Здоровый взгляд 

Структура и функции генов. Понятие о гене

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 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 . 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.

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).


Похожая информация.


Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

Гено?м - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Геном человека - это геном биологического вида Homo sapiens. В нормальной ситуации в большинстве клеток человека должно присутствовать 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две - X-хромосома и Y-хромосома - определяют пол (XY - у мужчин или ХХ - у женщин), эти 46 хромосом составляют один геном. Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, в которых по оценкам содержится 20000-25000 генов.

Изучая механизмы регуляции функции гена, французские генетики Жакоб и Моно пришли к заключению, что существуют структурные и регуляторные гены.

К структурным генам относятся гены, которые контролируют (кодируют) первичную структуру матричных, или информационных, РНК, а через них последовательность аминокислот в синтезируемых полипептидах. Другую группу структурных генов составляют гены, определяющие последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях рибосомной РНК и транспортной РНК, т.е. структурные гены отвечают за передачу генетического кода от одного поколения клеток к другому, а также управляют синтезом белков.

Регуляторные гены контролируют синтез специфических веществ, так называемых ДНК-связывающих белков, которые регулируют активность структурных генов. Регуляторные гены взаимодействуют со структурными и регулируют все биохимические процессы в клетке, позволяя ей тем самым приспосабливаться к изменениям окружающей среды, например к изменениям количества и качества поступающих в нее питательных веществ. Если околоклеточная среда стабильна, регуляторные гены тормозят (репрессируют) структурные. Если же состояние окружающей среды изменяется, структурные гены активируются и тем самым способствуют адаптации клетки к новым условиям. Жакоб и Моно назвали совокупность структурных и регуляторных генов опероном, а ген, отвечающий за репрессию и активацию – геном-оператором.

Строение генов (генетические карты, некодирующие участки). Генетическая карта - схема относительного расположения генов в хромосомах, позволяющая предсказывать характер наследования изучаемых признаков организмов. Один конец хромосомы принимается за нулевой, от него отсчитывается расстояние в специальных единицах (морганидах).

Молекула ДНК может содержать множество генов. Ген - это участок молекулы ДНК, который занимает на хромосоме строго определенную позицию и последовательность ДНК которого содержит информацию, необходимую для синтеза белка. Геном человека включает, по приблизительным оценкам 50-100 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию - кодирует определенный белок (например, ферменты или структурные белки клетки) или молекулу РНК. Гены человека сильно варьируют по размерам - от нескольких сотен до нескольких миллионов пар оснований. Известно, что кодирующие белок последовательности занимают лишь около 10% генома. Остальные 90% приходятся на долю некодирующих участков. Большая часть генов состоит из перемежающихся кодирующих (экзоны) и некодирующих (нитроны) частей.

Генетические карты хромосом составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Генетические карты хромосом можно только для объектов, у которых изучено большое число мутантных генов. У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом.

Некодирующие районы между генами называют спейсерами. В некодирующих участках располагаются последовательности, регулирующие активность генов. Однако функция большей части некодирующей ДНК не ясна. Основным "строительным материалом" живых организмов является белок. Клетки человека способны синтезировать около 100 тысяч различных белков. Белок представляет из себя сложную молекулу, состоящую из одной или более цепочек, построенных из остатков аминокислот. Последовательность аминокислот в белке закодирована в последовательности оснований гена. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая из аминокислот будет располагаться в данной позиции белка.

"хромосома" - слова, которые знакомы каждому школьнику. Но представление об этом вопросе довольно обобщенное, так как для углубления в биохимические дебри требуются специальные знания и желание все это понимать. А оно, если и присутствует на уровне любопытства, то быстро пропадает под тяжестью изложения материала. Попробуем разобраться в хитросплетениях в научно-полярной форме.

Ген - это наименьшая структурная и функциональная частица информации о наследственности у живых организмов. По сути он представляет собой небольшой участок ДНК, в котором содержится знание об определенной последовательности аминокислот для построения белка либо функциональной РНК (с которой также будет синтезирован белок). Ген определяет те признаки, которые будут наследоваться и передаваться потомками дальше по генеалогической цепи. У некоторых одноклеточных организмов существует перенос генов, который не имеет отношения к воспроизведению себе подобных, он называется горизонтальным.

"На плечах" генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха.

Первый научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 году опубликовал свои наблюдения о результатах при скрещивании гороха. Наследственный материал, который он использовал, четко показывал закономерности передачи признаков, таких как цвет и форма горошин, а также цветки. Этот монах сформулировал законы, которые сформировали начало генетики как науки. Наследование генов происходит потому, что родители отдают своему чаду по половинке всех своих хромосом. Таким образом, признаки мамы и папы, смешиваясь, образуют новую комбинацию уже имеющихся признаков. К счастью, вариантов больше, чем живых существ на планете, и невозможно отыскать двух абсолютно идентичных существ.

Мендель показал, что наследст-венные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособлен-ных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются по-следующим поколениям в мужских и женских га-метах, каждая из которых содержит по одной едини-це из каждой пары. В 1909 году датский ботаник Иогансен назвал эти единицы генами. В 1912 году генетик из Соединенных Штатов Америки Морган показал, что они находятся в хромосомах.

С тех пор прошло больше полутора веков, и исследования продвинулись дальше, чем Мендель мог себе представить. На данный момент ученые остановились на мнении, что информация, находящаяся в генах, определяет рост, развитие и функции живых организмов. А может быть, даже и их смерть.

Классификация

Структура гена содержит в себе не только информацию о белке, но и указания, когда и как ее считывать, а также пустые участки, необходимые для разделения информации о разных белках и остановки синтеза информационной молекулы.

Существует две формы генов:

  1. Структурные - они содержат в себе информацию о строении белков или цепей РНК. Последовательность нуклеотидов соответствует расположению аминокислот.
  2. Функциональные гены отвечают за правильную структуру всех остальных участков ДНК, за синхронность и последовательность ее считывания.

На сегодняшний день ученые могут ответить на вопрос: сколько генов в хромосоме? Ответ вас удивит: около трех миллиардов пар. И это только в одной из двадцати трех. Геном называется наименьшая структурная единица, но она способна изменить жизнь человека.

Мутации

Случайное или целенаправленное изменение последовательности нуклеотидов, входящих в цепь ДНК, называется мутацией. Она может практически не влиять на структуру белка, а может полностью извратить его свойства. А значит, будут локальные или глобальные последствия такого изменения.

Сами по себе мутации могут быть патогенными, то есть проявляться в виде заболеваний, либо летальными, не позволяющими организму развиваться до жизнеспособного состояния. Но большинство изменений проходит незаметно для человека. Делеции и дупликации постоянно совершаются внутри ДНК, но не влияют на ход жизни каждого отдельного индивидуума.

Делеция - это потеря участка хромосомы, который содержит определенную информацию. Иногда такие изменения оказываются полезными для организма. Они помогают ему защититься от внешней агрессии, например вируса иммунодефицита человека и бактерии чумы.

Дупликация - это удвоение участка хромосомы, а значит, и совокупность генов, которые он содержит, также удваивается. Из-за повторения информации она хуже подвержена селекции, а значит, может быстрее накапливать мутации и изменять организм.

Свойства гена

У каждого человека имеется огромная Гены - это функциональные единицы в ее структуре. Но даже такие малые участки имеют свои уникальные свойства, позволяющие сохранять стабильность органической жизни:

  1. Дискретность - способность генов не смешиваться.
  2. Стабильность - сохранение структуры и свойств.
  3. Лабильность - возможность изменяться под действием обстоятельств, подстраиваться под враждебные условия.
  4. Множественный аллелизм - существование внутри ДНК генов, которые, кодируя один и тот же белок, имеют разную структуру.
  5. Аллельность - наличие двух форм одного гена.
  6. Специфичность - один признак = один ген, передающийся по наследству.
  7. Плейотропия - множественность эффектов одного гена.
  8. Экспрессивность - степень выраженности признака, который кодируется данным геном.
  9. Пенетрантность - частота встречаемости гена в генотипе.
  10. Амплификация - появление значительного количества копий гена в ДНК.

Геном

Геном человека - это весь наследственный материал, который находится в единственной клетке человека. Именно в нем содержатся указания о построении тела, работе органов, физиологических изменениях. Второе определение данного термина отражает структуру понятия, а не функцию. Геном человека - это совокупность генетического материала, упакованного в гаплоидном наборе хромосом (23 пары) и относящегося к конкретному виду.

Основу генома составляет молекула хорошо известная как ДНК. Все геномы содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии организма. Сами гены занимают небольшую часть генома, но при этом являются его основой. Информация, записанная в генах, — своего рода инструкция для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах которые принимают участие в работе генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в нем присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть будто бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам в настоящий момент, когда заходит речь о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены.

Размер и структура генома

Логично предположить, что ген, геном, хромосома отличаются у разных представителей жизни на Земле. Они могут быть как бесконечно маленькими, так и огромными и вмещать в себе миллиарды пар генов. Структура гена также будет зависеть от того, чей геном вы исследуете.

По соотношению между размерами генома и числом входящих в него генов можно выделить два класса:

  1. Компактные геномы, имеющие не более десяти миллионов оснований. У них совокупность генов строго коррелирует с размером. Наиболее характерны для вирусов и прокариотов.
  2. Обширные геномы состоят более чем из 100 миллионов пар оснований, не имеющих взаимосвязи между их длиной и количеством генов. Чаще встречаются у эукариотов. Большинство нуклеотидных последовательностей в этом классе не кодируют белков или РНК.

Исследования показали, что в геноме человека находится около 28 тысяч генов. Они неравномерно распределены по хромосомам, но значение этого признака остается пока загадкой для ученых.

Хромосомы

Хромосомы - это способ упаковки генетического материала. Они находятся в ядре каждой эукариотической клетки и состоят из одной очень длинной молекулы ДНК. Их легко можно увидеть в световой микроскоп в процессе деления. Кариотипом называется полный набор хромосом, который является специфичным для каждого отдельного вида. Обязательными элементами для них являются центромера, теломеры и точки репликации.

Изменения хромосом в процессе деления клетки

Хромосома - это последовательные звенья цепи передачи информации, где каждое следующее включает предыдущее. Но и они претерпевают определенные изменения в процессе жизни клетки. Так, например, в интерфазе (период между делениями) хромосомы в ядре расположены рыхло, занимают много места.

Когда клетка готовится к митозу (т. е. к процессу разделения надвое), хроматин уплотняется и скручивается в хромосомы, и теперь его становится видно в световой микроскоп. В метафазе хромосомы напоминают палочки, близко расположенные друг к другу и соединенные первичной перетяжкой, или центромерой. Именно она отвечает за формирование веретена деления, когда группы хромосом выстраиваются в линию. В зависимости от размещения центромеры существует такая классификация хромосом:

  1. Акроцентрические - в этом случае центромера расположена полярно по отношению к центру хромосомы.
  2. Субметацентрические, когда плечи (то есть участки, находящиеся до и после центромеры) неравной длины.
  3. Метацентрические, если центромера разделяет хромосому ровно посередине.

Данная классификация хромосом была предложена в 1912 году и используется биологами вплоть до сегодняшнего дня.

Аномалии хромосом

Как и с другими морфологическими элементами живого организма, с хромосомами тоже могут происходить структурные изменения, которые влияют на их функции:

  1. Анеуплоидия. Это изменение общего числа хромосом в кариотипе за счет добавления или удаления одной из них. Последствия такой мутации могут быть летальными для еще не родившегося плода, а также приводить к врожденным дефектам.
  2. Полиплоидия. Проявляется в виде увеличения количества хромосом, кратного половине их числа. Чаще всего встречается у растений, например водорослей, и грибов.
  3. Хромосомные аберрации, или перестройки, - это изменения в строении хромосом под воздействием факторов внешней среды.

Генетика

Генетика - это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, а также обеспечивающие их биологические механизмы. В отличие от многих других биологических наук она с момента своего возникновения стремилась быть точной наукой. Вся история генетики — это история создания и использования все более и более точных методов и подходов. Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, генетической инженерии, микробиологической промышленности.

Наследственность - способность организма обеспечивать в ряду морфологических, биохимических и физиологических признаков и особенностей. В процессе наследования воспроизводятся основные видоспецифические, групповые (этнические, популяционные) и семейные черты строения и функционирования организмов, их онтогенеза (индивидуального развития). Наследуются не только определенные структурно-функциональные характеристики организма (черты лица, некоторые особенности обменных процессов, темперамента и др.), но и физико-химические особенности строения и функционирования основных биополимеров клетки. Изменчивость — разнообразие признаков среди представителей определенного вида, а также свойство потомков приобретать отличия от родительских форм. Изменчивость вместе с наследственностью представляют собой два неразделимых свойства живых организмов.

Синдром Дауна

Синдром Дауна - генетическое заболевание, при котором кариотип состоит из 47 хромосом у человека вместо обычных 46. Это одна из форм анеуплоидии, о которой говорилось выше. В двадцать первой паре хромосом появляется добавочная, которая привносит лишнюю генетическую информацию в геном человека.

Название свое синдром получил в честь врача, Дона Дауна, который открыл и описал его в литературе как форму психического расстройства в 1866 году. Но генетическая подоплека была обнаружена почти на сто лет позже.

Эпидемиология

На данный момент кариотип в 47 хромосом у человека встречается один раз на тысячу новорожденных (ранее статистика была иной). Это стало возможным благодаря ранней диагностике данной патологии. Заболевание не зависит от расы, этнической принадлежности матери или ее социального положения. Оказывает влияние возраст. Шансы родить ребенка с синдромом Дауна возрастают после тридцати пяти лет, а после сорока соотношение здоровых детей к больным равняется уже 20 к 1. Возраст отца старше сорока лет также увеличивает шансы на рождение ребенка с анеуплоидией.

Формы синдрома Дауна

Наиболее частый вариант - появление дополнительной хромосомы в двадцать первой паре по ненаследственному пути. Он обусловлен тем, что во время мейоза эта пара не расходится по веретену деления. У пяти процентов заболевших наблюдается мозаицизм (дополнительная хромосома содержится не во всех клетках организма). Вместе они составляют девяносто пять процентов от общего количества человек с этой врожденной патологией. В остальных пяти процентах случаев синдром вызван наследственной трисомией двадцать первой хромосомы. Однако рождение двух детей с этим заболеванием в одной семье незначительно.

Клиника

Человека с синдромом Дауна можно узнать по характерным внешним признакам, вот некоторые из них:

Уплощенное лицо;
- укороченный череп (поперечный размер больше продольного);
- кожная складка на шее;
- складка кожи, которая прикрывает внутренний угол глаза;
- чрезмерная подвижность суставов;
- сниженный тонус мышц;
- уплощение затылка;
- короткие конечности и пальцы;
- развитие катаракты у детей старше восьми лет;
- аномалии развития зубов и твердого неба;
- врожденные пороки сердца;
- возможно наличие эпилептического синдрома;
- лейкозы.

Но однозначно поставить диагноз, основываясь только на внешних проявлениях, конечно, нельзя. Необходимо провести кариотипирование.

Заключение

Ген, геном, хромосома - кажется, что это просто слова, значение которых мы понимаем обобщенно и весьма отдаленно. Но на самом деле они сильно влияют на нашу жизнь и, изменяясь, заставляют меняться и нас. Человек умеет подстраиваться под обстоятельства, какими бы они ни оказались, и даже для людей с генетическими аномалиями всегда найдется время и место, где они будут незаменимы.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ НА ОРГАНИЗМЕННОМ УРОВНЕ. МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ.

Генетическая терминология

Среди биологических наук генетика занимает центральное место, поскольку изучает универсальные для всех живых существ законы наследственности и изменчивости. Все остальные свойства (рост и развитие, обмен веществ, гомеостаз и т.д.) всецело зависят от материального субстрата наследственности – ДНК.

Наследственность – свойство живых организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями, а также специфический характер онтогенеза в определенных условиях среды. В ходе индивидуального развития наследственность определяет развитие и изменение морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма. Наследственная преемственность между поколениями гарантирует существование вида на определенном историческом промежутке времени.

Для того чтобы полноценно определить роль наследственности необходимо четко представлять:

1. Структурную и функциональную организацию ДНК

2 . Закономерности передачи наследственной информации как в ряду поколений,

так и в пределах одного организма

3. Механизмы регуляции и контроля за процессами жизнедеятельности клеток

и индивидуального развития в целом.

Изменчивость – свойство живых организмов приобретать новые признаки, отличающие их от родительских форм (строение и функции систем органов и особенности индивидуального развития).

Наследственность и изменчивость это два противоположных, но взаимосвязанных свойства организма. Элементарной единицей наследственности и изменчивости является ген (греч. «генос» -рождение, образующий). Термин был предложен в 1909г.В.Иогансеном. Ген – это участок молекулы ДНК, дающий информацию о синтезе одного полипептида.

Основными функциями ДНК – как материального носителя наследственности являются: хранение, воспроизведение и реализация наследственной информации.

Наряду с ядерными генами, локализованными в хромосомах, обнаружены факторы наследственности, расположенные в цитоплазме. Их называют плазмогенами. Установлено, что пластиды митохондрий содержат ДНК. В цитоплазме может находиться чужеродная ДНК вирусов и плазмиды бактерий. Внеядерная ДНК способна реплицироваться независимо от ядерной ДНК. Цитоплазматическое наследование идет по материнской линии, т.е. через цитоплазму яйцеклетки, т.к. сперматозоиды не привносят митохондрии в зиготу.

Критериями цитоплазматической наследственности являются:

    Отсутствие количественного менделевского расщепления в потомстве.

    невозможность выявить сцепление

    различные результаты реципроктных скрещиваний

Геном митохондрий человека представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей порядка 16,5 тыс. пар нуклеотидов, в состав которой входят гены р-РНК, 22 различных т-РНк. Имеются данные, что такие пороки развития, как несращение верхних дуг позвонков, сращение нижних конечностей обусловлены мутациями митохондриальных генов.

Схема реализации гена в признак:

Признак - любое свойство или качество (биохимическое, морфологическое, иммунологическое, клиническое и т.д.), которое позволяет отличить один организм от другого. Совокупность всех внутренних и внешних признаков организма, развивающихся на основе генотипа под воздействием факторов внешней среды называется фенотипом.

Ген (участок молекулы ДНК) → иРНК → белок (фермент) →биохимические реакции→признак.

Таким образом, гены определяют развитие конкретных признаков. Поскольку в соматических клетках организма все хромосомы парные – диплоидный набор хромосом , следовательно гены тоже парные - аллельные гены. Сразвитием хромосомной теории наследственности выяснилось, что аллельные гены располагаются в одинаковых участках гомологичных хромосом, и кодируют один и тот же признак. Аллель определяет варианты развития одного и того же признака.

Аллельные гены обозначаются одной буквой латинского алфавита: доминантный (подавляющий) аллель – прописной (А), а рецессивный (подавляемый) – строчной (а).

Пара аллельных генов может быть одинако­ва (АА илиаа), тогда говорят, что особьгомозиготна по данному призна­ку. Если же аллельные гены в паре раз­ные(Аа), то особь по данному призна­кугетерозиготна.

Свойства гена:

- специфичность (каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида)

-целостность (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица)

-дискретность (наличие субъединиц - нуклеотидов)

-стабильность (относительно устойчивы)

-лабильность (способны мутировать)

Классификация генов

Накопление знаний о структуре, функциях, характере взаимодействия и других свойствах генов породили несколько вариантов классификации генов.

1. По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра - ядерные гены и цитоплазматические гены.

2. По месту локализации генов в хромосомах различают аллельные гены и неаллельные гены (гены расположенные либо в разных локусах одной хромосомы, либо в хромосомах из разных пар. Отвечают, обычно, за развитие разных признаков и обозначатся разными символами).

3. По функциональному значению различают структурные гены , несут информацию о белках-ферментах и гистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК. Среди функциональных генов выделяют гены- модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов(ингибиторы, интеграторы, модификаторы) и гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы ).

4. По влиянию на физиологические процессы в клетке различают летальные (активность данных генов несовместима с жизнью), условно летальные (снижают жизнеспособность организма), протоонкогены – группа генов, регулирующих нормальное клеточное деление и дифференцировку клеток. Измененные мутацией, но активные формы протоонкогенов носят название онкогенов – способных стимулировать развитие опухолевых клеток, последние могут возникать также в результате снижения активности антионкогенов (продукты этих генов угнетают митотическую активность клеток, участвуют в репарации ДНК и контролируют клеточный цикл).

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала

    Геномный уровень

Геномом называют всю совокупность (генов) наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток организма. При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма. Все соматические клетки такого организма обладают двойным набором хромосом. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом и строением хромосом, совокупность которых составляют хромосомный набор, или кариотип (полный парный набор хромосом, диплоидный набор). Все соматические клетки, независимо от их происхождения и строения (за исключением дифференцированных безъядерных клеток или полиплоидных клеток), имеют не только одинаковое число хромосом, но и идентичный набор генов.

Характерной особенностью кариотипа является наличие в нем пар гомологичных хромосом, в каждой паре одна хромосома имеют отцовское, другая - материнское происхождение. Гомологичные хромосомы характеризуются одинаковыми размерами и формой, а также специфичностью строения при дифференциальном окрашивании.

В диплоидном наборе различают аутосомы (для человека - хромосомы 1-22 пары) и половые хромосомы.

В отличие от соматических, половые клетки содержат гаплоидный набор хромосом, в котором содержится только одна хромосома из каждой пары хромосом. В генетическом плане половые клетки значительно отличаются от соматических:

1. При сперматогенезе образуются два типа сперматозоидов 50% содержат X –хромосому и 50% Y-хромосому (мужской организм у человека гетерогаметный ), при овогенезе все яйцеклетки содержат X –хромосому (женский организм гомогаметный )

2. Половые клетки одного организма содержат различный геном, поскольку

В результате кроссинговера возникают новые комбинации неаллельных генов в хромосоме

Независимое расхождение пар хромосом (анафаза I мейоза) приводит к возникновению различных комбинаций негомологичных хромосом в гаметах.

Случайное слияние гаплоидных клеток при оплодотворении приводит не только к восстановлению диплоидного набора, но и к возникновению комбинативной изменчивости.

Нарушения геномного уровня организации наследственного материала, т.е. изменения числа хромосом в диплоидном или гаплоидном наборе, называются геномные соматические или генеративные мутации.

1. Соматические мутации возникают в результате нарушения расхождения хроматид в анафазу митоза (гетероплоидии) либо нарушений кариокинеза (возникают полиплоидные клетки) или цитокинеза (возникают многоядерные клетки).

2. Генеративные мутации возникают в результате нарушения расхождения хромосом (анафаза I мейоза) или хроматид (анафаза II мейоза) при образовании половых клеток. При этих нарушениях сформировавшиеся гаметы содержат измененный гаплоидный набор хромосом.

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот). Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета -- УАА, УАГ, УГА -- не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они представляют собой знаки терминации трансляции.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона (участка генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы) расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).

Структура генов у бактеориофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзон-интронной структуры генов.

Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). Экзон [от англ. ex(pressi)on -- выражение, выразительность] - участок гена, несущий информацию о первичной структуре белка. В гене экзоны разделены некодирующими участками -- интронами. Интрон (от лат. inter -- между) - участок гена, не несущий информацию о первичной структуре белка и расположенный между кодирующими участками -- экзонами. В результате структурные гены эукариот имеют более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая иРНК, последовательность нуклеотидов в которой соответствует экзонам. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК, состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты -- рестриктазы -- разрезают эту про-иРНК по границам экзон-интрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую иРНК (так называемый сплайсинг). Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина -- от нескольких пар оснований до нескольких тысяч.

Ген может кодировать различные РНК-продукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний экзонов в зрелой иРНК, причем полипептиды, синтезированные на таких иРНК, будут различаться как по количеству аминокислотных остатков, так и по их составу.

Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых изучены недостаточно, а также мигрирующие элементы (мобильные гены), способные перемещаться по геному. Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов, расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями.