Генный уровень организации наследственного материала. Свойства генов

Лекция №4

Тема: СТРОЕНИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. ГЕН И ЕГО СВОЙСТВА

Генный уровень организации наследственного материала. Свойства генов

Единицей наследственности всех организмов является ген – участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов – РНК). Он несет наследственную информацию о структуре определенного белка или нуклеиновой кислоты. Именно ДНК сохраняет наследственную информацию в организме и обеспечивает ее передачу дочерним клеткам во время деления материнской.

Термин ген предложит Иогансон в 1909 г. в 1911г. Т.Морган, Бриджес, Миллер и другие сформулировали хромосомную теорию наследственности и впервые указали на хромосомную локализацию генов.

Гены эукариот имеют интрон-экзонную структуру. При изучении первичной структуры, т. е. последовательности нуклеотидов, ряда генов выяснилось, что в них, наряду с участками, кодирующими специфичный для этого гена продукт (полипептид, рРНК, тАНК и т. д.), имеются участки, которые ничего не кодируют, т. е. они подобно межгенным спейсерам (участкам между генами) не содержат генетической информации. Некодирующие участки получили название интронов, кодирующие - экзонов. Такой тип структурной организации обнаружен для множества генов, локализованных в хромосомах эукариот, для некоторых генов внутриклеточных органелл эукариот - пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, поражающих бактерии.

В процессе биосинтеза белка имеется особый этап, который называется процессинг. Частью процессинга является сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. Таким образом, из одной и той же нуклеотидной последовательности гена могут формироваться разные варианты белковых молекул (альтернативный сплайсинг). Предполагают, что у эукариот каждый оперон (функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны - гены, единицы транскрипции, кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним или несколькими промоторами) содержит только один структурный ген и множество регуляторных генов. Структурные гены у эукариот, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном месте, а рассеяны по всему геному. У эукариот может быть одновременно групповое подавление активности генов в целой хромосоме или на большом её участке.

У эукариот, как правило, наблюдается групповая регуляция активности генов на этапе транскрипции, связанная с особенностями организации гетерохроматиновых и эухроматиновых участков хромосом. Эурохроматиновые участки – низкая конденсация и генетически активны. Гетерохроматиновые участки – высокая степень конденсации и генетически неактивны.

Известны механизмы регуляции генов, которые происходят на уровне трансляции. Здесь происходит отбор матричных или информационных РНК, который осуществляется рибосомами. Регуляция работы генов может происходить и на уровне эпигенеза, т.е. пострансляционного преобразования белка. Таким образом, процесс регуляции работы генов у эукариот носит многоуровневый характер и не ограничивается процессами, происходящими в пределах одной клетки. Для человека установлено существование большого числа факторов регуляции работы генов различных надклеточных уровней (тканеспецефические, органоспецифические белки-активаторы, факторы нервной и эндокринной систем, например, существует белок беттаглобин, он является тканеспецифическим белком. Ген, который его кодирует, может активно работать в клетках красного костного мозга и их предшественников.

Свойства генов:

1. Чередование интронов и экзонов определяют дискретность или прерывистость гена. Это одно из важнейших свойств гена.

2. Другим важным свойством является специфичность, она определяется особым чередованием нуклеотидов в пределах каждого гена.

3. Каждый ген может отвечать за развитие нескольких признаков. Это свойство гена называется плейотропией. Примером является синдром Морфана, который заключается в том, что один ген определяет несколько симптомов: орахнодактилия (паучьи пальцы), патология соединительной ткани (аневризма аорты, подвывих хрусталика, астеническое телосложение).

4. Градуальность – заключается в том, что ген может усиливать степень проявления признака при увеличении числа доминантных аллелей в генотипе (серповидно-клеточная анемия: у гомозигот (АА) болезнь протекает очень тяжело и заканчивается летальным исходом обычно до наступления половой зрелости; у гетерозигот (Аа) болезнь протекает в слабой форме, они жизнеспособны и могут оставлять потомство; смертность от серповидно-клеточной анемии очень высока, особенно в детском возрасте у гомозигот).

5. Полигенность – заключается в том, что на развитие одного и того же признака могут влиять разные гены, у человека имеются огромное количество полигенных признаков, например, рост, масса тела, способность к лактации, умственные способности, АД и многие другие признаки контролируются несколькими парами генов, т.е. являются полигенными.

6. Пенетрантность– частота пробиваемости гена в признак. Она измеряется в процентах. Пенетрантность – это процент индивидуумов, несущих ген, у которых он фенотипически проявляется. Большинство генов, особенно доминантных, обладают пенетрантностью 100%. В некоторых случаях пробиваемость генов менее 100% - это зависит от целого рядя факторов: от генотипа (у гомозигот по шизофрении пенетрантность 100%, а у гетерозигот 20%), от пола (ген подагры проявляется у мужчин с пенетрантностью 20%, а у женщин 0%), от возраста (хорея Гентингтона проявляется у молодых людей в 20-24 года с пенетрантностью 8,3%, а у людей 30-34 года пенетрантность составляет 18%), от фактора внешней среды, в том числе и социальные факторы, например уровень врачебной помощи (во Франции врожденный вывих бедра составляет 7-8%, а в России 20%). При ранней диагностике и своевременном правильном лечении можно снизить пенетрантность довольно значительно.

Совокупность генов в клетке называется ГЕНОМ. Количество генов, которое входит в состав генома разнообразно, отличается у разных видов живых существ. У человека общее количество генов по последним сведениям составляет более 30000. Однако, в активном состоянии находится примерно 5-7% генов в каждый определённый период онтогенеза. Площадь гена составляет 3*10^-9м.

Французские биологи Жакоб и Моно установили, что кроме структурных генов, которые определяют структуру полипептида, существуют регуляторные гены. Они регулируют работу структурных генов. Эти гены называются регуляторными. Таким образом, синтез белка находится под двойным контролем.

В состав оперона у прокариот входят и те и другие.

Действия генов-регуляторов состоит в подавлении деятельности структурных генов. Путём образования некоторого цитоплазматического продукта белка-репрессора. В опытах Жакоба и Мано было показано, что ген работает не всегда и не везде. У каждого гена имеется своё время действия и поле действия.