Лекция 12. Эволюция представлений о гене. Тонкая структура гена. Функции гена.

1. Понятие о гене.
2. Эффект положения гена в хромосоме.
3. Один ген – один фермент.
4. Делимость гена.

Понятие ген было введено В. Иоганнсеном в 1909 г. До этого существовало понятие наследственный фактор. Этот термин использовал в своих работах Г. Мендель. Вначале понятие ген было чисто умозрительным и не связывалось с определенными клеточными структурами. После описания митоза, мейоза, формулирования закона постоянства числа хромосом каждого вида, формировалось представление о роли ядра в клетке. Но, предположение о том, что поведение хромосом в мейозе может представлять физическую основу менделеевских законов наследственности не находило понимания среди генетиков. Только к 1911 г. у американского генетика Т. Моргана складывается четкое представление о связи менделеевских наследственных факторов (генов) с хромосомами. Он выдвигает гипотезу о возможном наследовании нескольких сцепленных признаков в одной хромосоме. При этом сцепление генов неполное из-за процесса кроссинговера в мейозе. Чем больше расстояние между генами в хромосоме, тем более вероятен кроссинговер между ними. Томас Морган с коллегами сформулировал хромосомную теорию наследственности. Но только в 1931 г. было получено цитологическое доказательство кроссинговера. Т. Морган с сотрудниками открыли явления множественного аллелизма и нерасхождения хромосом, летальные гены, гены-модификаторы, разработали правила составления генетических карт. В его школе было сформулировано положение о том, что не существует полного соответствия между видимыми признаками и генами определяющими их. Каждый признак формируется в результате взаимодействия генотипа с окружающей средой. Т.о., в основе хромосомной теории наследственности лежит представление о гене, как материальной частице, лежащей в хромосоме, являющейся единицей рекомбинации, мутирования и генетической функции. Ген рассматривался как неделимая структура. В 30 годы изучается эффект положения гена в хромосоме. Показывается, что любая хромосомная перестройка, связанная с изменением положения гена в хромосоме, сопровождается фенотипическим изменением и изменением физиологических свойств организма. В эти же годы изучается явление псевдоаллелизма. В 1929 г. были открыты серии промежуточных мутаций у плодовой мушки (дрозофилы), в равной степени меняющие признак. На основании этих экспериментов, нашими учеными А.С. Серебровским и Н.П. Дубининым был сделан вывод о делимости гена. В дальнейшем другие авторы доказали, что ген можно разделить кроссинговером. Такие аллели стали называть псевдоаллелями, т.к. считали, что это гены со сходным фенотипическим действием, расположенные рядом в хромосоме. Постепенно были определены дополнительные свойства гена: способность к удвоению и возможность контролировать не один признак, некоторое их число. В конце 40-х годов в генетике наступил новый этап развития. Активизируется биохимическая и зарождается молекулярная генетика. В биологии начинают применять физические методы исследования, ученые работают с микроорганизмами, что дает большую разрешающую способность генетического анализа. Этим завершается классический этап в развитии генетики. Дж. Бидл и Э. Тейтум внесли огромный вклад в понимание структуры и функции гена. Они в начале 40-х годов сформулировали принцип «один ген – один фермент». Этот принцип означает, что каждый ген контролирует синтез одного белка-фермента. Американский ученый О. Эвери в 1944 г. выделил вещество, вызывающее трансформацию у бактерий. Это вещество способно превращать бескапсульные формы пневмококков в капсульные, вирулентные (ДНК). В 1953 г. в Колледже Лондонского университета в лаборатории М. Уилкинса была открыта структура молекулы ДНК. Дж. Уотсон и Ф, Крик на основании своей модели ДНК предположили, что гены – это участки молекулы ДНК. Они отличаются друг от друга чередованием пар нуклеотидов и наследственная информация закодирована в ДНК в виде последовательности азотистых оснований. С открытием структуры ДНК ген стал представляться в виде участка двуспиральной молекулы, кодирующего последовательность аминокислот в составе молекулы белка. Вскоре было показано, что замена лишь пары нуклеотидов в составе гена ведет к мутации. Рекомбинация не всегда происходит на границе генов. С. Бензер в 1961 г. изучал область rII фага Т4 и показал, что рекомбинация в процессе кроссинговера происходит между 5-6 нуклеотидами. Позже другие авторы показали, что кроссинговер возможен между любой парой нуклеотидов. Процесс обмена наследственной информации может идти и внутри гена. Т. о., к середине 20 века хромосомная теория Т, Моргана претерпела ряд изменений. В общем виде ген стал представляться информационной единицей, которая занимает строго определенное место в хромосоме. Представление о неделимости гена осталось в прошлом.

Современное представление о строении и функции гена формировалось в русле нового направления, которое Дж.Уотсон назвал молекулярной биологией гена (1978)

Важным этапом в изучении структурно – функциональной организации гена были работы С. Бензера в конце 1950-хх годов. Они доказали, что ген представляет собой нуклеотидную последовательность, которая может изменятся в результате рекомбинаций и мутаций. Единицу рекомбинации С.Бензер назвал реконом, а еденицу мутации – мутоном. Экспериментально установлено, что мутон и рекон соответствуют одной паре нуклеотидов. Единицу генетической функции С. Бензер назвал цистроном.

В последние годы стало известно, что ген имеет сложное внутренее строение, а отдельные его части обладают разными функциями. В гене можно выделить последовательность нуклеотидов гена, которая определяет строение полипептида. Эта последовательность называется цистроном.

Цистрон – это последовательность нуклеотидов ДНК, которая определяет отдельную генетическую функцию полипептидной цепи. Ген может быть представлен одним или несколькими цистронами. Сложные гены содержащие в себе несколько цистронов называются полицистронными.

Дальнейшее развитие теории гена связано с выявлением различий в организации генетического материала у организмов далеких друг от друга в таксономическом отношении, которыми являются про- и эукариоты.

Структура генов прокариот

У прокариот, типичными представителями которых являются бактерии, большинство генов представлены непрерывными информативными участками ДНК, вся информация которых используется при синтезе полипептида. У бактерий гены занимают 80-90% ДНК. Главная особенность генов прокариот – это их объединение в группы или опероны.

Оперон – это группа следующих подряд структурных генов, находящихся под контролем одного регуляторного участка ДНК. Все сцепленые гены оперона кодируют ферменты одного метаболического пути (например, расщепление лактозы). Такая общая молекула иРНК называется полицистронной. Только некоторые гены прокариот транскрибируются индивидуально. Их РНК называется моноцистронной.

Организация по типу оперона позволяет бактериям быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой. Бактерии не синтезируют ферменты определенного метаболического пути в отсутствии необходимого субстрата, но способны начать их синтезировать при появлении субстрата.

Структура генов эукариот

Большинство генов эукариот (в отличии от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирующие структуру полипептида участки – экзоны, но и некодирующие – интроны. Интроны и экзоны чередуются между собой, что придает гену прерывистую (мозаичную) структуру. Количество интронов в генах варьиирует от 2-х до десятков. Роль интронов до конца неясна. Полагают, что они учавствуют в процессах рекомбинации генетического материала, а также в процессах регуляции экспресии (реализации генетической информации) гена.

Благодаря экзонно – интронной организации генов создаются предпосылки для альтернативного сплайсинга. Альтернативний сплайсинг- процесс «вырезания» разных интронов из первичного РНК-транскрипта в результате чего на основе одного гена могут синтезироватся разные белки. Явление альтернативного сплайсинга имеет место у млекопитающих при синтезе различних антител на основе иммуноглобулиновых генов.

Дальнейшие исследование тонкой структуры генетического материала еще больше осложнило четкость определения понятия «ген». В геноме эукариот были обнаружены обширные регуляторные области имеющие различные участки, которые могут располагатся за пределами едениц трансскрипции на расстоянии в десятки тысяч пар нуклеотидов. Структуру эукариотического гена, включающую транскрибируемые и регуляторные области, можно представить следующие образом.

Рис 8.1. Структура эукариотического гена

1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области.

Промотор – участок ДНК для связывания с РНК – полимеразой и образование комплекса ДНК-РНК полимеразы для запуска синтеза РНК.

Энхансеры - усилители транскрипции.

Сайленсеры – ослабители транскрипции.

В настоящее время ген (цистрон) рассматривается как функционально неделимая единица наследственного мастерства, определяющая развитие какого – либо признака или свойства организма. С позиции молекулярной генетики ген представляет собой участок ДНК (у некоторых вирусов РНК), который несет информацию о первичной структуре полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК.

В диплоидных клетках человека примерно 32000 пар генов. Большинство генов в каждой клетке «молчит». Набор активных генов зависит от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов. Можно сказать, что в каждой клетке «звучит» свой акорд генов, определяя спектр синтезируемых РНК, белков и, соответственно, свойства клетки.

Структура генов вирусов

Вирусы имеют структуру гена, отражающую генетическую структуру клетки - хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в опероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот имеют интроны.

Характерная особенность вирусных геномов – это явление «перекрывающихся» генов («ген в гене»). В «перекрывающихся» генах каждый нуклеотид принадлежит одному кодону, но имеются разные рамки считывание генетической информации с одной и той же нуклеотидной последовательности. Так, у фага φ Х 174 имеется участок молекулы ДНК, который входит в состав сразу трех генов. Но соответствующие этим генам последовательности нуклеотидов прочитывается каждая в своей системе отсчета. Поэтому нельзя говорить о «перекрывании» кода.

Такая организация генетического материала («ген в гене») расширяет информационные возможности сравнительно небольшого по величине генома вирусов. Функционирование генетического материала вирусов происходит по-разному в зависимости от структуры вируса, но всегда с помощью ферментной системы клетки хозяина.