thumb|376x376px|Este esquema ilustra o gene eucarioto com relação à estrutura do DNA e um cromossoma (direita).|alt=Esquema de um gene eucarioto mostrando a alternância entre éxons (regiões codificantes) e íntrons (regiões não codificantes) ao longo do DNA. À direita, a representação da localização do gene em um cromossomo, ilustrando a relação entre a estrutura gênica e a organização cromossômica. Gene, em biologia, é a unidade fundamental da hereditariedade. Cada gene é formado por uma sequência específica e ordenada de ácidos nucleicos (ADN e ARN) que codifica um produto funcional específico (isto é, uma proteína ou molécula de RNA). Acreditava-se que o ser humano possuía aproximadamente 100.000 genes em seus 46 cromossomos,SADLER, T. W. Langman Embriología Médica con orientacíon clínica. 8. ed. Madrid: Editorial Medica Panamerica, 2001. porém estudos atuais sobre o genoma identificaram entre 20.000 e 25.000 genes.
Durante a expressão genética, o ADN é primeiro copiado em ARN. O ARN pode ser diretamente funcional ou ser o modelo intermediário para uma proteína que desempenha uma função. A transmissão de genes à descendência de um organismo é a base da herança dos traços fenotípicos. Esses genes formam diferentes sequências de ADN, denominadas genótipos que, juntamente com os fatores ambientais e de desenvolvimento, determinam quais serão os fenótipos. A maioria das características biológicas está sob a influência de poligenes (muitos genes diferentes), bem como de interações gene-ambiente. Algumas características genéticas são instantaneamente visíveis, como a cor dos olhos ou o número de membros, e outras não, como o tipo de sangue, a susceptibilidade à doenças específicas, ou os milhares de processos bioquímicos básicos que constituem a vida.
O gene é um segmento de um cromossomo a que corresponde um código distinto, uma informação para produzir uma determinada proteína ou controlar uma característica, por exemplo, a cor dos olhos. Os genes podem adquirir mutações em sua sequência, levando a diferentes variantes, conhecidas como alelos, na população . Esses alelos codificam versões ligeiramente diferentes de uma proteína, que causam diferentes características fenotípicas.
O termo "gene" foi introduzido pelo botânico e geneticista dinamarquês Wilhem Ludvig Johannsen em 1909 e, desde então, muitas definições de gene foram propostas. Atualmente, diz-se que um gene é um segmento de DNA que leva à produção de uma cadeia polipeptídica e inclui regiões que antecedem e que seguem a região codificadora, bem como sequências que não são traduzidas (íntrons) que se intercalam aos segmentos codificadores individuais (éxons), que são traduzidos.
O conceito de gene continua a ser refinado à medida que novos fenômenos são descobertos. Por exemplo, as regiões regulatórias de um gene podem ser bem removidas de suas regiões codificantes, e as regiões codificantes podem ser divididas em vários exons. Alguns vírus armazenam seu genoma em ARN em vez de ADN, e alguns produtos gênicos são ARNs não codificantes funcionais. Portanto, uma definição ampla e moderna de trabalho de um gene é qualquer lócus discreto de sequência genômica hereditária, que afeta as características de um organismo ao ser expresso como um produto funcional ou pela regulação da expressão do gene.
História
thumb|Gregor Mendel|alt=Fotografia de Gregor Mendel|194x194px
Descoberta de unidades herdadas discretas A existência de unidades herdáveis discretas foi sugerida pela primeira vez por Gregor Mendel (1822–1884).
De 1857 a 1864, em Brno, Império Austríaco (atual República Tcheca), ele estudou os padrões de herança em 8 000 plantas de ervilha comestíveis comuns, rastreando características distintas desde os pais até os filhos. Ele descreveu isso matematicamente como 2n combinações, onde n é o número de características diferentes nas ervilhas originais. Embora não tenha usado o termo gene, ele explicou seus resultados em termos de unidades herdadas discretas que dão origem a características físicas observáveis. Esta descrição prefigurou a distinção de Wilhelm Johannsen entre genótipo (o material genético de um organismo) e fenótipo (as características observáveis desse organismo). Mendel também foi o primeiro a demonstrar a segregação independente, a distinção entre traços dominantes e recessivos, a distinção entre um heterozigoto e homozigoto, e o fenômeno da herança descontínua.
Antes do trabalho de Mendel, a teoria dominante da hereditariedade era a da herança combinada, que sugeria que cada pai contribuía com fluidos para o processo de fertilização e que as características dos pais se misturavam para produzir a prole. Charles Darwin desenvolveu uma teoria da herança que ele denominou pangênese, do grego pan ("tudo, todo") e gênese ("nascimento")/genos ("origem"). Darwin usou o termo gemula para descrever partículas hipotéticas que se misturariam durante a reprodução.
O trabalho de Mendel passou despercebido após sua primeira publicação em 1866, mas foi redescoberto no final do século 19 por Hugo de Vries, Carl Correns e Erich von Tschermak, que (alegadamente) teriam chegado a conclusões semelhantes em suas próprias pesquisas.
miniaturadaimagem|direita|270x270px|Wilhelm Johannsen
Dezesseis anos depois, em 1905, Wilhelm Johannsen introduziu o termo 'gene' e William Bateson o termo 'genética', enquanto Eduard Strasburger e outros ainda usavam o termo 'pangene' para a unidade física e funcional fundamental de hereditariedade.
Os primeiros indícios experimentais de que os genes atuam por meio do controle da síntese das enzimas foram em meados da década de 1930. Os pesquisadores George Beadle (1903–1989), Edward Lawrie Tatum (1909–1975) mostraram que a cor alterada do olho mutante da mosca Drosophila melanogaster devia-se à incapacidade do inseto realizar uma reação química específica na via metabólica da síntese de um pigmento visual.
Entusiasmado com os resultados obtidos com o estudo da mosca, mas cientes de que aquele organismo muito complexo para o teste de sua hipótese, Beadle e Tatum resolveram utilizar um organismo mais simples em seus experimentos: o bolor rosado do pão, Neurospora crassa.
Descoberta do ADN Os avanços na compreensão dos genes e da herança continuaram ao longo do século XX. O ácido desoxirribonucléico (ADN) mostrou ser o repositório molecular da informação genética por experimentos nas décadas de 1940 a 1950. Reprint: A estrutura do DNA foi estudada por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins usando cristalografia de raios-X, o que levou James D. Watson e Francis Crick a publicar um modelo da molécula de DNA de fita dupla cujas bases de nucleotídeos emparelhadas indicaram uma hipótese convincente para o mecanismo de replicação genética.
No início da década de 1950, a visão predominante era que os genes em um cromossomo agiam como entidades discretas, indivisíveis por recombinação e organizadas como contas em um cordão. Os experimentos de Benzer usando mutantes defeituosos na região rII do bacteriófago T4 (1955–1959) mostraram que genes individuais têm uma estrutura linear simples e provavelmente são equivalentes a uma seção linear de ADN.
Coletivamente, esse corpo de pesquisa estabeleceu o dogma central da biologia molecular, que afirma que as proteínas são traduzidas do ARN, que é transcrito do ADN. Este dogma, desde então, mostrou ter exceções, como a transcrição reversa em retrovírus. O estudo moderno da genética no nível do ADN é conhecido como genética molecular.
Em 1972, Walter Fiers e sua equipe foram os primeiros a determinar a sequência de um gene: o da proteína capsidial do bacteriófago MS O desenvolvimento subsequente do sequenciamento de DNA de terminação de cadeia em 1977 por Frederick Sanger melhorou a eficiência do sequenciamento e o transformou em uma ferramenta de laboratório de rotina. Uma versão automatizada do método Sanger foi usada nas fases iniciais do Projeto Genoma Humano.
Síntese moderna e seus sucessores
As teorias desenvolvidas no início do século XX para integrar a genética mendeliana com a evolução darwiniana são chamadas de síntese evolutiva moderna, um termo introduzido por Julian Huxley. Os biólogos evolucionistas posteriormente modificaram esse conceito, como a visão da evolução centrada no gene de George C. Williams. Ele propôs um conceito evolucionário do gene como uma unidade de seleção natural com a definição: "aquilo que segregou e recombina com frequência apreciável." Nessa visão, o gene molecular se transcreve como uma unidade, e o gene evolucionário herda como uma unidade. Ideias relacionadas enfatizando a centralidade dos genes na evolução foram popularizadas por Richard Dawkins. Foram encontrados indícios de que os genes podem desempenhar um papel importante em gostos pessoais, em áreas como a alimentação, orientação sexual e até opinião política.
Base molecular miniaturadaimagem|Estrutura química do DNA
DNA Na maioria dos organismos, a informação genética é armazenada no DNA (ácido desoxirribonucleico). Uma molécula de DNA consiste em duas longas cadeias polipeptídicas compostas por quatro tipos de subunidades nucleotídicas. Cada nucleotídeo é composto de uma molécula de açúcar-fosfato ligada a uma base nitrogenada. As bases são de quatro tipos (adenina, guanina, citosina e timina).
As cadeias de DNA são antiparalelas entre si, unidas por ligações de hidrogênio entre a porção base dos nucleotídeos, formando uma dupla hélice de DNA, com nucleotídeos covalentemente ligados por açúcares e fosfatos, os quais formam a estrutura principal alternada de açúcar-fosfato-açúcar-fosfato. A especificidade do emparelhamento de bases ocorre porque a adenina e a timina se alinham para formar duas ligações de hidrogênio, enquanto a citosina e a guanina formam três ligações de hidrogênio. As duas fitas em uma dupla hélice devem, portanto, ser complementares.
Devido à orientação do açúcar desoxirribose (que é uma pentose), as fitas de DNA possuem uma direcionalidade. Uma das extremidades de um polímero de DNA contém um grupo hidroxila (extremidade 3'), a outra contém um grupo fosfato (extremidade 5'). As duas fitas de uma dupla-hélice correm em direções opostas (antiparalelas). A síntese de ácido nucleico, incluindo a replicação e a transcrição, ocorre na direção 5 '→ 3', porque novos nucleotídeos são adicionados por meio de uma reação de desidratação, que usa a hidroxila 3' como um nucleófilo. Cada fita de uma molécula de DNA contém uma sequência de nucleotídeos que é exatamente complementar à sequência de nucleotídeos da outra fita.
A expressão dos genes codificados no DNA começa pela transcrição do gene em RNA, um segundo tipo de ácido nucleico que é muito semelhante ao DNA, mas cujo monômeros contêm açúcar ribose em vez de desoxirribose. O RNA também contém a base uracila no lugar da timina. As moléculas de RNA são menos estáveis do que o DNA e são tipicamente de fita simples. Os genes que codificam proteínas são compostos por uma série de três nucleotídeos sequências chamadas códon s, que servem como "palavras" na "linguagem" genética. O código genético especifica a correspondência durante a tradução de proteínas entre códons e aminoácidos. O código genético é quase o mesmo para todos os organismos conhecidos.
Cromossomos miniaturadaimagem|Imagem de microscopia fluorescente de uma fêmea humana cariótipo, mostrando 23 pares de cromossomos. O DNA é tingido de vermelho, com regiões ricas em genes de manutenção coradas em verde.
O conjunto total de genes em um organismo ou célula é conhecido como seu genoma, que pode ser armazenado em um ou mais cromossomos. Cada cromossomo consiste em uma única e longa molécula de DNA, na qual milhares de genes são codificados. A região do cromossomo em que um determinado gene está localizado é chamada de lócus. Cada lócus contém um alelo de um gene; no entanto, os membros de uma população podem ter alelos diferentes no lócus, cada um com uma sequência de genes ligeiramente diferente.