История генов

Содержание

 

          Введение……………………………………………………………………3

1. История развития научных представлений о гене………………………4
2. Современное определение гена…………………………………………..8
3. Свойства и типы генов…………………………………………………….9
4. Дополнительные особенности строения гена…………………………..11
5. Общая характеристика нуклеиновых кислот……………………….......13
6. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот……………...15

Заключение………………………………………………………………..18

Список используемой литературы……………………………………....19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Теория гена – это центральная проблема генетики. На протяжении всей истории существования всей генетики понятие ген непрерывно уточнялось. Ген – участок нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).     

       Важнейшим достижением молекулярной генетики XX в, явилось выяснение генетического кода - установление соответствия между определенными сочетаниями нуклеотидов молекулы ДНК и аминокислотами молекулы белка. В настоящее время генетический код выяснен полностью. Каждая аминокислота кодируется тремя стоящими рядом нуклеотидами молекулы ДНК. Эти нуклеотиды составляют триплеты (тройки, кодоны). Четыре разных нуклеотида (А, Ц, Т, Г) молекулы ДНК могут образовывать 64 разных триплета (с учетом последовательности расположения). Все эти триплеты соответствуют 20 аминокислотам, входящим в состав белков. Некоторым аминокислотам, например треонину, соответствует всего лишь один триплет (УГГ), другим - два (фенилаланин - УУУ, УУЦ), третьим - три, четыре и даже пять (аргинин).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История развития научных представлений о гене

 

       Впервые Г. Мендель в 1865 г. на основании результатов своих опытов с растительными гибридами (горохом) постулировал наличие дискретных наследственных факторов, передаваемых потомкам от родителей с помощью половых клеток. В 1909 г. эти «наследственные факторы» или «нас-ледственные задатки» получили название гены, данное им В. Иогансеном. В 1902 -1907гг. У. Сэттон и Т. Бовери предложили связь генов с хромосомами, а Т. Морган и его школа (А. Стертевант, К. Бриджес, Г.Меллер) доказали это исследование с плодовой мушкой дрозофилой. Основные представления о гене были сформулированы Т. Морганом в 1911 г. в рамках хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории, ген имеет основные свойства хромосом (способность к редупликации, к закономерному расп-ределению в митозе и мейозе), занимает определенный участок  (локус) хромосомы, является единицей мутации (т.е. из меняется как единое целое), единицей рекомбинации (т.е. кроссинговер не происходит в пределах гена) и единицей функции (т.е. ген неделим).Гены расположены в хромосомах в линейном порядке (как бусы на нити), образуя в пределах каждой хромосомы одну группу сцепления. Группы сцепления генов могут нарушаться кросс-синговером, происходящим между гомологичными хромосомами.

       Однако уже  в 30-е годы ХХ века А.С. Серебковский и Н.П. Дубинин до-казали факт делимости гена. С помощью рентгеновских лучей эти авторы по-лучили серию мутаций гена scute у дрозофилы, которые вызывали отсутствие определенных щетинок на ее теле. Их обозначили как sc1, sc2, sc3…sc13. При скрещивании особей, гомозиготных по определенным мутантным аллелям в F1, у гетерозигот отсутствовали только те щетинки, которые были редуци-рованы у обеих гомозигот. Например, если мутация sc1 вызывала редукцию щетинок АВС, а sc2 ВСD, то у гетерозиготы sc1/ sc2 отсутствовали щетинки ВС, а А и D имелись. Создавалось впечатление, что речь идет о частичной гетерозиготности, когда часть мутантных аллелей, которые оказывают одина-ковый фенотипический эффект, оказываются в гетерозиготном состоянии. Было проанализировано 13 различных мутаций в локусе scute. При их сочетании наблюдалась та же закономерность. Если эту закономерность представить графически, то образуется как бы лестница, ступенями которой служат различные аллели sc:

                                       sc1               А В С

                                       sc2                   В С D

                                       sc3                       C D E

 

       Поэтому  описанное явление получило название ступенчатого аллелизма. В целом же можно было говорить о том, что ген дискретен и может мутиро-вать отдельными частями, иметь множество аллельных форм. Таким образом, явление множественного аллелизма послужило одним из первых доказательств сложного строения, или, делимости гена.

       В  1949 г. М. Грин и К. Грин  показали гена lz (lozenge) у дрозофилы посредством кроссинговера.

       В  1957 г. С. Бензер изучил тонкую  структуру гена, проанализировав  серию мутаций гена rll у фага Т4, и показал, что единицей функции является вся последовательность нуклеотидов гена (цистрон), единицей мутации является пара нуклеотидов (мутон), а единицей рекомбинации – обмен парой нуклеотидов (рекон).

       Огромный  вклад в понимание структуры  и функции гена внесли Дж. Бидл и Э. Тейтум, которые в начале 40-х гг. ХХ века впервые исследовали биохимиические мутации у хлебной плесени Neurospora crassa. На основе своих результатов Билд и Тейтум сформулировали принцип «один ген – один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо определенного фермента. Позднее эта формулировка была уточнена «один ген – один полипептид», т.к. ген не всегда детерминирует синтез целой белковой молекулы.

       Уже  в 30-х гг. ученых интересовал  вопрос: из какого материала построены  гены? Генетическая роль ДНК была впервые установлена в опытах с микроорганизмами. Первые доказательства роли ДНК как материальной основы наследственности были получены в 1944 г. О. Эйвери, К. Мак-Лейдом и М. Мак-Карти в опытах по трансформации у бактерий. Это- му предшествовали опыт Ф. Гриффитса в 1928 г. Несколько позже было показано, что носителем наследственной информации у вирусов служит их нуклеиновая кислота: ДНК – у ДНК-содержащих вирусов (опыты А. Херши и М. Чейза, проведенные в 1952 г. на бактериофаге Т2, заражающим бактерию кишечной палочки E.coli) или РНК – у РНК- содержащих вирусов.

       Уже в 30-х  гг. ученых интересовал вопрос: из  какого материала построены гены? Генетическая роль ДНК была  впервые установлена в опытах  с микроорганизмами. Первые доказательства  роли ДНК как материальной основы наследственности были получены в 1944 г. О. Эйвери, К. Мак-Лейдом и М. Мак-Карти в опытах по трансформации у бактерий. Это- му предшествовали опыт Ф. Гриффитса в 1928 г. Несколько позже было показано, что носителем наследственной информации у вирусов служит их нуклеиновая кислота: ДНК – у ДНК-содержащих вирусов (опыты А. Херши и М. Чейза, проведенные в 1952 г. на бактериофаге Т2, заражающим бактерию кишечной палочки E.coli) или РНК – у РНК- содержащих вирусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Итак, была поставлена самая важная точка в молекулярной биологии генетике: ген – участок нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).

Аденин	Гуанин	Тимин	Цитозин

Структуры оснований, наиболее часто встречающихся в составе ДНК

 

       Но  истинная природа генов была  установлена лишь в середине ХХ века. Это явилось выдающимся событием, позволившим называть ХХ век «веком клеточного ядра», когда американским вирсуологом Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком была установлена пространст-венная (трехмерная) структура ДНК. В 1953 г. показали, что наследственная информация в ДНК закодирована в виде последовательностей нуклеотидов.

       Согласно модели Уотсона-Крика, молекула ДНК представляет собой две правозакрученные вокруг общей оси спирали полинуклеотидные антипарал-лельные цепи. Мономерами являются нуклеотиды, которые состоят из остатка фосфорной кислоты, пентозного сахара – дезоксирибозы и одного из четырех азотистых оснований: пуриновых или пиримидиновых. Нуклеотиды соединены в цепи прочными ковалентными связями. Обе цепи соединены друг с другой водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями внутри спирали.

       В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК, только в вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина – урацил.

 

 

 

 

 

 

2. Современное определение гена

       С  позиций современного уровня  развития ген – это элементарная единица наследственной информации, занимающая специфический локус на хромосоме и контролирующая выполнение определенной функции  в организме.

       Ген – функционально неделимая единица наследственной информации, представляющая собой участок молекулы ДНК (реже РНК у вирусов) с определенной последовательностью нуклеотидов, кодирующий синтез полипептида, тРНК, либо рРНК.

       Совокупность  генов отдельного организма (индивидуума), находящихся между собой в  различного рода взаимодействиях,  называют его генотипом. Т.е. генотип – это не простая сумма генов, а система взаимодействующих генов. Это генетическая конституция организма, имеющая фенотипическое проявление. Фенотип – это совокупность внешних и внутренних признаков организма, проявляющихся как результат взаимодействия генотипа с окружающей средой. Термином геном обозначают суммарную генетическую информацию гаплоидного набора хромосом данного вида организмов.

 

 

 

 

 

 

 

3. Свойства и типы генов

       Свойства генов:

1. Дискретность - несмешиваемость генов.

2. Стабильность - способность сохранять структуру.

3. Лабильность - способность многократно мутировать.

4. Множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм.

5. Аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена.

6. Специфичность - каждый ген кодирует свой продукт.

7. Плейотропия - множественный эффект гена.

8. Экспрессивность - степень выраженности гена в признаке.

9. Пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе.

10. Амплификация - увеличение количества копий гена.

 

       Различают следующие типы генов:

1. Структурные, или уникальные. Это неповторяющиеся (или повторяю-щиеся не более 10 раз) последовательности нуклеотидов. Каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и кодирует первичную структуру определенного полипептида или молекулы РНК. Здесь содержится основная генетическая информация.
2. Регуляторные гены – не транскибируются и не имеют собственного фенотипического проявления. Они служат местами узнования энзимов

     и других  белков, включенных в репликацию и транскрипцию ДНК. Это                     

гены, взаимодействующие  с регуляторным белком в процессе экспрес-                                 

сии. К ним относятся  гены-модификаторы, гены-суспессоры.

3. Псевдогены – нефункциональные копии нормальных стуктурных генов эукариот. Такие гены имеют необходимые черты генов, но никогда не экспрессируются. Т.е. остаются функционально неактивными.
4. Повторяющиеся последовательности ДНК. К ним относятся мульти-генные семейства, или умеренно повторяющиеся последовательности.

Орфоны – одна из форм псевдогенов, которые произошли из повторяю-щихся  последовательностей мультигенных семейств.

5.  Особое место  среди генов занимают мобильные генетические элемен-

ты (МГМ) или так называемые «прыгающие гены», т.е. нуклеотидные

последовательности, способные  менять свое положение в геноме, пере

      мещаясь внутри хромосомы или между хромосомами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Дополнительные особенности строения гена

       Во-первых, не всегда ген кодирует белок. В целом ряде случаев ген отвечает за синтез только РНК, в свою очередь несущей структурные или функциональные нагрузки. Это разные рибосомные РНК, тРНК, низкомо-лекулярные ядерные и цитоплазматические РНК и, вероятно, рибозимы. В этом случае определение гена как единицы транскрипции сохраняется.

       Во-вторых, одна единица транскрипции может кодировать более одного белка. Это обычная ситуация у прокариот, где типична оперонная организа-ция генетического материала. У эукариот одной мРНК всегда кодируется лишь один полипептид, который затем в некоторых случаях нарезается на более короткие полипептиды, формирующие индивидуальные белки. Часто подобная ситуация наблюдается у эукариотических вирусов.

       Существуют также различные случаи перекрывания гена или формирование разных генов на базе одной и той же нуклеотидной последовательности. Это не столь редкий случай, хотя чаще он имеет место опять-таки в геноме вирусов. Описаны случаи, когда один ген расположен внутри другого, например, в интроне последнего.

       Другая возможность возникает в случае альтернативного сплайсинга, когда в результате разных вариантов сплайсинга получаются мРНК, в кото-рых рамки считывания сдвинуты друг относительно друга и на них обра-зуются совершенно разные белки с разными функциями.

       В этих двух вариантах можно говорить о наличии разных генов в пределах одной последовательности ДНК.

       Иногда за счет использования альтернативных сайтов полиаденили-рования возникает несколько вариантов мРНК и, соответственно, белков, но белков, близких друг к другу по структуре и функции, хотя и несколько отличающихся друг от друга. В этом случае можно говорить об одном гене, кодирующем несколько вариантов белка.

       Кодирующие последовательности могут располагаться в разных цепях, и один и тот же участок ДНК входить своими разными цепями в состав разных генов.

       Многообразие структурной организации генов, особенно у эукариотов, отражает многообразие путей эволюции.