Содержание

• Введение
• 1. История развития научных представлений о гене
• 2. Современное определение гена
• 2.1 Особенности работы генов
• 2.2 Дополнительные особенности строения гена
• Список использованной литературы

Введение

Важнейшим достижением биологии XX в, явилось выяснение генетического кода - установление соответствия между определенными сочетаниями нуклеотидов молекулы ДНК и аминокислотами молекулы белка. В настоящее время генетический код выяснен полностью. Каждая аминокислота кодируется тремя стоящими рядом нуклеотидами молекулы ДНК. Эти нуклеотиды составляют триплеты (тройки, кодоны). Четыре разных нуклеотида (А, Ц, Т, Г) молекулы ДНК могут образовывать 64 разных триплета (с учетом последовательности расположения). Все эти триплеты соответствуют 20 аминокислотам, входящим в состав белков. Некоторым аминокислотам, например треонину, соответствует всего лишь один триплет (УГГ), другим - два (фенилаланин - УУУ, УУЦ), третьим - три, четыре и даже пять (аргинин).

В данной работе мы поведем о ключевом понятии генетики - о понятии гена. Ниже мы рассмотрим историю и современное состояние вопроса.

1. История развития научных представлений о гене

Понятие гена занимает центральное место в генетике, и сама ее история в значительной степени отражает становление данного понятия.

Первоначально ген рассматривали с чисто формальной точки зрения, как некую абстрактную единицу, некий фактор, определяющий специфические особенности различных признаков. Какой-то период времени генетика по существу сводилась к менделизму, т.е. к анализу поведения наследственных факторов в разных системах скрещиваний организмов, у которых контролируемые этими факторами признаки контрастны. На основании результатов такого анализа Мендель в конце прошлого века пришел к заключению, что все комбинации признаков возникают в процессе случайного расширения и перераспределения таких факторов (позднее названных генами), определяющих различные признаки, при образовании гамет и оплодотворении.

Исследования Т. Моргана и его школы привели к «материализации» понятия «ген», к обретению им «плоти и крови». Итоги этих исследований дали Т. Моргану право утверждать «...не может быть сомнений, что генетики оперируют с геном как материальной частью хромосомы». Он же отметил как важнейшие следующие свойства генов: способность к росту, способность к делению, относительную стабильность, мутабильность, постоянное положение в хромосоме, «притяжение» генов друг к другу.

Таким образом, ген стали считать чем-то вроде атома наследственности, правда, довольно скоро возникла идея о его делимости, о его сложной внутренней организации. Эти представления сформированы в России в работах А.С. Серебровского и Н.П. Дубинина, посвященных так называемому ступенчатому аллеломорфизму.

В 1926 г. А.С. Серебровский призвал отказаться от концепции неделимости гена и к воскрешению гипотезы «присутствия - отсутствия» Бэтсона. Согласно этой гипотезе, доминантность признака обусловливается присутствием определенного гена, а рецессивность - его выпадением, отсутствием. До исследований отечественных ученых гипотезу присутствия-отсутствия отвергали на основании регистрации обратных мутаций, ревертирующих мутантный фенотип к дикому, нормальному.

Отказ А.С. Серебровского от признания неделимости гена позволил преодолеть противоречия гипотезы Бэтсона с классическими данными, свидетельствующими о существовании таких мутаций, а также изящным образом объяснить явление множественного аллеломорфизма как следствие того, что в разных случаях исчезают не совсем одинаковые по величине участки хромосом. Обращает на себя внимание то, как предложенная А.С. Серебровским трактовка перекликается с современными представлениями о механизме определенного рода мутаций, заключающемся во внедрении или, напротив, утрате специфических генетических элементов, способных перемещаться по геному и названных подвижными генетическими элементами.

Действительно, многие мутации гомеозисных генов дрозофилы, в частности серии bithorax, возникают в результате внедрения этих элементов в область расположения соответствующего гена, а реверсия к норме - в результате их вырезания и удаления из данной зоны. В случае обнаруженных недавно у Drosophila melanogaster «транспозиционных взрывов» наблюдаются множественные вставки или, напротив, «вырезания» мобильных диспергированных генов из соответствующих локусов

Следует, впрочем, отметить, что обусловленность некоторых мутаций у D. melanogaster микроделециями, т.е. утратой небольших участков хроматина была установлена еще в конце 20-х годов А.А. Прокофьевой-Бельговской и Г. Мёллером при исследовании политенных хромосом слюнных желез.

Экспериментальное развитие идеи о делимости гена было дано в работах на дрозофиле А.С. Серебровского и Н.П. Дубинина на примере серии мутаций гена scute, влияющего на развитие щетинок у дрозофилы. Было установлено, что если два аллеломорфа нарушали развитие совсем разных щетинок, то в компаунде они давали возврат к норме, т.е. развивались все щетинки (например, в случае компаунда sc⁵/sc⁶).

Основные выводы авторов таковы: «Явление частичного возвращения к дикому типу может быть истолковано как обусловленное не полным аллеломорфизмом двух аллеломорфов. С этой точки зрения... общие части проявляются в силу того, что в обеих хромосомах имеются изменения одинаковых участков, другими словами, по этим участкам муха гомозиготна, непроявление же несовпадающих участков зависит от того, что измененному участку одной хромосомы соответствует участок второй хромосомы, который не был затронут трансгенацией...». Это весьма ответственное воззрение, утверждающее делимость гена (трансгенацию по частям). Вместе с тем воззрение о частях гена ставило важный вопрос о взаимоположении этих частей, т.е. стало необходимым наметить предварительный план гена.

Ген scute был назван базигеном, т.е. областью хромосомы, занятой всеми изменениями - трансгенами scute. Самостоятельные элементарные участки внутри базигена были названы центрами. Предполагалось, что мутации могут затрагивать как отдельные центры, так и их группы, отсюда название сформулированной концепции - «центровая теория гена».

Эта теория была настороженно встречена многими ведущими генетиками того времени, ибо привносила крайний корпускуляризм в генетические представления, в то время как Р. Гольдшмидт, например, придерживался иных взглядов, основанных на градуализме и допускающих существование своеобразных перекрывающихся «полей действия» вдоль хромосомы как единой функциональной единицы (подобные взгляды до сих пор активно пропагандируются А. Лима-де-Фариа). Впрочем, и типичным представителям корпускулярного течения центровая теория пришлась не по душе. Т. Морган, например, отреагировал следующим образом: «Данные, приводимые в подтверждение такого толкования, пока еще не совсем убедительны.

Тем не менее, догматы о неделимости гена были поколеблены, а в последующем давление фактического материала оказалось столь велико, что от них пришлось отказаться. В 40-60-е годы имели место шесть событий, которые, пожалуй, и явились решающими для революционизирования понятия о гене и придания ему достаточно конкретного смысла.

Во-первых, полученные Бидлом и Татумом данные о регуляции генами последовательных цепей биохимических реакций, что позволило им выдвинуть тезис: «один ген - один фермент (один белок)».

Во-вторых, работы Сеймура Бензера, который проанализировал более тысячи мутаций, затрагивающих только одну функцию бактериофага Т4. Оказалось, что ген - это одно, если он рассматривается как единица функции и совсем другое, если он рассматривается как единица мутации и рекомбинации. Можно, следовательно, различить три свойства генетического материала: его функцию в цепи метаболических превращений в клетке, его способность претерпевать мутацию и способность к рекомбинации. Были предложены новые термины, уже отражавшие эволюцию взглядов генетиков в сторону принятия и понимания сложности строения гена:

мутон - наименьший участок генетического материала, способный к мутации,

рекон - наименьший участок генетического материала, способный как целое участвовать в рекомбинации,

цистрон - единица функции генетического материала.

В-третьих, открытие у бактерий Жакобом и Моно регуляторных генов, контролирующих функции генетического материала, и оперонов - ансамблей генов, координировано функционирующих в определенных условиях жизнедеятельности клетки.

В-четвертых, по мере развития молекулярной биологии и совершенствования ее методов, многие ее элементы проникли и в генетику, заложив основы генетики молекулярной. В 1944 г. Эйвери, Мак-Карти и Мак-Леод в Рокфеллеровском институте обнаружили, что ДНК может переносить информацию от одной бактерии к другой. При этом дезоксирибонуклеаза быстро и необратимо разрушала трансформирующую активность. Отсюда вытекало предположение, что именно ДНК является материальным носителем наследственности, так сказать, «овеществленным» геном.

После классических работ Р.Франклин, Ф. Крика, Дж. Уотсона это предположение стало фактом.

В-пятых, исследования сначала в области классической, а затем и молекулярной генетики показали, что геном может быть условно подразделен на две части - «конструктивную», которая включает структурные и регуляторные гены, и «факультативную», представленную подвижными генетическими элементами, способными изменять свое положение в геноме, что может сопровождаться явлениями мутагенеза или обусловливать различные регуляторные изменения в функционировании ансамблей генов

Наконец, в-шестых, разработка методов изоляции и клонирования фрагментов ДНК, содержащих интересующие нас гены, а также методов секвенирования ДНК дало возможность как бы «заглянуть» внутрь гена, изучать его структуру в мельчайших деталях и понять в какой-то степени его функциональную организацию.

Все это позволило подойти к определению понятия «ген» с конкретных позиций. Характерно, что у современных генетиков сложность организации гена не вызывает сомнений. Молекулярно-генетические исследования свидетельствуют об этой сложности однозначно, а возникшие на основе анализа результатов этих исследований идеи нередко созвучны тем мыслям, которые и снос время высказывал А.С. Серебровский.

2. Современное определение гена

В настоящее время наиболее обычное определение гена следующее: ген - это отрезок генома (ДНК), который содержит все последовательности, кодирующие тот или иной белок, и который транскрибируется в виде одной про-мРНК. Это определение укладывается в классический постулат «один ген - один фермент (белок)».

Свойства генов:

1. дискретность - несмешиваемость генов;

2. стабильность - способность сохранять структуру;

3. лабильность - способность многократно мутировать;

4. множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

5. аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

6. специфичность - каждый ген кодирует свой продукт;

7. плейотропия - множественный эффект гена;

8. экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;

9. пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;

10. амплификация - увеличение количества копий гена.

Если рассматривать организацию гена, отталкиваясь от данных по структуре белка, то ген соответствует части мРНК, которая начинается инициирующим и заканчивается терминирующим кодоном, т.е. кодирующей части мРНК. Эта последовательность лежит в центральной части мРНК и транслируется в полипептид. Ей предшествует 5'-нетранслируемая область, а за нею расположена 3'-нетраслируемая область. Размеры нетранслируемых областей варьируют от одной мРНК к другой. Вероятнее всего, эти последовательности участвуют в регуляции процессов трансляции. Так имеются данные, что 3'-нетранслируемая область определяет время жизни мРНК, а последовательности 5'-нетранслируемой области могут влиять на эффективность процесса трансляции,

Однако, как известно, мРНК в клетках эукариотов образуются в результате сплайсинга первичного транскрипта или про-мРНК Обычно про-мРНК в несколько раз (иногда и в десятки раз) больше, чем зрелая мРНК,

Поэтому в геноме зрелой мРНК соответствует существенно более протяженный отрезок ДНК, отвечающий за образование первичного транскрипта, или про-мРНК. Отметим, что по всем современным данным начало мРНК для большинства генов и начало первичного транскрипта на ДНК совпадают. Сразу после начала транскрипции к 5'-концу про-мРНК присоединяется 7'-метилгуанозин трифосфатная группа, т.е. происходит «кэпирование» 5'-конца. Этот кэп сохраняется и в мРНК. Таким образом, начало единицы транскрипции совпадает с началом мРНК. Его обозначают как точку инициации транскрипции или как кэп-сайт.

3'-конец первичного транскрипта про-мРНК в общем тоже совпадает с 3'-концом мРНК. В большинстве случаев он также подвергается химической модификации, к нему присоединяются аденилатные остатки, в результате чего формируется поли(А) длиной 100-250 нуклеотидов. Однако на самом деле транскрипция не останавливается в этом месте, а РНК-полимераза продолжает свое движение и осуществляет синтез РНК еще на том или ином отрезке ДНК. Последний может достигать и несколько сот нуклеотидных пар (пн). Затем в так называемой зоне терминации, опять-таки варьирующей по длине, транскрипция затухает, и РНК-полимераза освобождается с матрицы.

Вскоре после того, как РНК-полимераза прошла участок полиаденилирования еще до окончания транскрипции, в новообразованной РНК в этом месте происходит разрыв с последующим полиаденилированием 3'-конца. Поэтому концом первичного транскрипта или про-мРНК можно считать сайт полиаденилирования, который также является общим для про-мРНК и мРНК.

Основное различие между про-мРНК и мРНК - это присутствие в составе первой транскриптов не только с экзонов, но и с интронов. Про-мРНК в клеточном ядре подвергается процессингу, основным содержанием которого является сплайсинг, т.е. вырезание интронов с соединением 3'- и 5'-концов прилежащих к ним экзонов.

Итак, если рассматривать ген как единицу транскрипции, то к тем последовательностям, которые входят в мРНК, добавляются интроны, а также участок между сайтом полиаденилирования и зоной терминации транскрипции.

На интроны может приходиться разное количество ДНК. Иногда размеры интронов в десятки раз превышают размеры экзонов. В результате размеры гена, состоящего из экзонов и интронов, могут варьировать в очень широких пределах от нескольких сот до более чем 1млн. пн. Само по себе число интронов может колебаться в пределах от 0 до нескольких десятков.

Если взять единицу транскрипции и ввести ее в геном в другое место, то в большинстве случае она не будет работать, т.е. транскрипция осуществляться не будет. Следовательно, нужны другие последовательности ДНК, которые обеспечивают работу гена и которые в большинстве случаев лежат за пределами единицы транскрипции.

Действительно на сегодня имеется огромная по объему информация о регуляторных последовательностях ДНК. Эти последовательности обычно включают регуляторные элементы различного типа, которые обозначаются терминами промоторы, энхансеры и сайленсеры.

Промотор - это участок ДНК, расположенный обычно перед кэп-сайтом, который определяет правильность инициации транскрипции, а в ряде случаев ее достаточно высокий уровень и тканевую специфичность.

В большинстве промоторов центральным элементом является так называемый ТАТА-бокс, т.е. последовательность, которая в усредненном виде выглядит как ТАТААА и окружена короткими районами, относительно обогащенными GC-парами. ТАТА-бокс располагается на расстоянии ~ 25 пн перед кэп-сайтом.

Кроме того, в районе длиной ~100 пн перед кэп-сайтом часто выявляются другие характерные последовательности, например, СААТ или CCGCCC.

Наличие ТАТА-бокса обычно определяет правильную точку начала транскрипции. Наличие вышеупомянутых дополнительных характерных последовательностей усиливает промотор, делает транскрипцию с него более эффективной. Промотор, в частности ТАТА-бокс, служит для связывания с ДНК факторов транскрипции, необходимых для последующего образования активного комплекса РНК-полимеразы с ДНК и запуска синтеза РНК при участии последней.

Хотя структура промотора влияет на эффективность транскрипции, основной контроль последней осуществляется цис-элементами, расположенными за пределами промотора, и часто за пределами гена как такового. Эти цис-регуляторные последовательности называются энхансерами (усилителями) и сайленсерами (ослабителями), в зависимости от того, усиливают они транскрипцию или ослабляют.

Важной особенностью энхансеров и сайленсеров является то, что их расположение в геноме можно менять в широких пределах, и это не сказывается на их активности. Можно менять и их ориентацию.

В настоящее время установлено, что цис-регуляторные элементы генома представляют собою места связывания с ДНК регуляторных белков. Благодаря гибкости молекулы ДНК образуются петли ДНК, и эти белки могут входить в контакт с белками промоторного комплекса, или прямо с РНК-полимеразой, вызывая активацию или подавление транскрипции. По этой причине место расположения регуляторного элемента на ДНК не играет обычно решающей роли. Так, энхансеры (сайленсеры) могут встречаться в самых разных местах по отношению к единице транскрипции. Они часто находятся перед геном на расстоянии в 3…10 и более тысяч пар нуклеотидов (тпн) от кэп-сайта. Они могут находиться в интронах или за пределами гена (за сайтом полиаденилирования) или, наконец, в отдельных случаях перекрываются с кодирующей последовательностью гена. Реализуются практически любые варианты. Обычно один ген контролируется несколькими энхансерами и сайленсерами.

Обычно энхансеры в свою очередь состоят из нескольких модулей, коротких олигонуклеотидов, каждый из которых отвечает за связывание определенного белка. Таким образом, один энхансер может взаимодействовать с рядом регуляторных белков. Эти белки могут вырабатываться лишь в определенных тканях, и тогда энхансер обладает тканевой специфичностью. Взаимодействие белкового фактора и энхансера может контролироваться низкомолекулярными соединениями, гормонами, металлами и другими, что позволяет включать и выключать некоторые гены этими соединениями.

Следует отметить, что между энхансером и сайленсером не существует четкого разграничения. Одна и та же последовательность может выступать и в роли энхансера, и в роли сайленсера, в зависимости от того, какие регуляторные белки вырабатываются в данном типе клеток.

Итак, помимо собственно единицы транскрипции к гену, или, точнее, генетическому локусу следует отнести большое число цис-регуляторных элементов, разбросанных вокруг гена. а иногда и внутри него, от которых собственно и зависит работа гена.

Скорее всего, на сегодня ген можно определить как единицу транскрипции, а генетический локус - как совокупность гена и его цис-регуляторных элементов. Впрочем, и то и другое определение может быть приложено к гену, первое - если ген понимать достаточно узко, второе - если договориться о понимании гена достаточно широко.