Понятие о гене. Классификация генов. Структурная организация генов прокариот и эукариот

Ген — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой последовательность ДНК, задающую последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. При этом некоторые органеллы (митохондрии, пластиды) имеют собственную ДНК, не входящую в геном организма, которая определяет их признаки.

Среди некоторых организмов, в основном одноклеточных, встречается горизонтальный перенос генов, не связанный с размножением.

Термин «ген» был введён в употребление в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йогансеном.

Изучением генов занимается наука генетика, родоначальником которой считается Грегор Мендель, который в 1865 году опубликовал результаты своих исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Сформулированные им закономерности впоследствии назвали Законами Менделя.

Среди учёных нет единого мнения под каким углом рассматривать ген. Одни учёные его рассматривают как информационную наследственную единицу, а единицей естественного отбора является вид, группа, популяция или отдельный индивид. Другие учёные, как например Ричард Докинз в своей книге «Эгоистичный ген», рассматривают ген как единицу естественного отбора, а сам организм — как машину для выживания генов.

В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулыбелка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.

В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК (англ.)русск., таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis -регуляторные элементы, англ. cis-regulatoryelements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans -регуляторные элементы, англ. trans-regulatoryelements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copynumbervariations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека^[1]. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин(А) или тимин(Т) или цитозин(Ц) или гуанин(Г), пятиатомный сахар-пентозу-дезоксирибозу, по имени которой и получила название сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

Гены и мемы

По аналогии с генами Ричардом Докинзом был введён в употребление термин «мем» — единица культурной информации. Если ген распространяется в химической среде, используя для размножения химические вещества, то мем распространяется в информационной среде: на носителях информации, в человеческой памяти, а также в сети. Также как гены конкурируют между собой за ресурсы: химические вещества, так и мемы конкурируют за информационное пространство. По целому ряду причин, между пространственным распределением генов и мемов могут наблюдаться достаточно жёсткие корреляции.^[2]

Свойства гена

2. дискретность — несмешиваемость генов;

3. стабильность — способность сохранять структуру;

4. лабильность — способность многократно мутировать;

5. множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

6. аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

7. специфичность — каждый ген кодирует свой признак;

8. плейотропия — множественный эффект гена;

9. экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;

10. пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;

11. амплификация — увеличение количества копий гена.

Классификация

В зависимости от выполняемых функций гены делятся на

1.Структурные гены – гены, контролирующие синтез структурных белков или ферментов

2. Регуляторные гены – гены, контролирующие синтез различных белков, влияющих на активность структурных генов. Регуляторные гены в свою очередь делятся на:

Гены – модификаторы – усиливающие и снижающие активность структурных генов.

Гены – супрессоры – подавляющие активность структурных генов

По влиянию на жизнеспособность организмов гены делятся на:

1 Летальные гены – гены, приводящие к гибели их носителей

2. Сублитальные гены – гены, приводящие к нарушению репродуктивной функции (стерильность, пониженная жизнеспособность или нежизнеспособность потомства) их носителей

3. Нейтральные гены – не влияющие на жизнеспособность организма.

Строение структурных генов прокариот и эукариот специфичное. У прокариот в большинстве случаев кодирующий участок непрерывен, в генах эукариот наряду с участками, кодирующими специфический для этого гена продукт (полипептид, рибосомную РНК, транспортную РНК), имеются некодирующие участки. Кодирующие участки гена получили, как уже упоминалось, название экзонов, некодирующие — интронов. В структурном гене экзоны чередуются с интронами. Ген как бы разорван.
Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена. Размеры интронов различные (от нескольких десятков до нескольких тысяч нуклеотидных пар). Нередко на долю интронов в гене приходится больше нуклеотидов, чем на долю экзонов. Роль интронов мало изучена. Если бы они не выполняли определенных функций, были не нужны организму, элиминировались бы естественным отбором.
Изучение гена продолжается. Современные сведения позволяют говорить о гене как об участке молекулы геномной нуклеиновой кислоты, представляющем единицу функции и способном изменяться и приобретать различные состояния путем мутирования и рекомбинаций. Это сложная, но в функциональном отношении целостная единица наследственности.

Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами).