Ген — одиниця спадкового матеріалу, що відповідає за формування певної елементарної ознаки. Ген є ділянкою молекули ДНК, що містить інформацію для синтезу РНК. Процес зчитування гену і синтезу РНК називається транскрипцією. У деяких вірусів геном може вважатись також ділянка РНК. Існують різноманітні типи РНК, найвідоміші з яких матрична рибонуклеїнова кислота (мРНК), з якої в процесі трансляції зчитується інформація амінокислотної послідовності білку. Білки відіграють в організмі специфічну роль, яка може проявлятись в характерній ознаці. З цієї точки зору гени розглядаються як носії спадкової інформації, яка передається в результаті розмноження від батьків до нащадків. Експресія генів — це прояв активного стану гену в окремій клітині. Але не тільки мРНК закодовані в генах — існує багато видів некодуючі РНК, які не несуть інформацію про білок, але тим не менш вони представлені в ДНК у вигляді генів.
Наука, що вивчає структуру, функцію та спадкову передачу генів називається генетикою. Наука, що вивчає сукупність всіх генів, що локалізовані в геномі окремого організму, називається геномікою.
Історія дослідження
В 1854 Ґреґор Мендель розпочав серію експериментів на насінні гороху, з метою встановити закономірність спадкової передачі ознак. Він вперше запропонував теорію про наявність факторів, які передаються від батьків до нащадків. В результаті експериментів зі схрещування він дійшов висновків, що певні ознаки передаються незалежно, а також, що існують домінантні та рецесивні ознаки. Він розробив гіпотезу, що існують гомозиготні та гетерозиготні стани, чим заклав фундамент для розпізнавання відмінності генотипу та фенотипу. Пізніше його відкриття були сформульовані в законах Менделя.
1900 рік вважається роком «перевідкриття» законів Менделя, коли ботаніки Хуго де Фріз, Еріх Чермак та Карл Корренс збагнули, що існує кількісна закономірність успадкування факторів, які відповідають за прояв ознак у нащадків.
Термін «ген» ввів 1909 року данський учений Вільгельм Йохансен для опису спадкоємного фактора. Очевидно, що це похідний термін від слова генетика, який вже раніше, в 1905 році ввів Вільям Бетсон з грецької genetikos. На той час хімічна природа гену залишалась повністю невідомою. Хоча хромосоми на той час були вже описані, лише в 1910 році роботами Томаса Моргана було доведено зв'язок між хромосомами і спадковістю.
Томас Морган був переконаний, що спадковість не передається матеріальним носієм і спробував заперечити закони Менделя за допомогою експериментів. Натомість досяг зворотного: остаточно довів, що гени розміщені на хромосомах, які є матеріальним носієм спадкової інформації. Була сформульована хромосомна теорія спадковості. Разом з іншими науковцями Томасу Моргану також вдалось побудувати першу генетичну карту. Оскільки під мікроскопом на той час вже спостерігали обмін ділянками хромосом, кросинговер, то розрахували, що чим ближче два гени розташовані один до одного, тим менша частота потрапляння на іншу ділянку гомологічної хромосоми в результаті кросинговеру. Стало можливим розрахувати відстань між генами на хромосомі, яка розраховується в сантиморганах.
В 1927 році роботи Германа Мюллера з опромінення дрозофіл рентгенівським випроміненням показали кількісну залежність між дозою і мутагенним ефектом, що остаточно довело факт, що гени є фізичними об'єктами, на які можливий вплив ззовні. Термін мутація ввійшов в науковий лексикон.
В 1928 році Фредерік Гріффіт встановив, що гени можуть передаватись від одних організмів до інших. Живий невірулентний штам Streptococcus pneumoniae при змішуванні з вбитим вірулентним штамом набував вірулентних якостей. В 1944 році Освальдом Авері, Коліном Маклеодом і Маклін Маккарті встановлено, що вірулентний фактор містився в ДНК вбитих бактерій, а процес генетичної інформації названо трансформацією. Остаточно доведено, що ДНК носій генетичної інформації.
В 1941 році Джордж Бідл та Едуард Тейтем встановили, що дефекти в обміні речовин пов'язані з мутаціями певних генів. Сформульована концепція «один ген — один фермент», яка пізніше уточнилась до «один ген — один поліпептид».
В 1953 році Джеймс Ватсон та Френсіс Крік, базуючись на рентгенограмах, отриманих Розаліндою Франклін, відкрили структуру ДНК. Сформульована центральна догма молекулярної біології.
В 1972 році Вальтер Фріз (Бельгія) опублікував першу геномну послідовність гену, що кодує білок оболонки бактеріофагу MS2.
Сучасне формулювання гену — «дискретна ділянка геномної послідовності, що відповідає одиниці спадковості та асоційована з регуляторними регіонами, транскрибованими регіонами та іншими функціональними геномними послідовностями».
Часто термін «ген» помилково вживається як синонім алелі: «ген кольору очей», «ген стійкості». В цьому випадку слід розрізняти, що ген містить тільки базову інформацію про нуклеотидну послідовність, а алелі — різні варіанти одного гену, що проявляється в різновидах фенотипового прояву. На це важливо звертати увагу при інтерпретації інформації з науково-популярних статей в пресі.
Класифікація генів Існує кілька класифікацій генів: структурні — кодують синтез білків (по суті, це гени мРНК); гени тРНК — кодують синтез тРНК; гени рРНК — кодують синтез рРНК; регуляторні — контролюють активність структурних генів.
Структура гену
Хімічна структура
У переважної більшості живих організмів гени закодовані в ланцюжках ДНК. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) є полімером з чотирьох типів нуклеотидів, кожен з яких складається з моносахариду класу пентоз (2'-дезоксирибози), фосфатної групи, і одної з чотирьох азотистих основ: аденіну (А), цитозину (Ц), гуаніну (Г) і тиміну (Т).
Найпоширенішою формою ДНК в клітині є структура у формі правої подвійної спіралі з двох окремих ниток ДНК. Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном (два водневих зв'язки), гуанін — тільки з цитозином (три водневих зв'язки).
Завдяки хімічним особливостям зв'язку між пентозними залишками нуклеотидів, ДНК мають полярність. Один кінець ДНК-полімеру закінчується 3-гідроксильною (3-ОН) групою дезоксирибози і називається 3' (три-прайм), а інший — 5-фосфатною групою (5-РО3) і називається 5' (п'ять-прайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль в клітинних процесах. Наприклад, при синтезі ДНК подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3' кінця.
Функціональна структура На молекулярному рівні ген складається з двох структурних ділянок:
ДНК ділянки, з якої внаслідок транскрипції зчитується одноланцюгова РНК-копія. Додаткові ДНК ділянки, які задіяні в регуляції копіювання. Наприклад, промотор та енхансери.
Комбінація і послідовність цих ділянок можуть бути особливими для кожного конкретного гена, а також структура гомологічних генів у різних організмів можуть суттєво відрізнятись. Типовому гену еукаріотів передує регуляторна ДНК-ділянка — промотор, до якого приєднуються ензим РНК-полімераза та фактори транскрипції і забезпечують процес транскрипції.
Типовий транскрипт гену (пре-мРНК) містить некодуючі ділянки інтрони, які вирізаються під час сплайсингу, а екзони зшиваються один з одним в зрілу мРНК. Варіації під час альтернативного сплайсингу можуть призводити до зшивання різних ділянок екзонів і утворення різних варіантів мРНК, яка зчитана з однієї ділянки ДНК. Відношення довжини і кількості інтронів в генах дуже різноманітне. Є гени як з одним інтроном, в той час, як існують гени, у яких інтрони складають до 95 % всієї нуклеотидної послідовності. Найдовший людський ген білку дистрофіну має довжину 2,5 мільйона нуклеотидів (це 0,08 % всього людського геному) і кодує пептид довжиною 3685 амінокислот. Частка кодуючої послідовності становить 0,44 %.
Зріла мРНК містить відкриту рамку зчитування, а також некодуючі елементи: 5'-нетрансльовану ділянку, та 3'-нетрансльовану ділянку. Ці ділянки задіяні в регуляції процесу трансляції, а також регулюють активність специфічних ензимів, що руйнують мРНК — РНКаз.
Гени прокаріотів відрізняються від генів еукаріотів тим, що не містять в своїй структурі інтронів. При цьому окремі кодуючі ділянки можуть бути розташовані щільно одна до одної (поліцистронний кластер) так, що регулюються спільним структурним елементом — промотором. В такому випадку подібний генний кластер зчитується спільним транскриптом, але транслюється в різні білки. Така спільна генна структура називається опероном. Оперони — типові генні кластери у прокаріотів.
Гени кодують не тільки мРНК, яка транслюється в білок, а також структурну рибосомну РНК, транспортну РНК, рибозими, мікроРНК, міРНК та піРНК, які відіграють регуляторну функцію. Послідовність ДНК, з якої зчитується некодуюча РНК часто називається РНК геном.
Геномна організація
Загальна сукупність генів в організмі або клітині називається геномом. У прокаріотів переважна більшість генів, розташовані на одній хромосомі, що має вигляд кільцевої ДНК. У еукаріотів зазвичай кілька окремих лінійних спіралей ДНК упаковані в щільні комплекси ДНК-білок, що називаються хромосомами. Гени, які розташовані на одній хромосомі в одного виду, в іншого виду можуть бути розташовані на різних хромосомах.
Місце на хромосомі, де розташований ген, називається локусом. Гени також не рівномірно розподілені по хромосомах, а частково згруповані в так звані кластери. Генний кластер може містити як випадкові гени, розташовані у безпосередній близькості один до одного, так і групи генів, які кодують білки, що перебувають у функціональній залежності. Гени, білки яких мають схожі функції, також можуть бути розташовані на різних хромосомах.
Багато видів можуть містити декілька копій одного і того ж гену в геномі соматичної клітини. Клітини або організми з однією копією гену на кожній хромосомі — називаються гаплоїдними; з двома копіями — диплоїдними, з більш як двома — поліплоїдними. Копії гену на парних хромосомах можуть бути не ідентичними. Під час статевого розмноження одна копія гену успадковується від одного батька, інша — від іншого.
За попередніми оцінками, кількість людських генів становить 50 000–100 000. Лише невелика їх кількість транслюється в білок (~20 000 у людини, мишей та дрозофіл, ~13 000 у круглих червів, >46 000 у рису). Таким чином, лише 1–2 % геному кодує білки. Велика частина геному транскрибується у вигляді інтронів, ретротранспозонів та в некодуючу РНК.
Властивості генів Виділяють кілька властивостей генів: дискретність — гени не змішуються; стабільність — здатність зберігати структуру; лабільність — здатність багаторазово мутувати; множинний алелізм — багато генів існують в популяції в безлічі молекулярних форм; алельність — в генотипі диплоїдних організмів лише дві форми гена; специфічність — кожен ген кодує свій продукт; плейотропія — множинний ефект гена; експресивність — ступінь вираженості гена в ознаці; пенетрантність — частота прояву гена в фенотипі; ампліфікація — збільшення кількості копій гена.
Експресія та регуляція роботи генів
Процес синтезу біологічно функціональної молекули РНК або білку називається експресією генів, і в результаті сама молекула називається генним продуктом.
Експресія генів, закодованих в ДНК, починається з розшифровки генів в РНК (транскрипція), інший тип нуклеїнової кислоти, яка дуже схожа на ДНК, але її мономери містять цукор рибозу, а не дезоксирибозу. РНК також містить нуклеотид урацил замість тиміну. Молекули РНК менш стабільні, ніж ДНК і, як правило, одноланцюгові. Генетичний код вказує на відповідність певній амінокислоті в переказі з тринуклеотидної послідовності — кодону. Існує 64 можливих кодони і тільки 20 стандартних амінокислот. Це означає, що генетичний код вироджений, або надмірний і декілька різних кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту. Відповідність між кодонами і амінокислотами майже універсальна між всіма відомими організмами.
Транскрипція