Коротко ген та його основні функції. Поняття про ген. Структурні та регуляторні гени. Геноми та спейсери. Філософія, її предмет, проблеми, структура та функції

Клонування - дуже багато технологій сьогодення та майбутнього пов'язано саме з цією наукою. Класифікація генів дала можливість вивчити їх функції та можливості зміни. Отже, що відомо про них сьогодні?

Гени

У кожній клітині будь-якого живого організму міститься вся інформація про нього. Теоретично цього має бути достатньо, щоб можна було відтворити його точну копію. І все завдяки ДНК, що фактично є генетичним паспортом. Маючи в своєму розпорядженні його зразки, можна вивести давно зниклі види тварин і рослин і зупинити вимирання тих, хто перебуває під загрозою.

Ген – це елементарна одиниця спадкового матеріалу. Вони складаються в деякі більші частини, а ті, у свою чергу, становлять по суті, кожен її шматочок - це елемент коду у вигляді послідовності нуклеотидів, в якій і зашифрована вся інформація про організм. І наука, яка досліджує те, що це за відомості, якими є функції окремих одиниць, у чому полягає структурно-функціональна класифікація генів та інші суміжні питання, відносно молода, але вже встигла довести свою необхідність і показати величезний потенціал.

Вивчення

Про те, що діти успадковують деякі риси своїх батьків та далеких родичів, відомо давно. Однак протягом тривалого часу було абсолютно незрозуміло, який механізм передачі інформації про зовнішність, характер, хвороби від батьків дітям, онукам та подальшим нащадкам. На цьому етапі варто згадати знаменитого Менделя, який сформулював закони наслідування тих чи інших ознак, хоч і не знав, як це відбувається.

Прорив у сфері вивчення генів став питанням часу з появи мікроскопів. У клітин було виявлено ядра, у яких людству вдалося заглянути через лічені десятки років. Найцікавіше, що відкриття протягом тривалого часу було у вчених буквально під носом, але вони наполегливо його не помічали.

Річ у тім, що ДНК вперше було виділено ще 1868 року. Але аж до початку XX століття багато біологів були впевнені, що ця речовина має функцію накопичення запасів фосфору в організмі, а не відіграє роль сховища повної закодованої інформації про нього. Приблизно в середині століття було проведено деякі експерименти, які довели, що саме є головним призначенням ДНК. Але спосіб передачі та структура речовини залишалися невідомими.

Розшифровка геному

На підставі досліджень Моріса Вілкінса і в 1953 році і припустили, що ДНК є подвійною спіралью. Пізніше цю гіпотезу довели, за що вчені отримали Нобелівську премію.

Тепер перед наукою постало завдання розшифрування генетичного року, яке дозволило б відповісти на численні питання. І тут у справу вступили не лише біологи, а й фізики з математиками. Спосіб кодування протягом десятка років залишався загадкою, було зрозуміло лише те, що він триплетний, тобто включає три компоненти-нуклеотиди. У 1965 році нарешті став зрозумілим зміст усіх одиниць, названих кодонами. Шифр був зламаний.

Однак це не означає, що для вчених не лишилося загадок. Дослідження, як і раніше, продовжуються, але класифікація генів та їх вивчення дали більше розуміння природи деяких захворювань та способів їх лікування. Тепер люди, здавши кров, можуть з'ясувати, які їм загрожують недуги, чи ризик успадкувати ті чи інші проблеми зі здоров'ям від своїх батьків і передати їх дітям. Це сприяло серйозному просуванню у багатьох галузях медицини.

Функції гена

Коли призначення ДНК стало очевидним, вчених зацікавило питання про те, який сенс має кожна одиниця коду, за що вона відповідає, які процеси в організмі запускає. І ось уже кілька десятиліть пошуком відповідей займаються багато дослідників. За весь цей час стало зрозуміло, по-перше, що ген - це не неподільна одиниця, а по-друге, що вчених дуже потребує доповнення.

Було запроваджено ще кілька термінів, які дозволили повніше відбивати словесно ті процеси, які спостерігаються практично. Але функції гена так і залишилися в досить туманному формулюванні - синтез білків і поліпептидів. Кожна ділянка ДНК відповідає за свою конкретну речовину, а як це відбивається на організмі, здебільшого сказати складно. Дослідникам ще доведеться попрацювати, щоб можна було сказати, що ті чи інші гени, наприклад, відповідають за колір очей, хорошу шкіру та деякі особливості у роботі серця. Все ускладнюється деякими властивостями ДНК.

класифікації

Очевидно, що кожна одиниця ДНК виконує якісь певні завдання, нехай вони поки що й невідомі людству. З цієї причини склалася сучасна структурно-функціональна класифікація генів. Вона використовується найчастіше, але є й інші, більш вузькоспеціалізовані та які враховують якісь конкретні властивості тих чи інших ділянок ДНК. Загалом і загалом мається на увазі така класифікація генів: структурні та регуляторні (функціональні). Кожен із цих різновидів, у свою чергу, може ділитися на групи. Наприклад, серед регуляторів розрізняють модифікатори, супресори, інгібітори тощо.

Також використовується розподіл генів за критерієм впливу на життєздатність, що передбачає летальні, напівлетальні та нейтральні одиниці.

Принципові відмінності

Трохи вище було розглянуто загальноприйняту класифікацію генів. Структурні та функціональні частини ДНК, згідно з нею, протиставляються одна одній, але насправді все зовсім не так. Вони не можуть працювати окремо, і кожна з цих груп по-своєму важлива.

Структурні гени відповідають за безпосередній синтез основних білків та амінокислот. Регулятори впливають з їхньої роботу, контролюють їх включення і виключення у процесі розвитку організму, і навіть займаються створенням інших допоміжних речовин. За характером свого на структурну частину вони діляться на інгібітори, супресори, інтенсифікатори і модифікатори. Їхня активність дозволяє прискорити або загальмувати розвиток тих чи інших ознак.

Властивості

Кожна одиниця ДНК має ряд характерних рис, які дозволяють у порівняно невеликій молекулі білка закодувати всю інформацію про організм:

1. Дискретність. Кожен ген діє як самостійна одиниця.
2. Стабільність. Якщо немає мутації, ті чи інші частини ДНК передаються майбутнім поколінням у незмінному вигляді.
3. Специфіка. Кожен ген діє в розвитку певного ознаки.
4. Дозування. Зміна кількості гена в організмі веде до порушень (наприклад, синдром Дауна – збільшення кількості хромосом).
5. Плейотропія. Можливість одного гена сприятиме розвитку кількох ознак.

Ще дуже багато доведеться дізнатися. Так, вчені досягли багато чого, прочитавши ДНК, розуміння покращало і тоді, коли була сформована класифікація генів. Структурна та регуляторна частини, що працюють разом, усвідомлення механізму кодування – останні сторіччя стало справжнім бумом розвитку біології. Але доведеться дізнатися ще дуже багато.

Перспективи розвитку науки

Незважаючи на те, що генетика є порівняно молодою наукою, вже зараз очевидно, що на неї чекає велике майбутнє. Лікування хвороб, які вважалися безнадійними, поліпшення властивостей рослин і тварин, що дозволяє розвивати сільське господарство, відновлення біологічного розмаїття - це можливо вже зараз. Основний фактор, що стримує подальше вивчення, експерименти та втілення у життя, - етика. Моральні проблеми, з якими зіткнеться людство, навчившись керувати інформацією, закодованою в ДНК, поки що не зовсім зрозумілі.

Ген- структурна та функціональна одиниця спадковості, що контролює розвиток певної ознаки чи властивості. Сукупність генів батьки передають нащадкам під час розмноження. Великий внесок у вивчення гена зробили російські вчені: Симашкевич Є.А., Гаврилова Ю.А., Богомазов О.В. (2011 рік)

В даний час в молекулярній біології встановлено, що гени - це ділянки ДНК, що несуть якусь цілісну інформацію - про будову однієї молекули білка або однієї молекули РНК. Ці та інші функціональні молекули визначають розвиток, зростання та функціонування організму.

У той же час кожен ген характеризується рядом специфічних регуляторних послідовностей ДНК, таких як промотори, які беруть безпосередню участь у регулюванні прояву гена. Регуляторні послідовності можуть знаходитися як у безпосередній близькості від відкритої рамки зчитування, що кодує білок, або початку послідовності РНК, як у випадку з промоторами (так звані cis cis-регуляторні елементи), так і на відстані багатьох мільйонів пар основ (нуклеотидів), як у випадку з енхансерами, інсуляторами та супресорами (іноді класифікуються як trans-Регуляторні елементи, англ. trans-regulatory elements). Таким чином, поняття гена не обмежене тільки кодуючим ділянкою ДНК, а являє собою ширшу концепцію, що включає і регуляторні послідовності.

Спочатку термін генвиник як теоретична одиниця передачі дискретної спадкової інформації. Історія біології пам'ятає суперечки у тому, які молекули можуть бути носіями спадкової інформації. Більшість дослідників вважали, що такими носіями можуть бути тільки білки, тому що їх будова (20 амінокислот) дозволяє створити більше варіантів, ніж будова ДНК, яка складена з чотирьох видів нуклеотидів. Пізніше було експериментально доведено, що саме ДНК включає спадкову інформацію, що було виражено у вигляді центральної догми молекулярної біології.

Гени можуть піддаватися мутаціям - випадковим або цілеспрямованим змінам послідовності нуклеотидів у ланцюзі ДНК. Мутації можуть призводити до зміни послідовності, а отже, зміни біологічних характеристик білка або РНК, які, у свою чергу, можуть мати результатом загальне або локальне змінене або анормальне функціонування організму. Такі мутації у ряді випадків є патогенними, тому що їх результатом є захворювання, або летальними на ембріональному рівні. Однак, далеко не всі зміни послідовності нуклеотидів призводять до зміни структури білка (завдяки ефекту виродженості генетичного коду) або істотної зміни послідовності і не є патогенними. Зокрема, геном людини характеризується однонуклеотидними поліморфізмами та варіаціями числа копій (англ. copy number variations), такими як делеції та дуплікації, які становлять близько 1% усієї нуклеотидної послідовності людини. Однонуклеотидні поліморфізми, зокрема, визначають різні алелі одного гена.

Мономери, що становлять кожну з ланцюгів ДНК, являють собою складні органічні сполуки, що включають азотисті основи: аденін(А) або тимін(Т) або цитозин(Ц) або гуанін(Г), п'ятиатомний цукор-пентозу-дезоксирибозу, на ім'я якої і отримала назву сама ДНК, а також залишок фосфорної кислоти. Ці сполуки звуться нуклеотидів.

Властивості гена

1. дискретність – незмішуваність генів;
2. стабільність – здатність зберігати структуру;
3. лабільність – здатність багаторазово мутувати;
4. множинний алелізм - багато генів існують у популяції у безлічі молекулярних форм;
5. алельність - у генотипі диплоїдних організмів лише дві форми гена;
6. специфічність – кожен ген кодує свою ознаку;
7. плейотропія – множинний ефект гена;
8. експресивність – ступінь виразності гена в ознаці;
9. пенетрантність – частота прояву гена у фенотипі;
10. ампліфікація – збільшення кількості копій гена.

Класифікація

1. Структурні гени - унікальні компоненти геному, що становлять єдину послідовність, що кодує певний білок або деякі види РНК. (Див. також статтю гени домашнього господарства).
2. Функціональні гени – регулюють роботу структурних генів.

Генетичний код- властивий для всіх живих організмів спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди - аденін (А), гуанін (G), цитозин (С), тимін (T), які в російськомовній літературі позначаються літерами А, Г, Ц та Т. Ці літери становлять алфавіт генетичного коду. У РНК використовуються самі нуклеотиди, крім тіміну, який замінений схожим нуклеотидом - урацилом, який позначається буквою U (У російськомовної літературі). У молекулах ДНК та РНК нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних літер.

Генетичний код

Для побудови білків у природі використовується 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот у строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, отже всі його біологічні властивості. Набір амінокислот також універсальний майже всім живих організмів.

Реалізація генетичної інформації в живих клітинах (тобто синтез білка, що кодується геном) здійснюється за допомогою двох матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу мРНК на матриці ДНК) та трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез поліпептидного ланцюга на мРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також сигналу стоп, що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір із трьох нуклеотидів називається триплетом. Прийняті скорочення, що відповідають амінокислотам та кодонам, зображені на малюнку.

Властивості

1. Триплетність- Значною одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (триплет, або кодон).
2. Безперервність- між триплетами немає розділових знаків, тобто інформація зчитується безперервно.
3. Неперекриваність- один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів (не дотримується для деяких генів, що перекриваються, вірусів, мітохондрій і бактерій, які кодують кілька білків, що зчитуються зі зсувом рамки).
4. Однозначність (специфічність)- певний кодон відповідає тільки одній амінокислоті (проте, кодон UGA у Euplotes crassusкодує дві амінокислоти - цистеїн та селеноцистеїн)
5. Виродженість (надмірність)- одній і тій амінокислоті може відповідати кілька кодонів.
6. Універсальність- генетичний код працює однаково в організмах різного рівня складності - від вірусів до людини (на цьому засновані методи генної інженерії; є низка винятків, показаних у таблиці розділу «Варіації стандартного генетичного коду» нижче).
7. Перешкодостійкість- мутації замін нуклеотидів, що не призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають консервативними; мутації замін нуклеотидів, що призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають радикальними.

Біосинтез білка та його етапи

Біосинтез білка- складний багатостадійний процес синтезу поліпептидного ланцюга з амінокислотних залишків, що відбувається на рибосомах клітин живих організмів за участю молекул мРНК та тРНК.

Біосинтез білка можна розділити на стадії транскрипції, процесингу та трансляції. Під час транскрипції відбувається зчитування генетичної інформації, зашифрованої в молекулах ДНК, і запис цієї інформації молекули мРНК. У ході низки послідовних стадій процесингу з мРНК видаляються деякі фрагменти, непотрібні на наступних стадіях, і відбувається редагування нуклеотидних послідовностей. Після транспортування коду з ядра до рибосом відбувається власне синтез білкових молекул, шляхом приєднання окремих амінокислотних залишків до зростаючого поліпептидного ланцюга.

Між транскрипцією та трансляцією молекула мРНК зазнає ряду послідовних змін, які забезпечують дозрівання функціонуючої матриці для синтезу поліпептидного ланцюжка. До 5-кінця приєднується кеп, а до 3-кінця полі-А хвіст, який збільшує тривалість життя мРНК. З появою процесингу в еукаріотичній клітині стало можливим комбінування екзонів гена для отримання більшого розмаїття білків, що кодується єдиною послідовністю нуклеотидів ДНК, - альтернативний сплайсинг.

Трансляція полягає у синтезі поліпептидного ланцюга відповідно до інформації, закодованої в матричній РНК. Амінокислотна послідовність вибудовується за допомогою транспортнихРНК (тРНК), які утворюють з амінокислотами комплекси – аміноацил-тРНК. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК, що має відповідний антикодон, «відповідний» до кодону мРНК. Під час трансляції рибосома рухається вздовж мРНК, при цьому нарощується поліпептидний ланцюг. Енергією біосинтез білка забезпечується рахунок АТФ.

Готова білкова молекула потім відщеплюється від рибосоми та транспортується у потрібне місце клітини. Для досягнення активного стану деякі білки вимагають додаткової посттрансляційної модифікації.

У найпростішій формі генможна представити як сегмент молекули , що містить код для амінокислотної послідовності поліпептидного ланцюга і послідовності, що управляє, необхідних для його експресії. Однак цей опис є неадекватним для генів людини (а насправді і для більшості еукаріотичних геномів), оскільки лише деякі гени існують як безперервна кодова послідовність.

Більшість же генівперериваються однією чи більше некодуючими областями. Включені до гена послідовності, звані нітронами, спочатку переписуються на РНК в ядрі, але відсутні в зрілій мРНК в цитоплазмі.

Таким чином, інформаціяз послідовності нітронів у кінцевому білковому продукті у нормі не представлена. Інтрони перемежовуються з екзонами, сегментами гена, які визначають амінокислотну послідовність білка. Крім цього, існують певні флангові послідовності, що містять 5" і 3"-нетрансльовані області.

Хоча дещо генів у геномі людининемає інтронів, більшість містить принаймні один, а зазвичай кілька інтронів. Дивно, але у багатьох генів сукупна довжина інтронів перевищує довжину екзонів. Деякі гени мають лише кілька кілобаз у довжину, інші розтягуються на сотні кілобаз. Виявлено кілька виключно великих генів, наприклад ген дистрофіну в Х-хромосомі [мутації в якому призводять до м'язової дистрофії Дюшенна], що має більш ніж 2 млн пар основ (2000 кілобаз), з яких, що цікаво, екзони, що кодують, займають менше 1%.

Структурні характеристики типового гена людини

Гени людинихарактеризуються широким діапазоном властивостей. Тут ми представимо молекулярне визначення гена. У типових випадках ген визначають як послідовність ДНК в геномі, яка необхідна для виробництва функціонального продукту, чи то поліпептид або функціональна молекула РНК. Ген включає не тільки фактичну послідовність, що кодує, але також допоміжні нуклеотидні послідовності, необхідні для відповідної експресії гена - тобто. для нормальної молекули мРНК в правильному обсязі, в правильному місці і в правильний час в ході розвитку або протягом клітинного циклу.

Допоміжні нуклеотидні послідовностізабезпечують молекулярні сигнали «початку» та «зупинки» синтезу мРНК, що зчитується з гена. У 5" кінці кожного гена лежить область промотора, який включає послідовності нуклеотидів, відповідальних за ініціацію транскрипції. Кілька ДНК елементів 5"-області не змінюються у безлічі різних генів («консервативні» елементи). Подібна стійкість, а також дані функціональних досліджень експресії генів вказують на важливу роль таких послідовностей у регуляції генів. У кожній конкретній тканині експресується лише невелика підмножина генів геному.

У геном людинивиявлено кілька різних типів промоторів з різними керуючими властивостями, що визначають розвиток, а також рівні експресії конкретних генів у різних тканинах та клітинах. Роль окремих консервативних промоторних елементів докладно обговорюється розділ «Основи експресії генів». Як промотори, так і інші регуляторні елементи (розташовуються або в 5", або З"-кінцях гена, а також в інтронах) можуть бути точкою мутації при генетичних хворобах, створюючи перешкоди нормальної експресії гена.

Ці елементи, включаючи енхансери (підсилювачі), сайленсери (глушники) і локус-контролюючі області, обговорюються пізніше в цьому розділі. Деякі з таких елементів розташовуються на значній відстані від частини гена, що кодує, зміцнюючи таким чином концепцію про те, що геномне оточення, в якому знаходиться ген, - важлива характеристика його еволюції та регуляції, а також пояснюючи в деяких випадках типи мутацій, що створюють перешкоди нормальної експресії та функції генів. При порівняльному аналізі багатьох тисяч генів під час реалізації проекту «Геном людини» стали зрозумілими багато важливих геномних елементів та його роль розвитку хвороб людини.

У 3"-кінці геналежить важливий нетранскрибується ділянка, що містить сигнал для додавання послідовності залишків аденозину [так званий хвіст полі-(А)] до кінця зрілої мРНК. Хоча загальноприйнято вважати тісно пов'язані керуючі послідовності частиною того, що називається геном, точне вимір будь-якого конкретного гена залишається частково невизначеним доти, доки не будуть повністю охарактеризовані можливі функції віддалених нуклеотидних послідовностей.

8.1. Ген як дискретна одиниця спадковості

Одним із фундаментальних понять генетики на всіх етапах її розвитку було поняття одиниці спадковості. У 1865 року основоположник генетики (науки про спадковість і мінливості) Р. Мендель виходячи з результатів своїх дослідів на гороху дійшов висновку, що спадковий матеріал дискретний, тобто. представлений окремими одиницями спадковості. Одиниці спадковості, що відповідають за розвиток окремих ознак, Г.Мендель назвав «задатками». Мендель стверджував, що в організмі за будь-якою ознакою є пара алельних задатків (по одному від кожного з батьків), які між собою не взаємодіють, не поєднуються і не змінюються. Тому при статевому розмноженні організмів у гамети потрапляє лише один із спадкових задатків у «чистому» незмінному вигляді.

Пізніше припущення Г. Менделя про одиниці спадковості отримали повне цитологічне підтвердження. 1909 року датський генетик В. Йогансен назвав «спадкові задатки» Менделя генами.

В рамках класичної генетики ген розглядається як функціонально неподільна одиниця спадкового матеріалу, що визначає формування будь-якої елементарної ознаки.

Різні варіанти стану певного гена, що виникли в результаті змін (мутацій), отримали назву алелі (алельні гени). Кількість алелей гена у популяції може бути значним, але в конкретного організму кількість алелей певного гена завжди дорівнює двом - за кількістю гомологічних хромосом. Якщо в популяції кількість алелей якогось гена більше двох, то таке явище отримало назву «множинного алелізму».

Гени характеризуються двома протилежними за біологічним значенням властивостями: високою стабільністю своєї структурної організації та здатністю до спадкових змін (мутацій). Завдяки цим унікальним властивостям забезпечується: з одного боку – стійкість біологічних систем (незмінність у низці поколінь), з другого – процес їхнього історичного розвитку, формування адаптацій до умов довкілля, тобто. еволюція.

8.2. Ген як одиниця генетичної інформації. генетичний код.

Ще Аристотель понад 2500 років тому висловив припущення про те, що гамети – це аж ніяк не мініатюрні варіанти майбутнього організму, а структури, що містять інформацію про розвиток ембріонів (хоча він визнавав виключно важливість яйцеклітини на шкоду сперматозоїду). Однак розвиток цієї ідеї в сучасних дослідженнях став можливим лише після 1953 року, коли Дж. Вотсон та Ф. Крик розробили тривимірну модель будови ДНК і тим самим створили наукові передумови для розкриття молекулярних основ спадкової інформації. З цього часу почалася епоха сучасної молекулярної генетики.

Розвиток молекулярної генетики призвело до розкриття хімічної природи генетичної (спадкової) інформації та наповнило конкретним змістом уявлення про ген як одиницю генетичної інформації.

Генетична інформація – інформація про ознаки та властивості живих організмів, закладена у спадкових структурах ДНК, що реалізується в онтогенезі через синтез білка. Спадкову інформацію як програму розвитку організму кожне нове покоління отримує від предків у вигляді сукупності генів геному. Одиницею спадкової інформації є ген, який є функціонально неподільною ділянкою ДНК зі специфічною послідовністю нуклеотидів, що визначає послідовність амінокислот певного поліпептиду або нуклеотидів РНК.

Спадкова інформація про первинну структуру білка записана в ДНК за допомогою генетичного коду.

Генетичний код – система запису генетичної інформації у молекулі ДНК (РНК) як певної послідовності нуклеотидів. Цей код служить ключем для перекладу послідовності нуклеотидів і-РНК в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга при її синтезі.

Властивості генетичного коду:

1. Триплетність – кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів (триплетом чи кодоном)

2. Виродженість – більшість амінокислот шифрується більш як одним кодоном (від 2 до 6). ДНК або РНК є 4 різних нуклеотиду, які теоретично можуть утворювати 64 різних триплета (4 3 = 64) для кодування 20 амінокислот, що входять до складу білків. Цим і пояснюється виродженість генетичного коду.

3. Неперекриваність – один і той самий нуклеотид не може входити одночасно до складу двох сусідніх триплетів.

4. Специфіка (однозначність) – кожен триплет кодує лише одну амінокислоту.

5. Код не має розділових знаків. Зчитування інформації з і-РНК при синтезі білка завжди йде у напрямку 5 - 3 відповідно до послідовності кодонів іРНК. Якщо відбудеться випадання одного нуклеотиду, то при зчитуванні його місце займе найближчий нуклеотид із сусіднього коду, через що зміниться амінокислотний склад молекули білка.

6. Код універсальний для всіх живих організмів та вірусів: однакові триплети кодують однакові амінокислоти.

Універсальність генетичного коду свідчить про єдність походження всіх живих організмів

Однак універсальність генетичного коду не є абсолютною. У мітохондріях ряд кодонів має інший сенс. Тому іноді говорять про квазіуніверсальність генетичного коду. Особливості генетичного коду мітохондрій свідчить про можливість його еволюціонування у процесі історичного розвитку живої природи.

Серед триплетів універсального генетичного коду три кодони не кодують амінокислоти і визначають момент закінчення синтезу цієї поліпептидної молекули. Це звані «nonsens» кодони (стоп-кодони чи термінатори). До них відносяться: у ДНК - АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК - УАА, УГА, УАГ.

Відповідність нуклеотидів у молекулі ДНК порядку амінокислот у молекулі поліпептиду отримала назву коллінеарності. Експериментальне підтвердження колінеарності відіграло вирішальну роль розшифровці механізму реалізації спадкової інформації.

Значення кодонів генетичного коду наведено у таблиці 8.1.

Табл.8.1. Генетичний код (кодони іРНК для амінокислот)

За допомогою цієї таблиці за кодонами іРНК можна визначити амінокислоти. Перший і третій нуклеотиди беруть із вертикальних стовпчиків, розташованих праворуч та зліва, а другий – з горизонтального. На місці перетину відносних ліній міститься інформація про відповідну амінокислоту. Зазначимо, що у таблиці наводиться триплети і-РНК, а чи не ДНК.

Структурно – функціональна організація гена

Молекулярна біологія гена

Сучасне уявлення про будову та функції гена формувалося в руслі нового напряму, який Дж. Уотсон назвав молекулярною біологією гена (1978)

Важливим етапом вивчення структурно – функціональної організації гена були роботи З. Бензера наприкінці 1950-х років. Вони довели, що ген є нуклеотидною послідовністю, яка може змінюватися в результаті рекомбінацій і мутацій. Одиницю рекомбінації С.Бензер назвав реконом, а одиницю мутації – мутоном. Експериментально встановлено, що мутон та рекон відповідають одній парі нуклеотидів. Одиницю генетичної функції С. Бензер назвав цистроном.

В останні роки стало відомо, що ген має складну внутрішню будову, а окремі його частини мають різні функції. У гені можна виділити послідовність генів нуклеотидів, яка визначає будову поліпептиду. Ця послідовність називається цистроном.

Цистрон – це послідовність нуклеотидів ДНК, що визначає окрему генетичну функцію поліпептидного ланцюга. Ген може бути представлений одним або декількома цистронами. Складні гени містять кілька цистронів називаються поліцистронними.

Подальший розвиток теорії гена пов'язане з виявленням відмінностей в організації генетичного матеріалу в далеких організмів один від одного в таксономічному відношенні, якими є про- і еукаріоти.

Структура генів прокаріотів

Прокаріоти, типовими представниками яких є бактерії, більшість генів представлені безперервними інформативними ділянками ДНК, вся інформація яких використовується при синтезі поліпептиду. У бактерій гени займають 80-90% ДНК. Головна особливість генів прокаріотів - це їх об'єднання в групи або оперони.

Оперон – це група наступних структурних генів, що знаходяться під контролем однієї регуляторної ділянки ДНК. Усі зчеплені гени оперону кодують ферменти одного метаболічного шляху (наприклад, розщеплення лактози). Така загальна молекула іРНК називається поліцистроною. Лише деякі гени прокаріотів транскрибуються індивідуально. Їх РНК називається моноцистрона.

Організація за типом оперону дозволяє бактеріям швидко перемикати метаболізм із одного субстрату на інший. Бактерії не синтезують ферменти певного метаболічного шляху без необхідного субстрату, але здатні почати їх синтезувати з появою субстрату.

Структура генів еукаріотів

Більшість генів еукаріотів (на відміну від генів прокаріотів) мають характерну особливість: містять не тільки кодують структуру поліпептиду ділянки – екзони, а й некодуючі – інтрони. Інтрони та екзони чергуються між собою, що надає гену уривчасту (мозаїчну) структуру. Кількість інтронів у генах варіює від 2-х до десятків. Роль інтронів остаточно неясна. Вважають, що вони беруть участь у процесах рекомбінації генетичного матеріалу, і навіть у процесах регуляції експресії (реалізації генетичної інформації) гена.

Завдяки екзонно - інтронної організації генів створюються передумови для альтернативного сплайсингу. Альтернативний сплайсинг-процес «вирізування» різних інтронів з первинного РНК-транскрипта в результаті чого на основі одного гена можуть синтезуватись різні білки. Явище альтернативного сплайсингу має місце у ссавців при синтезі різних антитіл на основі імуноглобулінових генів.

Подальші дослідження тонкої структури генетичного матеріалу набагато більше ускладнило чіткість визначення поняття «ген». У геномі еукаріотів були виявлені великі регуляторні області, що мають різні ділянки, які можуть розташовуватися за межами одиниць трансскрипції на відстані в десятки тисяч пар нуклеотидів. Структуру еукаріотичного гена, що включає транскрибовані та регуляторні області, можна представити наступним чином.

Рис 8.1. Структура еукаріотичного гена

1 – енхансери; 2 – сайленсери; 3 – промотор; 4 – екзони; 5 – інтрони; 6 – ділянки екзонів, що кодують нетрансльовані області.

Промотор – ділянка ДНК для зв'язування з РНК – полімеразою та утворення комплексу ДНК-РНК полімерази для запуску синтезу РНК.

Енхансери – підсилювачі транскрипції.

Сайленсери – ослаблювачі транскрипції.

В даний час ген (цистрон) розглядається як функціонально неподільна одиниця спадкової майстерності, що визначає розвиток будь-якої ознаки або властивості організму. З позиції молекулярної генетики ген є ділянкою ДНК (у деяких вірусів РНК), яка несе інформацію про первинну структуру поліпептиду, молекули транспортної та рибосомальної РНК.

У диплоїдних клітинах людини приблизно 32 000 пар генів. Більшість генів у кожній клітині «мовчить». Набір активних генів залежить від типу тканини, періоду розвитку організму, отриманих зовнішніх чи внутрішніх сигналів. Можна сказати, що в кожній клітині «звучить» свій акорд генів, визначаючи спектр РНК, що синтезуються, білків і, відповідно, властивості клітини.

Структура генів вірусів

Віруси мають структуру гена, що відображає генетичну структуру клітини – господаря.Так, гени бактеріофагів зібрані в оперони і не мають інтронів, а віруси еукаріотів мають інтрони.

Характерна особливість вірусних геномів - це явище генів, що «перекриваються» («ген в гені»).У генах, що «перекриваються», кожен нуклеотид належить одному кодону, але є різні рамки зчитування генетичної інформації з однієї і тієї ж нуклеотидної послідовності. Так, у фага Х 174 є ділянка молекули ДНК, яка входить до складу відразу трьох генів. Але відповідні цим генам послідовності нуклеотидів прочитується кожна у системі відліку. Тому не можна говорити про «перекривання» коду.

Така організація генетичного матеріалу («ген у гені») розширює інформаційні можливості порівняно невеликого за величиною геному вірусів. Функціонування генетичного матеріалу вірусів відбувається по-різному залежно від структури вірусу, але з допомогою ферментної системи клітини господаря. Різні методи організації генів у вірусів, про- і еукаріотів представлені на рис 8.2.

Функціонально – генетична класифікація генів

Існує кілька класифікацій генів. Так, наприклад, виділяють алельні та неалельні гени, летальні та напівлетальні, гени «домашнього господарства», «гени розкоші» тощо.

Гени «домашнього господарства»- набір активних генів, необхідні функціонування всіх клітин організму незалежно від типу тканини, періоду розвитку організму. Ці гени кодують ферменти транскрипції, синтезу АТФ, реплікації, репарації ДНК та ін.

Гени «розкоші»мають вибіркову активність. Їхнє функціонування специфічне і залежить від типу тканини, періоду розвитку організму, отриманих зовнішніх або внутрішніх сигналів.

Виходячи з сучасних уявлень про ген як функціонально неподільну одиницю спадкового матеріалу та системної організації генотипу всі гени принципово можна розділити на дві групи: структурні та регуляторні.

Регуляторні гени– кодують синтез специфічних білків, які впливають функціонування структурних генів в такий спосіб, що у клітинах різної тканинної приналежності синтезуються необхідні білки й у необхідних кількостях.

Структурниминазиваються гени, які несуть інформацію про первинну структуру білка, рРНК чи тРНК. Гени, що кодують білки, несуть інформацію про послідовність амінокислот певних поліпептидів. З цих ділянок ДНК транскребується іРНК, яка є матрицею для синтезу первинної структури білка.

Гени рРНК(Виділяють 4 різновиди) містять інформацію про послідовність нуклеотидів рибосомальних РНК і зумовлюють їх синтез.

Гени тРНК(понад 30 різновидів) несуть інформацію про будову транспортних РНК.

Структурні гени, функціонування яких тісно пов'язане зі специфічними послідовностями молекули ДНК, званими регуляторними ділянками, поділяються на:

· незалежні гени;

· Повторювані гени;

· Кластери генів.

Незалежні гени– це гени, транскрипція яких пов'язані з транскрипцією інших генів у межах транскрипційної одиниці. Їхня активність може регулюватися екзогенними речовинами, наприклад, гормонами.

Гени, що повторюютьсяприсутні у хромосомі як повторів одного гена. Ген рибосомної 5-S-РНК повторюється багато сотень разів, причому повтори розташовуються тандемом, тобто слідуючи впритул один за одним без проміжків.

Кластери генів – це локалізовані у певних ділянках (локусах) хромосоми групи різних структурних генів із спорідненими функціями.Кластери теж часто присутні у хромосомі у вигляді повторів. Наприклад, кластер гістонових генів повторюється в геномі людини 10-20 разів, утворюючи тандемну групу повторів. (Рис. 8.3.)

8.3. Кластер гістонових генів

За рідкісними винятками кластери транскрибуються як одне ціле – у вигляді однієї довгої пре-мРнк. Так пре-мРНК кластера гістонових генів містить інформацію про всі п'ять гістонових білків. Це прискорює синтез гістонових білків, які беруть участь у формуванні нуклеосомної структури хроматину.

Існують також складні кластери генів, які можуть кодувати довгі поліпептиди із кількома ферментативними активностями. Наприклад, один із генів NeuraSpora grassa кодує поліпептид з молекулярною масою 150000 дальтон, який відповідає за 5 послідовних етапів у біосинтезі ароматичних амінокислот. Вважають, що поліфункціональні білки мають кілька доменів – конформаційно обмежених напівавтономних утворень у поліпептидному ланцюзі, які виконують специфічні функції.Відкриття напівфункціональних білків дало підставу вважати, що вони є одним із механізмів плейотропної дії одного гена на формування кількох ознак.

У кодуючій послідовності цих генів можуть вклинюватися некодуючі, які називаються інтронами. Крім того між генами можуть бути ділянки спейсерної, і сателітної ДНК (рис.8.4).

Рис.8.4. Структурна організація нуклеотидних послідовностей (генів) у ДНК.

Спейсерна ДНКрозташовується між генами та не завжди транскрибується. Іноді ділянка такої ДНК між генами (так званий спейсер) містить якусь інформацію, що відноситься до регуляції транскрипції, але він може являти собою і просто короткі послідовності надлишкової ДНК, що повторюються, роль якої залишається неясною.

Сателітна ДНКмістить велику кількість груп нуклеотидів, що повторюються, які не мають сенсу і не транскрибуються. Ця ДНК часто розташовується в області гетерохроматину центроміром мітотичних хромосом. Поодинокі гени серед сателітної ДНК має регулюючі та підсилюючі дію на структурні гени.

Великий теоритичний та практичний інтерес для молекулярної біології та медичної генетики представляє мікро- та мінісателітні ДНК.

Мікросателітна ДНК- Короткі тандемні повтори з 2-6, (частіше з 2-4) нуклеотидів, які отримали назву STR. Найбільш поширеними є нуклеотидні ЦА-повтори. Кількість повторів може значно різняться в різних людей. Мікросателіти знаходяться переважно в деяких ділянках ДНК і наслідуються за законами Менделя. Дитину одержують одну хромосому від матері, з певною кількістю повторів, іншу від батька – з іншою кількістю повторів. Якщо поруч із геном відповідальним за моногенне захворювання, чи всередині гена розташований такий кластер мікросателітів, то маркером патологічного гена може бути певну кількість повторів по довжині кластера. Ця особливість використовується при непрямій діагностиці генних хвороб.

Мінісателітна ДНК- Тандемні повтори з 15-100 нуклеотидів. Вони отримали назву VNTR – варіабельні за кількістю тандемні повтори. Довжина цих локусів також суттєво варіабельна в різних людей і може бути маркером (міткою) патологічного гена.

Мікро- та макросателітні ДНК використовують:

1. Для діагностики генних хвороб;

2. У судово-медичній експертизі для ідентифікації осіб;

3. Для встановлення батьківства та в інших ситуаціях.

Поряд зі структурними і регуляторними послідовностями, що повторюються, функції яких невідомі, виявлені мігруючі нуклеотидні послідовності (транспозони, мобільні гени), а також так звані псевдогени у еукаріотів.

Псевдогени – нефункціонуючі послідовності ДНК, які подібні до функціонуючих генів.

Ймовірно, вони сталися шляхом дуплікації, а неактіані копії стали в результаті мутацій, що порушили будь-які стадії експресії.

За однією з версій псевдоген є «еволюційним резервом»; по-іншому – являють собою «глухий кут еволюції», побічний ефект перебудов колись функціонуючих генів.

Транспозони - структурно та генетично дискретні фрагменти ДНК, здатні переміщатися від однієї молекули ДНК до іншої. Вперше передбачено Б. Мак-Клінток (рис. 8) наприкінці 40-х років XX століття на основі генетичних експериментів на кукурудзі. Вивчаючи природу забарвлення зерен кукурудзи вона зробила припущення, що існують так звані мобільні гени, які можуть переміщатися по геному клітини. Перебуваючи по сусідству з геном, відповідальним за пігментацію зерен кукурудзи, мобільні гени блокують його роботу. Надалі транспозони були виявлені у бактерій і було встановлено, що вони відповідальні за стійкість бактерій до різних токсичних сполук.

Мал. 8.5. Барбара Мак-Клінток Вперше передбачила існування мобільних («стрибають») генів, здатних переміщатися по геному клітин.

Мобільні генетичні елементи виконують такі функції:

1. кодують білки, відповідальні їх переміщення і реплікацію.

2. викликають багато спадкових змін у клітинах, внаслідок чого утворюється новий генетичний матеріал.

3. призводить до утворення ракових клітин.

4. вбудовуючись у різні ділянки хромосом, вони інактивують або посилюють експресію клітинних генів,

5. є важливим чинником біологічної еволюції.

Сучасний стан теорії гена

Сучасні теорії гена сформовано завдяки переходу генетики на молекулярний рівень аналізу та відображає тонку структурно-функціональну організацію одиниць наслідковості. Основні положення цієї теорії такі:

1) ген(цистрон) – функціональна неподільна одиниця спадкового матеріалу (ДНК в організмів та РНК у деяких вірусів), що визначає прояв спадкової ознаки чи властивості організму.

2) Більшість генів існує у вигляді двох або більшої кількості альтернативних (взаємовиключних) варіантів алелів. Всі алелі даного гена локалізуються в одній і тій же хромосомі в певній ділянці, яку назвали локусом.

3) Усередині гена можуть відбуватися зміни у вигляді мутацій та рекомбінацій; Мінімальні розміри мутону і рекону дорівнюють одній парі нуклеотидів.

4) Існують структурні та регуляторні гени.

5) Структурні гени несуть інформацію про послідовність амінокислот у певному поліпептиді та нуклеотидів у рРНК, тРНК

6) Регуляторні гени контролюють та спрямовують роботу структурних генів.

7) Ген не бере безпосередньої участі у синтезі білка, він є матрицею для синтезу різних видів РНК, які безпосередньо беруть участь у синтезі білка.

8) Існує відповідність (коліннеарність) між розташуванням триплетів з нуклеотидів у структурних генах та порядком амінокислот у молекулі поліпептиду.

9) Більшість мутацій гена не проявляються у фенотипі, оскільки молекули ДНК здатні до репарації (відновлення своєї нативної структури)

10) Генотип являє собою систему, що складається з дискретних одиниць - генів.

11) Фенотичний прояв гена залежить від генотипічного середовища, в якому знаходиться ген, вплив факторів зовнішнього та внутрішнього середовища.