia rôznych lokusov do ontogenézy)
Genotyp - súbor všetkých alel (génov) organizmu prijatých od rodičov (celý súbor dedičných informácií organizmu); súbor génov diploidného súboru chromozómov bunky
n genotyp, ktorý je diskrétny (pozostávajúci z jednotlivých génov), funguje ako jeden celok
genóm - súbor génov obsiahnutých v haploidnom súbore chromozómov bunky
fenotyp - súhrn všetkých vnútorných a vonkajších charakteristík a vlastností jedinca, vytvorených na základe genotypu v procese jeho ontogenézy, t.j. realizovanej časti genotypu
· sa vyvíja interakciou genotypu s prostredím, môže sa u jedného jedinca pomerne značne líšiť) a
Pojem alely
Väčšina génov existuje v populácii ako dva alebo viac alternatívnych variantov - alely
Alela - rôzne formy toho istého génu (vlastnosti), ktoré sa nachádzajú v rovnakých oblastiach (lokusy) homológne chromozómy(určiť alternatívne možnosti rozvoja pre tú istú vlastnosť
· Všetky alely daného znaku (génu) sú lokalizované na rovnakom chromozóme v určitej jeho časti - lokus(zodpovedajúci chromozómový lokus môže obsahovať len jednu zo všetkých možných alel konkrétneho génu)
Locus - segment (úsek) chromozómu, v ktorom je gén lokalizovaný
· Nové alely vznikajú mutáciami na rovnakom chromozómovom lokuse (vytvára sa tzv. séria viacnásobných alel, rozptýlených v populácii daného druhu - viacnásobný alelizmus
Viacnásobný alelizmus - fenomén existencie viac ako dvoch alternatívnych alelických génov v populácii, ktoré majú rôzne prejavy vo fenotype(napríklad črta farby očí u človeka má v populácii veľa alelických génov lokalizovaných v jednom lokuse určitého chromozómu)
· Alely sa od seba líšia obsahom dedičnej informácie o znaku, ktorého vývoj riadi gén
· Každá charakteristika organizmu je v jeho karyotype reprezentovaná párom alel v dôsledku prítomnosti homológnych chromozómov (jeden z nich je vždy otcovský, druhý materský); Jedna gaméta môže obsahovať iba jednu alelu
Homozygot (na tomto základe)- organizmus obsahujúci identické gény daného alelického páru, tvoriaci jeden typ gamét pre danú vlastnosť a neštiepiaci sa podľa fenotypu pri krížení s vlastným druhom - AA alebo aha
Heterozygot (na tomto základe)- organizmus obsahujúci rôzne gény daného alelického páru, tvoriaci niekoľko variet gamét, ktoré sa líšia v alelách a pri ďalšom rozmnožovaní sa delia na rôzne fenotypy - Aha
Dominantná alela (gén, vlastnosť) – alela (gén, znak) „silná“, supresívna, prejavujúca sa vždy vo fenotype
· Jej prejav nezávisí od prítomnosti inej alely daného radu v organizme (realizuje sa vždy fenotypovo, pretože . kóduje stabilnejšiu formu enzýmu); označené veľkým písmenom abecedy - A
Recesívna alela (gén, vlastnosť) – alela (gén, znak) „slabá“, potlačená, zaisťujúca vývoj znaku len pri absencii iných alel tohto génu
· označené veľkým písmenom abecedy - A(prejavuje svoj účinok iba v homológnom stave - aha a neprejavuje sa u heterozygotov - Aha)
Kodominantné alely- alely sú rovnako funkčne aktívne, ak sú v genotype prítomné spoločne
Alelické interakcie
1. Úplná dominancia - fenomén potlačenia fenotypového prejavu znaku dominantnou alelou (génom) pôsobenia alternatívnej alely u heterozygota.
2. Neúplná dominancia- interakcia dvoch alel, čím vzniká intermediárny fenotyp u heterozygota
3. Kodominancia- samostatný prejav alel u heterozygota
Monohybridný kríženec
Monohybridný kríženec- kríženie rodičov, ktorí sa líšia prejavom jedného znaku (jedného alternatívneho páru alel)
· Mendel robil pokusy s hrachom (veľmi úspešný objekt genetického výskumu, pretože hrach má mnoho odrôd, ktoré sa líšia iba jednou, dvomi alebo viacerými vlastnosťami, sú schopné samoopelenia a krížového opelenia, ľahko sa pestujú a majú krátke vývojové obdobie )
· Na kríženie, exempláre patriace do čisté línie t.j. rastliny, pri ktorých samoopelení sa u viacerých generácií nepozorovala segregácia podľa študovaného znaku.
· Na zaznamenávanie križovania a jeho analýzu Mendel zaviedol abecednú symboliku
Moderné reprezentácie o štruktúre génov v eukaryotoch ( I.F. Zhimulev, 2000, BIOLOGY) Gén možno definovať ako jednotku dedičnej informácie, ktorá zaujíma určitú pozíciu v genóme alebo chromozóme a riadi výkon určitej funkcie v tele. Podľa výsledkov štúdií prokaryotov, najmä baktérie Escherichia coli, sa gén skladá z dvoch hlavných prvkov: z regulačnej časti, na ktorú sa viaže enzým RNA polymeráza, a zo samotnej kódujúcej časti génu, v ktorej sú informácie o štruktúre polypeptid kódovaný týmto génom sa zaznamená pomocou kodónov. Regulačná časť sa neprepisuje, messenger RNA (mRNA) sa číta zo štruktúrnej časti. Potom, čo molekula RNA polymerázy dosiahne miesto ukončenia transkripcie, enzým opustí templát DNA a transkripcia skončí. Promótory obsahujú dve skupiny sekvencií s relatívne striktne fixným poradím nukleotidov umiestnených v určitých vzdialenostiach od bodu iniciácie transkripcie a od seba navzájom. Aj keď treba zdôrazniť, že jednoznačnosť umiestnenia nukleotidov (konsenzus) nikdy nedosiahne 100 %.
V eukaryotoch sú gény, ako aj genómy (celkový počet génov v haploidnej sade DNA) zložitejšie. Po prvé, genómy obsahujú oveľa viac DNA, molekula mRNA obsahuje informácie nielen o kódovaní proteínov, ale aj ďalšie informácie. Štruktúra regulačných a kódovacích zón vyzerá oveľa zložitejšie.
Odkiaľ získajú informácie o organizácii génov v eukaryotoch? Hlavným zdrojom zostáva metóda genetickej analýzy pomocou molekulárno-biologických techník. Okrem toho sa v súčasnosti vyvíja približne 30 takzvaných genómových projektov, napríklad „Ľudský genóm“, „Genóm Drosophila“, „Genoóm kvasiniek“ atď. Ide spravidla o dobre financované práce zamerané na úplné rozlúštenie DNA, ktorá tvorí genóm konkrétneho druhu. Napríklad v projekte Anopheles gambiae Genome sa v prvej fáze plánuje získať kompletnú sadu klonov, to znamená krátke úseky DNA, v poradí, v akom sú umiestnené v chromozómoch. V druhom štádiu sa musí určiť nukleotidová sekvencia v každom klone a v dôsledku toho v celom genóme. Stratégiu ďalších projektov a detaily ich realizácie popisuje článok V.N. Soifera.
Takáto práca, spolu s obrovským tlakom na rozvoj biotechnologických techník, umožňuje dozvedieť sa veľa o organizácii oboch genómov ako celku a jednotlivých génov. Môžete najmä zistiť, koľko nukleotidov obsahuje konkrétny genóm, určiť pomer kódujúcich a nekódujúcich častí génu alebo pomer intrónov a exónov v rámci kódujúcej časti.
Ako vyplýva z údajov v tabuľke. 1, počet génov sa značne líši - od 9 v malom bakteriofágu)
