2. Ген і теорія гена
Формування уявлення про ген як одиницю спадкової інформації відноситься до початку ХХ ст. (датчанин В. Йогансен, 1909). Роботами пізніших дослідників воно було суттєво розширене і свого часу призвело до створення теорії гена, котра формулюється дещо по-різному, але загалом включає такі положення: ген –це
одиниця мутації – тобто змінюється як одне ціле;
одиниця рекомбінації – кросинговер ніколи не спостерігається у межах гену, тобто він рекомбінує як єдине ціле;
одиниця функції – всі мутації гена порушують одну й ту саму генетичну функцію.
Сформувались уявлення про
Геном - сукупність генів, характерних для гаплоїдного набору хромосом даного виду,
генотип - генетична конституція організму, сукупність всіх спадкових задатків даної клітини або організму, включаючи алелі генів, характер їх зчеплення в хромосомі і наявність хромосомних перебудов. Умови довкілля сприяють певній модифікації прояву генів. Це призводить до того, що успадковується не конкретне вираження тієї чи іншої ознаки, а відповідна норма реакції, завдяки чому особини з різними генотипами можуть мати однаковий фенотип, а особини з однаковим генотипом можуть у різних умовах давати різні фенотипи.
Алель = алеломорфа – один із багатьох можливих структурних і функціональних станів гена. Протягом еволюції вони виникли внаслідок мутацій єдиного гена – попередника і найчастіше відрізняються один від одного заміною лише одного нуклеотиду (місенс-мутації).
Внаслідок цього різні алелі одного гена можуть мати подібний або різний фенотиповий ефект, тобто кожний ген характеризується множинним алелізмом (алеломорфізмом). Будь-який алель цієї групи має змогу виникати мутаційно від інших алелей.
Незважаючи на те, що зазвичай такі серійні алелі зумовлюють формування тільки однієї ознаки, деякі з них можуть проявляти плейотропний (множинний) ефект, тобто впливати на кілька різних ознак.
Це зумовлюється тим, що гени взаємодіють між собою і порушення одного етапу в ланцюзі метаболічних процесів неминуче відбивається на іншому етапі обміну речовин. Як наслідок, змінюється кілька фенотипових ознак.
Наприклад,
у дрозофіли ген, який визначає відсутність пігменту забарвлення очей, одночасно зменшує плодючість і тривалість життя;
у людини мутація у 6-положенні β-ланцюгу гемоглобіну (глу → вал) призводить до зміни будови еритроцитів, порушень серцево-судинної діяльності, нервової, травної та видільної систем (СКА);
у людини також відомий ген, який у домінантній гомозиготі може викликати синдром Марфана: довгі кінцівки, особливо ноги і пальці (павучі), з одночасним дефектом кришталиків ока та пороком серця тощо.
Відповідні ефекти знаходять своє відображення в існуванні співвідносної мінливості:
червоні квітки → червонувате стебло
руді → ластовиння + біла шкіра
довгі ноги → довга шия тощо.
Із часом були відкриті генокопії, тобто різні гени, що забезпечують однаковий фенотиповий ефект.
Наприклад, у людини відомо кілька форм рецесивної спадкової глухоти, які провокуються 3 аутосомними генами і 1 геном в Х – хромосомі.
Але в різних випадках глухота супроводжується або пігментним ретинітом, або зобом, або аномальною ЕКГ.
Окрім генокопій виявлено чимало інших структур геному (МГЕ, псевдогени тощо), які спричинили необхідність вдосконалення теорії гена.
Внаслідок цього сьогодні ген визначають як одиницю спадкової інформації, котра займає певне положення в хромосомі (ланка ДНК або РНК) і контролює виконання специфічної функції в організмі.
Кожний ген у хромосомі представлений щонайменш 2 алелями. Це зумовлює наявність гомозигот (мають однакові алелі від батьківського та материнського організмів) і гетерозигот (мають різні алелі від батьківського та материнського організмів), у яких відповідна ознака проявляється по-різному.
Зокрема, у гетерозигот це залежить від того, до складу яких генів входять ці алелі. Взаємодія алельних генів (пара генів, які визначають розвиток альтернативних ознак і утворюють алельну пару; кожний із таких генів називається алелем) призводить до того, що реалізуються кілька можливих варіантів: повне домінування, неповне домінування і кодомінування.
Для неалельних генів (можуть знаходитись у різних ділянках хромосом) характерними є більш складні варіанти взаємодій, а саме:
новоутворення,
комплементарність,
домінантний і рецесивний епістаз (супресія генів),
полімерія.
САМОСТІЙНО на лабораторних заняттях.
Крім того, взаємодії між генами можуть суттєво змінювати так звані гени-модифікатори. Вони часто не мають власного фенотипового ефекту і про їх існування дізнаються через зміну інших ознак. За типом свої дії такі гени поділяються на посилювачі та послаблювачі відповідних ознак. Фенотип "Бомбей" – порушується синтез спільного для антигенів А і В попередника Н.
Характер прояву ознак у гетерозигот можна оцінити ще й за такими параметрами як пенетрантність і експресивність.
Пенетрантність – частота фенотипового прояву гена у різних особин одного виду. Визначається як % особин, у яких цей ген проявляється фенотипово, від загального числа осіб, що мають такий ген. Вона може бути повною (ген проявляється у 100% особин, що його мають) і неповною (ген проявляється не у всіх особин, що його мають).
Експресивність – ступінь фенотипового прояву ознаки. Суттєвий вплив на цей показник мають умови довкілля.
Різноманітні варіанти прояву генів зумовлені особливостями їх будови.
Будова гену прокаріотів - самостійно
Ключові слова:
кільцеві ДНК і РНК
плазміди
розміри геному
зчеплення генів
відсутність повторів НК
оперон
промотор
структурні гени
ген-регулятор
ген-оператор
Будова гену еукаріотів
Еукаріотичний геном, на відміну від прокаріотичного, має складну мозаїчну будову із чергуванням кодуючих і некодуючих послідовностей ДНК.
Кодуючі послідовності – екзони – це сегменти ДНК, які кодують певний поліпептид, функціональну РНК або їхні складові частини.
Некодуючі послідовності – інтрони – входять до складу гену, але не містять інформації про структуру білків. Кожний ген має специфічне співвідношення інтронів (до 10) та екзонів.
РНК-полімераза під час транскрипції не може відрізняти екзони від інтронів і синтезує пре-мРНК, яка для перетворення у справжню мРНК має пройти через процесинг, пов’язаний із вирізанням інтронів і зшиванням екзонів.
Окрім мозаїчної будови кодуючих ділянок, що відповідають білкам, рРНК і тРНК, ген еукаріотів містить складну регуляторну частину.
Справжня кількість регуляторних генів та багато їх функцій досі зостаються невідомими.
Крім того, виділяють групу так званих псевдогенів – це ділянки геному, які у структурному відношенні схожі на справжні гени, що втратили свою функцію і не можуть кодувати білків, рибосомних або тРНК.
Причинами переходу деяких генів у стан псевдогенів можуть бути
мутації; наявність дефектних стоп – кодонів;
втрата певної частини кодуючих і
регуляторних послідовностей тощо.
Як правило, псевдогени тісно зчеплені з відповідними функціонально активними генами.
Серед псевдогенів виділяють підклас процесованих псевдогенів (ретрогени, ретропсевдогени), які зазвичай не зчеплені з відповідним активним геном, а розкидані по всьому геному, в тому числі й по різним хромосомам. За своєю структурою такі гени більше походять на ДНК-копії мРНК, ніж на справжні гени, так як не мають інтронів. Були одержані дані, котрі дозволяють припустити, що такі процесовані псевдогени постали внаслідок зворотної транскрипції з наступною транспозицією.
Процес зворотної транскрипції дуже неточний → багато помилок → втрата функції
В деяких випадках число процесованих псевдогенів може на кілька порядків перевищувати кількість відповідних функціональних генів.
Уся різноманітність генів зумовлюється специфічними особливостями будови ДНК.