Современные представления о гене. Современные представления о геноме человека, его изучение Современные представления о молекулярной организации генома
Ген , или наследственный фактор , - это участок молекулы ДНК (у многих вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК .
Общее число генов в клетке высших организмов по разным оценкам составляет 50-200 тыс. Каждому структурному гену соответствует определенный белок. Гены, кодирующие синтез белка у эукариот, состоят из нескольких элементов.
Прежде всего это регуляторная зона (область), которая оказывает влияние на активность гена в разные периоды жизни организма. Регуляторная зона включает промотор
- нуклеотидная последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, которую узнает молекула фермента РНК-полиме-разы и соединяется с ней, чтобы начать транскрипцию данного гена. При этом промотор определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу и тем самым будет служить матрицей для синтеза иРНК.
У прокариот за промотором расположен оператор - участок ДНК, «узнаваемый» специфическими белками-репрессорами и регулирующий транскрипций отдельных генов. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности образуют функциональную единицу, называемую опероном .
Кроме того, в хромосомах были найдены участки - усилители транскрипции , расположенные на большом расстоянии от кодирующей нуклеотидной последовательности гена и его промотора. Для нормальной работы гена очень важны также участки, расположенные в конце кодирующей последовательности и служащие сигналом остановки транскрипции. Их называют терминаторами .
Важная особенность генов эукариотических организмов - их прерывистость. В отличие от иРНК прокариот, включающей всю нуклеотидную последовательность структурного гена, иРНК эукариот содержит кодирующие участки - экзоны - чередующиеся с некодирующими - интронами . По размерам интроны варьируют от нескольких единиц до нескольких тысяч нуклеотидных пар; при этом их длина может быть больше длины экзонов, а число интронов в составе гена может достигать двух-трех десятков.
По завершении транскрипции из молекулы иРНК, содержащей как экзоны, так и интроны, последние вырезаются фементами в ходе процессинга . Далее кодирующие участки экзоны сливаются в единую молекулу. Этот процесс получил название сплайсинг РНК. Экзоны соединяются в молекулу транслируемой иРНК в том же порядке, в котором они располагаются в ДНК. Преобразованная таким образом иРНК называется зрелой иРНК.
Структура гена вирусов отражает генетическую организацию клетки хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в рпероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот их имеют.
Ген - фрагмент молекулы ДНК, содержащий наследственную информацию о первичной структуре одного белка (полипептида, фермента) или о последовательности нуклеотидов одной т-РНК или р-РНК
· Является единицей функционирования наследственного материала, определяющей развитие какого-либо признака (возможно группы признаков) или свойства организма (элементарная структурная и функциональная единица хромосомы)
· первичным продуктом функции гена является и-РНК и далее белок-фермент (полипептид) или р-РНК и т-РНК
Современное состояние теори гена (свойства гена)
1. Выступает как кодирующая система
2. Обладает способностьюк ауторепродукции (репликации)
3. Обладает способностью к мутациям (элементарная единица мутации гена - мутон )
4. Обладает способностью к рекомбинации (элементарная единица рекомбинации гена - рекон )
5. Обладает дискретностью действия
6. Существуют структурные, функциональные, регуляторные и модуляторные гены
7. Занимает определённый участок хромосомы – локус
Строение гена
· Генетический материал внутри гена сложно организован и имеет линейный порядок
· Ген состоит из многих мутационных мест (сайтов ) , разделяемых при рекомбинации
Цистрон - наименьший сегмент ДНК (800 -1200 пар оснований) , мутация которого сопровождается возникновением мутантного фенотипа - элементарная функциональная единица гена (определяет синтез одного полипептида)
· Ген у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов:
n регуляторная зона - регулирует активность гена в той или иной ткани на определённой стадии онтогенеза
n промотор - последовательность ДНК до 80 -100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена
n структурная зона - часть гена, содержащая информацию о первичной структуре соответствующего белка-фермента (существенно короче регуляторной зоны, но несколько тысяч пар нуклеотидов)
n терминатор - последовательноть нуклеотидов в конце гена, прекращающая транскрипцию
· структурная часть гена состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов:
1. Экзоны - участки ДНК, несущие информацию о строении белка (входят в состав зрелой и-РНК)
2. Интроны - участки ДНК не кодирующие структуру белка (транскрибируются, но в состав зрелой и-РНК не входят, т. к. «вырезаются » в процессе сплайсинга )
Сплайсинг - ферментативный процесс вырезания интронов из молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании зрелой и-РНК
Классификация генов
1. Структурные гены - гены, кодирующие развитие конкретных признаков (продуктом первичной активности гена является либо и-РНК и далее полипептид, либо р-РНК и т-РНК)
2. Гены - модуляторы - гены, смещающие развитие признака в ту или иную сторону (например, частоту мутирования структурных генов) ; могут быть ингибиторами или супрессорами, подавляющими активность или интенсификаторами - повышающими активность генов
3. Гены - регуляторы - гены, регулирующие активность структурных генов (время включения различных локусов в онтогенезе)
Генотип - совокупность всех аллелей (генов) организма, полученных от родителей (вся совокупность наследственной информации организма) ; совокупность генов диплоидного набора хромосом клетки
n генотип будучи дискретным (состоящим из отдельных генов) функционирует как единое целое
Геном - совокупность генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом клетки
Фенотип - совокупность всех внутренних и внешних признаков и свойств особи, сформировавшаяся на основе генотипа в процессе её онтогенеза, т. е. реализованная часть генотипа
· развивается при взаимодействии генотипа со средой обитания может относительно сильно варьировать у одной особи) и
Понятие аллели
· Большинство генов существует в популяции в виде двух или большего числа альтернативных вариантов - аллелей
Аллель - различные формы одного и того же гена(признака) , расположенные в одинаковых участках (локусах ) гомологичных хромосом (определяют альтернативные варианты развития одного и того же признака
· Все аллели данного признака (гена) локализуютсяв одной и той же хромосоме в определённом её участке - локусе (в соответствующем локусе хромосомы может находиться лишь один из всех возможных аллелей конкретного гена)
Локус - сегмент (участок) хромосомы, в котором локализован ген
· Новые аллели возникают путём мутаций в одном и том же локусе хромосомы (создаётся т. н. серия множественных аллелей, рассеяных в популяции данного вида - множественный аллелизм
Множественный аллелизм - явление существования в популяции более двух альтернативных аллельных генов, имеющих различное проявление в фенотипе (например, признак цвета глаз у человека имеет в популяции множество аллельных генов, локализованных в одном локусе определённой хромосомы)
· Аллели отличаются друг от друга содержанием наследственой информации о признаке, развитие которого контролирует ген
· Каждый признак организма представлен в его кариотипе парой аллелей в силу наличия гомологичных хромосом (одна из них всегда отцовская, другая - материнская) ; в одной гамете может находиться только один аллель
Гомозигота (по данному признаку) - организм, содержащий одинаковые гены данной аллельной пары, образующий один сорт гамет по данному признаку и не расщепляющийся по фенотипу при скрещивании с себе подобными - АА или аа
Гетерозигота (по данному признаку) - организм, содержащий разные гены данной аллельной пары, образующий несколько сортов гамет, отличающихся аллелями и расщепляющийся на разные фенотипы при дальнейшем размножении -Аа
Доминантный аллель(ген, признак) – аллель (ген, признак) « сильный», подавляющий, всегда проявляющийся в фенотипе
· Его проявление не зависит от наличия в организме другого аллеля данной серии (всегда реализуется фенотипически т. к. кодирует более устойчивую форму фермента ) ; обозначается заглавной буквой алфавита - А
Рецессивный аллель(ген, признак) – аллель (ген, признак) « слабый », подавляемый, обеспечивающий развитие признака лишь в отсутствии других аллелей данного гена
· обозначается прописной буквой алфавита - а (проявляет своё действие только в гомозоготном состоянии - аа и не проявляющийся у гетерозигот - Аа )
Кодоминантные аллели - аллели в одинаковой мере функционально активные в случае их совместного присутствия в генотипе
Взаимодействие аллелей
1. Полное доминирование - явление подавления фенотипического проявления признака доминантным аллелем (геном) действия альтернативного аллеля в гетерозиготе
2. Неполное доминирование - взаимодействие двух аллелей, дающее в гетерозиготе промежуточный фенотип
3. Кодоминантность - независимое друг от друга проявление аллелей в гетерозиготе
Моногибридное скрещивание
Моногибридное скрещивание - скрещивание родителей, отличающихся по проявлению одного признака (одной альтернативной парой аллелей)
· Мендель проводил опыты с горохом (очень удачный объект для генетического исследования т. к. горох имеет множество сортов, отличающихся только одним, двумя или несколькими признаками способен к само- и перекрёстному опылению, просто разводятся, имеют короткий период развития)
· Для скрещивания использовались экземпляры, относящиеся к чистым линиям , т. е. растениям, при самоопылении которых в ряду поколений не наблюдалось расщепления по изучаемому признаку
· Для записи проведённого скрещивания и его анализа Мендель ввёл буквенную символику
Современные представления о структуре гена у эукариот (И. Ф. Жимулев, 2000, БИОЛОГИЯ) Ген можно определить как единицу наследственной информации, занимающую определенное положение в геноме или хромосоме и контролирующую выполнение определенной функции в организме. По результатам исследований прокариот, главным образом бактерии Escherichia coli, ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части, с которой связывается фермент РНК-полимераза, и собственно кодирующей части гена, в которой с помощью кодонов записана информация о структуре кодируемого данным геном полипептида. Регуляторная часть не транскрибируется, со структурной части считывается матричная РНК (мРНК). После достижения молекулой РНК-полимеразы участка терминации транскрипции фермент покидает матрицу ДНК и транскрипция заканчивается. Промоторы содержат две группы последовательностей с относительно строго фиксированным порядком расположения нуклеотидов, расположенных на определенных расстояниях как от точки инициации транскрипции, так и друг от друга. Хотя следует подчеркнуть, что однозначность расположения нуклеотидов (консенсус) никогда не достигает 100%.
У эукариот гены, так же как и геномы (совокупность генов в гаплоидном наборе ДНК), устроены сложнее. Прежде всего в составе геномов значительно больше ДНК, молекула мРНК содержит информацию не только о кодировании белка, но и другую информацию. Структура регуляторной и кодирующих зон выглядит значительно более сложной.
Откуда получают информацию об организации генов у эукариот? Основным источником остается метод генетического анализа с привлечением молекулярно-биологических методик. Кроме этого, к настоящему времени разрабатывается около 30 так называемых геномных проектов, например "Геном человека", "Геном дрозофилы", "Геном дрожжей" и т.д. Это, как правило, хорошо финансируемые работы, имеющие целью полную расшифровку ДНК, составляющей геном того или иного вида. Например, в проекте "Геном Anopheles gambiae" на первом этапе запланировано получить полный набор клонов, то есть коротких отрезков ДНК, в том порядке, в котором они располагаются в хромосомах. На втором этапе должна быть определена последовательность нуклеотидов в каждом клоне и как результат - во всем геноме. Стратегия других проектов и детали их реализации описаны в статье В.Н. Сойфера.
Такие работы наряду с гигантским толчком к развитию методик биотехнологии позволяют многое узнать об организации как геномов в целом, так и отдельных генов. В частности, можно узнать, как много нуклеотидов содержит тот или иной геном, определить соотношение кодирующей и некодирующей частей гена или соотношение интронов и экзонов в пределах кодирующей части.
Как следует из данных табл. 1, число генов варьирует в широких пределах - от 9 у мелкого бактериофага }
