Структура гена. Геном.Матеріал для учнів 11 класу.

Гени й ознаки. Геном. Регуляція активності генів

Ген (від грец. genos — рід, походження) — ділянка молекули ДНК (іноді РНК — у деяких вірусів), у якій закодована інформація про біосинтез одного поліпептидного ланцюга з певною амінокислотною послідовністю. Ген — одиниця спадкового матеріалу, що забезпечує формування певної ознаки організму та її передачі в ряді поколінь; контролює всі клітинні процеси на молекулярному рівні, забезпечуючи біосинтез білків, у першу чергу ферментів. Якщо білок складається з більш ніж одного поліпептидного ланцюга, синтез кожного з них контролюється самостійним геном.

Для гена характерна певна послідовність нуклеотидів, що утворюють набір. Останні визначають порядок розташування амінокислот у молекулі білка. Сам ген не бере безпосередньої участі в його синтезі, ДНК служить лише матрицею для побудови (транскрибування) молекули матричної, або інформаційної, РНК (відповідно мРНК, або іРНК), у яку передається код гена. У рибосомах здійснюється реалізація генетичної інформації, тобто «переведення» коду мРНК в амінокислотну послідовність синтезованого на них білка (трансляція). Завдяки біологічній дії синтезованих білків здійснюється експресія гена, тобто розвиток зумовлюваної ним ознаки.

Ознака — характеристика предмета або явища, особливості організму, за якими його відрізняють від інших предметів або явищ, що можуть спостерігатися та вимірюватися.

Ген функціонує в клітині у складі генної регуляторної системи. Залежно від виконуваної функції, розрізняють структурні гени, що кодують більшу частину білків клітини, і регуляторні, що відповідають за синтез білків-регуляторів, які контролюють активність структурних генів. Механізм генетичного контролю синтеза білка остаточно не з’ясований.

2. Внесок учених у вивчення молекулярної структури гена

Генний рівень пов’язаний з успіхами хромосомної теорії. Абстрактне поняття «ген», яке запровадив у генетику В. Йогансен у 1909 році, мало такий зміст: ген — це матеріальна частинка, що перебуває в хромосомі, здатна до саморепродукції і є мінімальною одиницею рекомбінації, мутації та генетичної функції.

Мендель запропонував позначити спадкові задатки (гени) літерами латинського алфавіту. Гени, від яких залежить розвиток альтернативних ознак, називають алеломорфними (алельними). Алельні гени розташовані в однакових локусах гомологічних хромосом і мають два стани — домінантний та рецесивний.

Успіхи, досягнуті в молекулярній генетиці, дозволили ґрунтовно переглянути старі уявлення про ген. Згідно із сучасними, уточненими даними, ген — це ділянка молекули геномної нуклеїнової кислоти, що характеризується специфічною для неї послідовністю нуклеотидів, яка являє собою одиницю функції, відмінну від функції інших генів і здатну змінюватися шляхом мутування.

Найдокладніше дискретність гена вивчив американський генетик С. Бензер на прикладі досліджень тонкої структури генів фага Т4 кишкової палички. Він показав, що ген може бути поділений кросинговером на безліч частин. Дискретна організація генів була встановлена також в еукаріотів.

У 1928 році М. К. Кольцов припустив, що хімічною основою гена є білкова молекула. Однак надалі було доведено, що носієм генетичної інформації є молекула ДНК; були відкриті явища трансформації й трансдукції в мікроорганізмів та кон’югація.

Трансформація — це здатність одного штаму бактерій вбудовувати ділянки молекули ДНК іншого штаму та набувати при цьому властивості останнього (досліди Ф. Гріффіта з вірулентними та невірулентними штамами пневмококів).

Трансдукція — це здатність бактеріофагів переносити фрагменти ДНК від одного штаму бактерій до іншого й передавати відповідні властивості.

Так, з відкриттям явищ трансформації й трансдукції в мікроорганізмів була доведена роль ДНК у передачі спадкової інформації.

Молекулярні основи спадковості вивчає спеціальний розділ генетики — молекулярна генетика, який сформувався в 40–50-х роках XX століття в результаті використання ідей та методів фізики й хімії для розв’язання генетичних проблем. Зважаючи на дані молекулярної генетики, з’явилася можливість говорити про рівні спадкового матеріалу в про- та еукаріотів: генний, хромосомний і геномний.

Таким чином, на початку 1950-х років було доведено, що матеріальною одиницею спадковості та мінливості є ген, який має певну структурно-функціональну організацію. Згідно із сучасним визначенням, ген — це ділянка молекули ДНК, що детермінує синтез певного поліпептида.

Наприкінці 1950-х років Бензер припускав, що ген одночасно є цілісною й дискретною одиницею. При виконанні основної функції — програмуванні синтезу білка — ген виступає як цілісна одиниця, зміна якої викликає зміну структури білкової молекули. Цю одиницю Бензер назвав інтроном. За величиною він приблизно дорівнює гену. Дискретність гена полягає в наявності субодиниць. Елементарна одиниця мінливості, одиниця мутації названа мутоном, а одиниця рекомбінації — реконом. Мінімальні розміри мутона й рекона дорівнюють 1 парі нуклеотидів і мають назву сайт. Таким чином, сайт — це структурна одиниця гена.

Аж до кінця 1970-х років учені вважали, що гени існують у вигляді цілого відрізка ДНК. Однак у 1977 році було встановлено, що в аденовірусу деякі гени існують не у вигляді цілого відрізка ДНК ( ), а у вигляді фрагментів, розподілених уздовж геному.

Ці фрагменти перериваються нуклеотидними послідовностями, які видаляються під час експресії (прояв дії) генів, а залишки зшиваються кінець із кінцем. Сплавка «зайвих» ділянок, що здійснюється за допомогою специфічних ферментів рестриктаз, отримала назву сплайсингу (від англ. gene splicing — зрощування гена). Це явище, що здавалося курйозом, незабаром виявилося широко розповсюдженою особливістю геному еукаріотів, зокрема, птахів і ссавців. Ділянки, що містять інформацію, були названі екзонами, а ті, що її не містять,— інтронами. Наприклад, ген ланцюга глобуліну людини містить три екзони й два інтрони: ген постійної ділянки важкого ланцюга імуноглобулінів миші містить 4 екзони й 4 інтрони. Тому говорять про «мозаїчну» будову генів еукаріотів. Послідовність нуклеотидів, яка складає мозаїчний ген, спочатку переписується в молекулу іРНК, що є свого роду попередником іРНК (про- і іРНК). Потім про-іРНК зазнає поетапного сплайсингу й тільки після цього утворюється іРНК, готова для наступної транскрипції. Пояснення факту існування інтронів поки що не знайдено. Можна припустити, що в момент утворення іРНК із про-іРНК може мати місце різне зчеплення екзонів один з одним, що призводить до синтезу різних білків. Можливо, інтрони служать матеріалом для утворення нових генів у процесі еволюції. Установлено, що мутація інтронів може порушувати процес сплайсингу, зупиняти синтез білка та змінювати його структуру.

3. Геном. Особливості організації геному в різних груп організмів

Геном — це сукупність генів гаплоїдного набору хромосом організмів певного виду.

У вірусів, залежно від їхньої величини та складності, розмір геному коливається від кількох тисяч до сотень пар нуклеотидів. Гени в геномах з такою простою будовою розташовані один за одним і займають до 100 % довжини відповідної нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК).

У прокаріотів (бактерій) розмір геному значно більший (у кишкової палички єдина нитка ДНК — бактеріальна хромосома складається з  пар нуклеотидів). Більше половини цієї кількості складається зі структурних генів (генів, що кодують певні білки). Іншу частину бактеріальної хромосоми становлять не здатні транскрибуватися нуклеотидні послідовності, функція яких не з’ясована. Переважна більшість бактеріальних генів представлена в геномі один раз.

В еукаріотів, особливо вищих, геном істотно перевищує за розмірами геном прокаріотів і досягає сотень мільйонів і мільярдів пар нуклеотидів. Зростання кількості структурних генів при цьому незначна.

Це цікаво

Кількості ДНК у геномі людини достатньо для утворення 2 млн структурних генів.

Для геному еукаріотів характерна надмірність генетичного коду.

Причину надмірності на сьогодні значною мірою з’ясовано: по-перше, деякі гени й послідовності нуклеотидів багаторазово повторюються; по-друге, у геномі наявно багато генетичних елементів, що мають регуляторну функцію; по-третє, частина ДНК взагалі не містить генів.

4. Сучасні уявлення про структуру гена в про- й еукаріотів

Згідно із сучасними уявленнями, ген, що кодує синтез певного білка, в еукаріотів складається з кількох обов’язкових елементів. Насамперед це велика регуляторна зона, що істотно впливає на активність гена в тій чи іншій тканині організму на певній стадії його індивідуального розвитку. Далі розташований безпосередньо прилеглий до кодуючих елементів гена промотор — послідовність ДНК завдовжки до 80–100 пар нуклеотидів, відповідальна за зв’язування РНК-полімерази, що здійснює транскрипцію даного гена. Слідом за промотором перебуває структурна частина гена, що містить інформацію про первинну структуру відповідного білка. Ця ділянка для більшості генів еукаріотів істотно коротша за регуляторну зону, однак її довжина може вимірюватися тисячами пар нуклеотидів.

Важливою особливістю еукаріотичних генів є їхня уривчастість. Це означає, що ділянка гена, яка кодує білок, складається з нуклеотидних послідовностей двох типів. Одні — екзони — це ділянки ДНК, які містять інформацію про будову білка і є складниками відповідних РНК та білка. Інші — інтрони — не кодують структуру білка і не є складниками зрілої молекули іРНК, хоча й транскрибуються.

Процес вирізання інтронів — «непотрібних ділянок» молекули РНК — і зрощування екзонів при утворенні іРНК здійснюється спеціальними ферментами й називається сплайсинг (зшивання, зрощування, поєднання). Екзони зазвичай поєднуються разом у тому самому порядку, в якому вони розташовані в ДНК. Однак не всі гени еукаріотів переривчасті. Деяким генам, подібно до бактеріальних, властива повна відповідність нуклеотидної послідовності первинній структурі кодованих ними білків.

Таким чином, ген еукаріотів багато в чому схожий на оперон прокаріотів, хоча й відрізняється від нього більш складною й довшою регуляторною зоною, а також тим, що він кодує зазвичай тільки один білок, а не кілька, як оперон у бактерій.

Схема (складається на дошці під час розповіді вчителя)

ДНК ________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Кодуючий ланцюг	Регуляторна зона	Промотор	Екзон 1	Інтрон 1	Екзон 2	Інтрон 2	Екзон 3	Термінатор
		іРНК Зріла іРНК			Транскрипція
					Сплайсинг

Промотор — ділянка на молекулі ДНК на початку кожного гена, що запускає синтез іРНК.

Старт-кодон — триплет ТАЦ (на ДНК) та АУГ (на іРНК) на початку структурної частини гена, що запускає процес трансляції.

Стоп-кодон — триплети, розташовані на кінці структурної частини гена (АТТ, АТЦ, АЦТ на ДНК), (УАА, УГА, УАГ на іРНК), на яких закінчується синтез білка. Триплети, що не кодують амінокислоти.

Процесинг — пришивання до іРНК додаткових ділянок або видалення її частин.

Екзон — ділянка гена, що кодує амінокислоти.

Інтрон — ділянка гена, що не кодує амінокислоти.

Між геном та ознакою організму не існує простого співвідношення. Усі складні ознаки (наприклад, здатність чути) контролюються багатьма генами. Разом з тим один ген здатний впливати на розвиток одразу кількох ознак.

Розміри генів різні. Число пар нуклеотидів у структурному гені, очевидно, становить близько тисячі. Найкоротші відомі структурні гени — гени транспортних РНК — містять понад 190 нуклеотидних пар, а найбільші (наприклад, ген фібрину шовку шовковичного шовкопряда) досягає розміру понад 16 тис. пар нуклеотидів.

Сучасна теорія гена

1. Ген займає певний локус у хромосомі.

2. Ген (цистрон) — частина молекули ДНК; кількість нуклеотидів у гені різна.

3. Усередині гена може відбуватися рекомбінація та мутація.

4. Існують структурні й функціональні гени.

5. Структурні гени контролюють синтез поліпептидів (амінокислотних, тРНК, рРНК) і білків.

6. Функціональні гени контролюють діяльність структурних генів.

5. Регуляція активності генів

Під регуляцією розуміють контроль експресії гена (процес побудови матричної РНК по ділянці молекули ДНК). В еукаріотів розмір геному в сотні, а в ссавців у тисячу разів більший, ніж у прокаріотів, тому регулювати таку систему досить складно. У більшості еукаріотів регуляція активності генів здійснюється на стадії транскрипції. Для них характерні довгоживучі матриці іРНК.

6. Рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу

ü  Складання схеми

Рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу

Генний	Хромосомний	Геномний
вивчається структура молекули ДНК, біосинтез білка тощо, завдяки відносній незалежності генів можливе дискретне (роздільне) і незалежне успадкування та зміна (мутації) окремих ознак	служить необхідною умовою зчеплення генів і перерозподілу генів батьків у нащадків при статевому розмноженні (кросинговер)	рівень організації пояснює взаємодію генів як в одній, так і в різних хромосомах