Современная концепция гена кратко

Обновлено: 03.07.2024

Современные данные молекулярной генетики 1) о структуре гена, 2) этапах реализации генетической информации, 3) регуляции активности генов, 4) особенностях генома про- и эукариот обобщает теория гена. Таким образом, в молекулярной генетике накоплен обширный фактический материал, разработаны свои собственные методы исследования и есть обобщающая теория, т.е. МГ может считаться самостоятельной наукой, а не разделом.

1. Один ген (наследственный фактор) определяет один признак. (Мендель)

2. Один ген – один фермент (Бидл и Тетум).

3. Один ген – один транскрипт.

4. В настоящее время – структурный ген – участок ДНК (или РНК у некоторых вирусов), определяющий последовательность аминокислот в белковой цепи или последовательность нуклеотидов в одной молекуле т-рнк, р-рнк или мя-рнк.

С одного гена могут транскрибироваться несколько молекул и-рнк, выполняющих сходные или различные функции. Это обеспечивается за счет альтернативного сплайсинга, разных рамок считывания и различных промоторов.

Ген делим. В нем выделяют цистрон (собственно ген, единица функции), мутон (единица мутации), рекон (единица рекомбинации). Ген состоит из нуклеотидов, объединенных в генетические единицы: кодоны, репликоны, опероны, различающиеся составом нуклеотидов и их функциями.

Закодированная в генах наследственная информация реализуется (экспрессируется) на основе матричного принципа через процессы репликации, транскрипции и трансляции.

Поток генетической информации осуществляется в направлении ДНК -> РНК белок;

белок не может служить матрицей для синтеза РНК и ДНК.

Геном прокариот в основном состоит из уникальных генов, имеющих непрерывную структуру (не содержит интронов).

В геноме эукариот преобладают некодирующие участки ДНК и межгенные промежутки. Гены составляют незначительную часть ДНК и имеют прерывистое – экзон-интронное строение. Многие последовательности ДНК представлены большим числом копий.

Теория гена вносит вклад в понимание молекулярных механизмов индивидуального развития и молекулярных основ эволюционного процесса. Положения данной теории – основа развития прикладных направлений биологической науки: селекции, медицинской генетики, генной инженерии.

Структурный ген – участок ДНК или РНК (у некоторых вирусов), определяющий последовательность аминокислот в белке, или одной молекулы т-РНК, р-РНК или мя-РНК.

С одного гена могут транскрибироваться несколько и-РНК, выполняющих сходные или различающиеся функции за счет альтернативного сплайсинга, различных рамок считывания и различных промоторов.

Современная теория гена

Ген – участок ДНК, элементарная единица генетической информации (определение гена в разные этапы генетики: 1 ген – 1 признак (Мендель), 1 ген – 1 фермент (Бидл, Тетум), 1 ген – 1 транскрипт, 1 ген - ? (в настоящее время точного определения гена нет)).
Ген делим. В нем выделяют участки: цистрон – единица функции, мутон – единица мутации, т.е. наименьший участок, изменение которого приводит к изменению признака; рекон – единица рекомбинации, т.е. наименьший участок, которыми идет обмен при кроссинговере.
Ген стабилен, но возможны изменения – мутации. Эти изменения также стабильны, наследуются.
Совокупность генов организма (клетки) состоит из нуклеотипа (наследственная информация в ядре) и плазмотипа (наследственная информация в цитоплазме: у эукариота – в митохондриях и пластидах, у прокариот – в плазмидах).
В генотипе выделяют структурные (кодирующие белок) и регуляторные гены (регулируют работу структурных генов).
Генотип будучи дискретным функционирует как единое целое (доказательство – взаимодействие аллельных и неаллельных генов).
Генотип дискретен: гены снабжены регуляторными участками, которые определяют начало и окончание считывания генов.
На функции генов оказывают влияние внутри- и внеклеточная среда. Между ядром и цитоплазмой два посредника: и-РНК (ядро → цитоплазма) и белки репрессоры (цитоплазма → ядро).

Гены структурно и функционально различаются. Они могут:

- могут быть организованы в опероны (прокариоты)

- контролировать одну или несколько ферментативных реакций, т.е. кодировать один или несколько белков

- содержать (эукариоты) или не содержать (прокариоты) интроны

- могут быть в линейной последовательности или перекрываться структурно

- существуют структурные гены, кодирующие белки, или РНК (т-РНК, р-РНК, мя-РНК).

- существуют области, которые нельзя строго назвать генами: регуляторные участки, включающие и выключающие гены

- есть мигрирующие элементы (МГЭ), перемещающиеся вдоль ДНК. Встраиваясь или выщепляясь в НК, МГЭ могут приводить к перестройкам генома

- есть псевдогены и повторяющиеся участки ДНК, которые ничего не кодируют и нужны только для собственного воспроизведения (эгоистическая, или паразитирующая, ДНК)

Теория гена еще не завершена и сейчас развитие ее идет особенно интенсивно благодаря:

Наука очень много веков шла к очень важным открытиям, которые помогали бы лечить разнообразные заболевания или объясняли тот или иной факт в природе и ее происхождении. Современная теория гена смогла сделать огромный шаг в лечении редких заболеваний. Также она дала объяснения на тысячи вопросов, связанных с происхождением и наследственными факторами человечества и его развития.

Чуть-чуть истории

Еще несколько десятков лет назад ген носил абстрактное понятие. Ученые выяснили, что он ответственен за передачу наследственности от родителей к детям, но точный механизм до конца понять не могли.

С развитием биохимии как науки, ситуация несколько изменилась. Было выяснено, что в процессах участвуют белки и ферменты. Таким образом, исследования современной теории гена тронулись с места. Затем с развитием молекулярной биологии как науки, ситуация полностью изменилась и сделала шаги к раскрытию тайны наследственности вперед.

Было выявлено, что ген - не абстрактное понятие, а материальная субстанция. Теперь стало понятно, что это определенная последовательность участков ДНК, которые конвертируются в информационные РНК и участвуют в образовании белка.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

В каждой клетке имеется молекула, которая отвечает за наследственность и отвечает за всю генетическую информацию. То есть цвет волос, предполагаемый рост и другие признаки закодированы в ДНК.

Эта молекула принимает форму двойной спирали. Цепи в ДНК комплементарны, если иметь одну из них, то используя правило, легко воплотить другую. Эта молекула состоит из 4 составляющих - аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В цепи они имеют определенную последовательность. Всегда за аденином следует тимин, а за гуанином - цитозин. Такие пары называются нуклеотидами.

Как же эти цепи кодируют целый организм? Согласно расшифровки генома человека, он состоит из 3 млрд пар нуклеотидов. И это всего лишь половина хромосом. В этом количестве содержится полная информация о человеческом организме. Интересно, что у приматов большая часть генома совпадает с человеческим.

Как происходит передача наследственности?

Сначала ДНК транскрибируется. Такой процесс называется транскрипцией. Во время него цепи расплетаются с помощью множества химических реакций. В результате получается комплементарная м-РНК (рибонуклеиновая кислота). Эта молекула очень похожа на ДНК, только вместо тимина в ней продуцирует урацил (У).

Например, ДНК имела последовательность АГТГЦТАГГЦТ, тогда м-РНК после транскрипции будет иметь вид - УЦАГАУЦЦГА. То есть сработает правило об последовательности в ДНК.

Клетки сложных организмов имеют в своем строении ядро, вмещающее в себе всю ДНК. Затем цепь м-РНК отщепляется от дезоксирибонуклеиновой кислоты, с которой она транскрибировалась и покидает ядро, отправляясь на рибосомы. Там с м-РНК транслируются белки. В этом процессе берут участие еще несколько видов молекул. Прежде всего это транспортная рибонуклеиновая кислота (т-РНК). Они выступают в качестве носителей аминокислот, из которых формируются белки.

В этом процессе м-РНК выступает шаблоном для молекулы т-РНК. Например, инсулин имеет 150 пар нуклеотидов и составляет 50 аминокислот. Вместе это образует ген. Все белки кодируются этим видом молекул.

Что такое ген?

Это понятие длительное время меняло свою трактовку. Наконец оно установилось и звучит так: ген - состоит из множества молекул ДНК, которые занимают определенный участок, он несет ответственность за проявление и развитие определенного признака.

Согласно современной теории гена, тело человека состоит из 50 триллионов клеток. Все они имеют разную форму и несут свои функции. Внутри каждой из них расположено ядро, содержащее практически 99.9% генов. Остальные расположены в митохондриях. Всего генов около 20 000.

ДНК - это двухцепочечная молекула, состоящая из сахара, фосфата и четырех нуклеотидов (аденин, тимин, цитозин, гуанин). Они формируют генетический код. Число и порядок нуклеотидов определяют, быть ли существу обезьяной, коровой, бананом или человеком.

Большинство генов - это "рецепты" по изготовлению белков. И они передаются от родителей к детям, из поколения в поколения. Например, если говорят, что у ребенка отцовские волосы, то это значит малыш унаследовал от папы гены, кодирующие белки, указывающие частицам волосяных фолликул растить кудрявые или ровные волосы, как и у предков.

Функции генов

Гены управляют работой клеток и задают признаки. В частности, они могут включать и выключать других своих представителей для управления функциями разных органелл. Большая молекула ДНК, содержащая гены, разбита на несколько частей, называемые хромосомы. Число их у разных видов не повторяется.

У человека, согласно современному состоянию теории гена, их 46 - два набора по 23 штуки (пары). А, например, у шимпанзе хромосом 24 пары, у коров 30, а у банана - 11. Интересен вопрос, сколько процентов ДНК совпадает с другими людьми?

В 99.5% происходит подобие. Что же тогда нас отличает друг от друга? Ответ достаточно прост - однонуклеотидные полиморфизмы.

Концепция гена

С развитием науки генетика стала продвигаться вперед семимильными шагами. Было установлено несколько правил относительно понятия гена.

Его нельзя разделить на субъединицы при помощи разрыва хромосом или их перестановки, значит он является крайней единицей структуры.
Он считается основным над определением одной функции в метаболизме, и она не может разделяться на подфункции, значит ген является крайней единицей функции.

Так сложилась гипотеза - "один ген - один фермент". Со временем это правило несколько трансформировалось в "один ген - одно м-РНК и один полипептид".

Что такое ОНП?

Современное состояние теории гена утверждает, что основной пакет из 23 пар хромосом у всех людей называется их геномом. Он имеет в себе 3 млн. пар оснований. В процессе перестановки их во время скрещивания происходит замена, и образуется различие в одной из них. Оно получило название одиночный нуклеотидный полиморфизм (ОНП).

Во время образования новых клеток могут происходить определенные ошибки. Случается, что при воспроизведении генома для формирования новой клетки, организм пропускает, добавляет или заменяет одну пару оснований.

Перестановка пары оснований и называется ОНП. При расшифровке генома человека получается около 10 млн. таких структур, которые ответственны за многие внешние и внутренние различия между всеми людьми на планете. Некоторые ОНП регулируют рост, цвет глаз, телосложение и т.д., а другие подталкивают развитие разных болезней.

Генотипы мужчин и женщин

Дети получают такие участки ДНК от мамы и папы, а те, в свою очередь, от своих родителей и т.д. У человека присутствует два набора хромосом. В каждом из них по 23. Один из них ребенок получает от одного из родителей.

На любую хромосому, которая перешла от мамы, наследуется такая же от папы, в ней зашифрованы варианты одних и тех же генов. Такая пара называется гомологичными хромосомами.

Но X и Y - особые виды. Обычно у женщин две X, а у мужчин XY хромосомы. Ребенок получает в любом случае от мамы один вариант - X, а от папы может быть перейти одна из двух. Если от отца попадает X, тогда в паре образуется XX - рождается девочка, а если попадает Y, то образуется комбинация XY - рождается мальчик.

Основная масса взрослых клеток содержит два набора хромосом. Сперматозоид и яйцеклетка несут по одному набору. В процессе их формирования клетки проходят этап деления, и пары расходятся. По одной из хромосом от пары в хаотическом порядке попадают в каждую новую клетку. Это значит, что 50% генов наследуется от мамы, а 50% от отца.

Но другие дети от одной и той же пары не обязательно получат те же комбинации генов, которые получил первый потомок. Другой вариант возникает только с зарождением однояйцевых близнецов.

Во время образования сперматозоида или яйцеклетки начинается процесс удвоения хромосом, и они могут пересекаться. Это происходит в случайных точках, и начинается обмен ДНК. Такой процесс получил название рекомбинация.

В этом случае происходит "перетасовка" генов, поэтому хромосомы, которые перейдут к потомкам, не похожи на те, которые были получены от своих родителей. Но Y хромосомы всегда по мужской линии идут в неизменном виде. На что ДНК митохондрий унаследуются ребенком только по женской линии, поэтому наследственность лучше проверять с помощью Y хромосомы или ДНК митохондрии.

Когда происходит соединение сперматозоида и яйцеклетки во время оплодотворения, образуется одна клетка с двумя полноценными наборами из 23 хромосом - один от женщины, а другой - от мужчины. Эта клетка в будущем делится огромное количество раз, образовывая новые, пока не сформирован полностью организм плода.

Фенотип и его особенности

Различимые характеристики, называемые фенотипом, формируются в результате взаимодействия генов и окружающей среды. Такой процесс начинается в чреве у матери и продолжается затем на протяжении всей жизни.

Различие некоторых фенотипов, например рост, определяется в большой степени генами. Если родители и ближайшие предки не отличались высоким, то ребенок навряд ли будет выше всех сверстников. Но иногда на этот процесс в незначительной мере может повлиять питание.

Влияние генов на личность менее изучена. Черты характера в большей мере вырабатываются на протяжении жизни, нежели закладываются генетически.

Введение в наследственность

Современная теория гена дает возможность понять, каким образом происходит передача от родителей к детям того или иного признака. Чтобы разобраться с этим процессом, необходимо понять, что такое рецессивные и доминирующие гены.

Приблизительно эти положения дал в своей теории еще Мендель. Доминирующий - это ген, который преобладает над рецессивным. В генетике его обозначают любой большой латинской буквой.

Теперь разберемся на примере. Допустим, у матери карие глаза, за них отвечает доминантный ген (обозначим В), а у отца голубые глаза и за этот признак отвечает рецессивный (отметим b). В этом случае при оплодотворении у плода по этому признаку могут сформироваться только карие глаза, так как в аллели (вариации скрещивания) будет всегда преобладать доминант от матери.

В случае, если у обоих родителей имеется комбинация Bb, в которой выступает большой буквой - карие глаза, а маленькой - голубые, то могут получиться следующие комбинации:

BB - карие глаза;
Bb - карие;
Bb - карие;
bb - голубые.

Эти расчеты указывают на то, что в 75% ребенок будет иметь коричневые глаза. И только в 25% у потомка могут сформироваться голубые. Как видно, рецессивный ген обоими родителями был получен от их предков, и они стали его носителями. Вот почему у кареглазых отца и матери иногда рождаются голубоглазые малыши.

Современная теория гена: основные положения

После исследований в несколько десятков лет сложились постоянные понятия, которые определяют генетику:

материальным субстратом передачи наследственных факторов служат нуклеиновые кислоты;
гены ответственны за главные процессы и реакции, связанные с ферментами;
один ген может нести ответственность за несколько признаков;
определенное количество генов могут отвечать за один признак и чем их больше, тем проявления ярче;
ген содержит в себе данные только об одном белке;
гены могут мутировать.

Эти пункты описывают современную теорию гена. Основные свойства гена и характеризуют участок ДНК, содержащий информацию о наследственности.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы.

Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма.

Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.

Долгое время считалось, что в зиготе находятся разные хромосомы для разных клеток, однако теперь известно, что в зиготе имеется та же генетическая информация, что и во всех клетках данного организма. В специализированных клетках работают гены, характерные для функций данных клеток, а все остальные – до 95% - заблокированы. Каждая эмбриональная клетка потенциально может стать любой клеткой организма, т.е. специализироваться в любую сторону – полипотентные клетки. Каждая клетка организма способна дифференцироваться только по одному пути. Направление специализации определяется внешней средой (химическим окружением хромосом – цитоплазмой). На самых ранних этапах эмбриогенеза, генотип уже взаимодействует со средой. Взаимодействие удобно просматривать на примере глобиновых генов. До и после рождения эти гены работают неодинаково. В раннем эмбриогенезе включается ген, отвечающий за альфа-цепь гемоглобина (он активен на протяжении всей жизни), а ген, отвечающий за синтез бета-цепи, неактивен. Зато есть ген, отвечающий за синтез гамма-цепи. После рождения ген бета-цепи начинает работать, а гамма - блокируется. Эти изменения связаны с особенностями дыхания. Фетальный гемоглобин легко доносит воздух до зародыша.

Фенотипическое проявление генотипа в зависимости Ио среды изменяется в пределах нормы реакции. От родителей потомки получают специфические типы химических реакций на разные условия среды. Совокупность всех химических реакций определят метаболизм – обмен веществ. Интенсивность обмена веществ варьирует в широких пределах. У каждого человека свои особенности обмена веществ, которые передается от поколения к поколению, и подчиняются законам Менделя. Различия в обмене веществ реализуются в конкретных условиях среды на уровне синтеза белка.

Дифференцированная реакция растений примулы в разных условиях окружающей среды. При обычной температуре 20-25 градусов и нормальном давлении – красные цветы, при повышенной температуре или давлении – белые цветы. Семена обладают теми же свойствами.

Муха – дрозофила имеет ген, формирующий замыкание крыльев на спину. Если мух с мутантным генов выводить при температуре22-25 градусов, крылья загнуты. При более низкой температуре – нормальные крылья и лишь у некоторых – загнуты. Ген обуславливает синтез термочувствительного белка. Поэтому, обсыхая после выхода из куколки, при повышенной температуре происходит деформация крыльев.

Никакие признаки не наследуются . Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип, т.е. комплекс генов, который определяет норму биологической реакции организма, изменяющую проявление и выраженность признаков в разных условиях среды. Таким образом, организм реагирует на свойства внешней среды. Иногда один и тот же ген в зависимости от генотипа и от условий внешней среды по-разному проявляет признак или меняет полноту выраженности.

Степень проявления фенотипа – экспрессивность. Образно ее можно сравнить со степенью тяжести болезни в клинической практике. Экспрессивность подчиняется законам распределения Гаусса (некоторые в малом или среднем количестве). В основе изменчивости экспрессивности лежат и генетические факторы, и факторы внешней среды. Экспрессивность – очень важный показатель фенотипического проявления гена. Количественно ее степень определяют, используя статистический показатель.

- наследственный панкреатит – 80%

- вывих бедра – 25%

- пороки развития глаз

Хорея Гентингтона проявляется в непроизвольном подергивании головы. Конечностей, постепенно прогрессирует и приводит к смерти. Может проявиться в раннем постэмбриональном периоде, в зрелом возрасте или не проявиться вообще. И экспрессивность, и пенетрантность поддерживаются естественным отбором, т.е. гены, контролирующие патологические признаки могут иметь разную экспрессивность и пенетрантность: заболевают не все носители гена, а у заболевших степень проявления будет различна. Проявление или неполное проявление признака, а так же его отсутствие зависит от среды и от модифицирующего действия других генов.

1919 год Бриджес ввел термин ген-модификатор. Теоретически любой ген может взаимодействовать с другими генами, а значит, и проявлять модифицирующее действие, но некоторые гены – модификаторы в большей степени. Они часто не имеют собственного признака, но способны усиливать или ослаблять проявление признака, контролируемого другим геном. В формировании признака кроме основных генов проявляют свое действие и модифицирующие гены.

Брахидактилия – может быть резкая или незначительная. Помимо основного гена, есть еще модификатор, который усиливает эффект.

Окраска млекопитающих – белая, черная + модификаторы.

Ген может действовать плейотропно (множественно), т.е. опосредовано влиять на течение разных реакций и развитие многих признаков. Гены могут оказывать влияние на другие признаки на разных стадиях онтогенеза. Если ген включается в позднем онтогенезе, то оказывается незначительное действие. Если на ранних стадиях – изменения более значительны.

Фенилкетанурия. У больных есть мутация, которая выключает фермент – фенилаланин – гидролазу. Поэтому фенилаланин не превращается в тирозин. В результате в крови количество фенилаланина повышается. Если выявить эту патологию рано (до 1 месяца) и перевести ребенка на другое питание, развитие идет нормально, если позднее – понижен размер головного мозга, умственная отсталость, не развиваются нормально, отсутствует пигментация, умственные способности минимальны.

Плейотропность отражает интеграцию генов и признаков.

У человека есть патологический ген, приводящий к синдрому Фанкони (порок развития или отсутствие большого пальца, порок или отсутствие лучевой кости, недоразвитие почки, коричневые пигментные пятна, нехватка кровяных телец).

Есть ген, связанный с Х-хромосомой. Невосприимчивость к инфекциям и нехватка кровяных телец.

Доминантный ген, сцепленный с Х-хромосомой – пилонефрит, лабиринтная тугоухость.

Синдром Марфани – паучьи пальцы, вывих хрусталика глаза, пороки развития сердца.

Полимерия. Если гены располагаются, каждый в своем отдельном локусе, но их взаимодействие проявляется в одном и том же направлении – это полигены. Один ген проявляет признак незначительно. Полигены дополняют друг друга и оказывают мощное действие – возникает полигенная система – т.е. система является результатом действия одинаково направленных генов. Гены подвергаются значительному влиянию главных генов, которых более 50. полигенных систем известно множество.

При сахарном диабете наблюдается умственная отсталость.

Рост, уровень интеллекта - определяются полигенными системами

Комплементарность – явление, при котором 2 неаллельных гена. Находясь в генотипе, одновременно приводят к формированию нового признака. Если присутствует один из пары – проявляется он.

Примером служат группы крови у человека.

Комплементарность может быть доминантная и рецессивная.

Для того чтобы человек имел нормальный слух, необходимо чтобы работали, согласовано многие гены, и доминантные и рецессивные. Если, хотя бы по одному гену он будет гомозиготен по рецессиву – слух будет ослаблен.

Эпистаз – такое взаимодействие генов, когда ген одной аллельной пары маскируется действием другой аллельной пары. Это обусловлено тем, что ферменты катализируют разные процессы клетки, Когда на одном метаболическом пути действуют несколько генов. Действие их должно быть согласовано во времени.

Механизм: если В выключится, он замаскирует действие С

В – эпистатический ген

С – гипостатический ген

Изменчивость .'>ЛЕКЦИЯ №9

Изменчивость.

Одним из признаков жизни является изменчивость. Любой живой организм отличается от других представителей вида. Изменчивость – свойство живых организмов существовать в разных формах. Групповая и индивидуальная изменчивость – классификация по эволюционному значению. Изменчивость, реализованная группой организмов, называется групповой, у одного организма или группы его клеток – индивидуальная.

По характеру изменения признаков и механизму:

- генеративная (мутационная, комбинативная)

в) геномная
Модификационная изменчивость отражает изменение фенотипа под воздействием факторов внешней среды (усиление и развитие мышечной и костной массы у спортсменов, увеличение эритропоэза в условиях высокогорья и крайнего севера). Частный случай фенотипической изменчивости – фенокопии. Фенокопии – вызванные условиями внешней среды фенотипические модификации, имитирующие генетические признаки. Под влиянием внешних условий на генетически нормальный организм копируются признаки совсем другого генотипа. Проявление дальтонизма может произойти под влиянием питания, плохой психической конституции, повышенной раздражительности. У человека возникает заболевание витилиго (1% людей) – нарушение пигментации кожи. Генетический дефект есть у 30% болеющих, у остальных – профессиональное витилиго (воздействие на организм особых химических и отравляющих веществ). В Германии 15 лет назад рождались дети с фекомелией – укороченными ластовидными руками. Выяснилось. Что рождение таких детей происходило, если мать принимала Телидомид (успокоительное средство, показанное беременным). В результате нормальный немутантный генотип получал мутацию.

Фенокопии появляются в большинстве случаев при действии внешней среды на ранних стадиях эмбриогенеза, что приводит к врожденным заболеваниями порокам развития. Наличие фенокопий затрудняет диагностику заболеваний.

Соматическая изменчивость не передается по наследству.

Люди, состоящие между собой в родстве, вступают в брак чаще, чем при случайном подборе – инбридинг – инбирентные (кровнородственные браки).
Люди вступают в брак чаще при случайном подборе пар, чем при родственном бракосочетании – аутобридинг.

Близкородственные браки часто встречались на ранних этапах развития человечества.

между родственниками первого родства
близкородственные браки изолированных популяций
поощряемые близкородственные браки по социальным, религиозным и другим соображениям.

Правовые ограничения: браки между двоюродными родственниками, племянниками и тетями, племянницами и дядями - разрешены. Хотя в некоторых странах есть ограничения. США и Великобритании – дядя-племянница, полудядя-племянница – запрещены. В США двоюродные – запрещены, в Великобритании – разрешены.

Близкородственные браки в изолированных территориях (изолятах), в т.ч. и религиозных изолятах, неизбежны, потому что в противном случае популяция вымирает.

В больших неизолированных популяциях близкородственные браки составляют 1% в городе и 3% в селах, до троюродных. Близкородственные браки поощряются среди евреев, в восточных странах. Там до 12%.

В Самаркандской области

Коэффициент инбридинга – средняя идентичная по происхождению.

США, католики – 0,00009

Израиль и Иордания – 0,432

В Индии половина браков заключается между родственниками – детская смертность при любом достатке составляет 50%.

Генетический эффект близкородственных браков: редкие аутосомно-рецесивные заболевания становятся обычными.

Частота встречаемости рецессивных генов по сравнению с браками, заключенными между людьми, не являющимися родственниками, резко возрастает в браках между родственниками.

Схематическая диаграмма короткого гена внутри структуры двойной спирали ДНК , которая при сжатии образует хромосому (справа). Это эукариотический ген (у прокариот нет интронов). Белки кодируются только в экзонах .

Ген представляет собой единицу информации [ 1 ] в локусе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) , который кодирует продукт гена , либо белок , либо РНК . Это молекулярная единица генетического наследования [ 2 ] [ 3 ] , поскольку она хранит генетическую информацию и позволяет передавать ее потомству . Гены расположены в хромосомах , и каждый занимает в них определенное положение, называемое локусом . . Совокупность генов вида называется геномом .

Для каждого локуса может быть несколько возможных аллелей (то есть они могут иметь разные формы с разными последствиями). Когда гены расположены близко друг к другу, они с меньшей вероятностью разделятся при кроссовере, то есть они разделятся не независимо, а как блок. Группами сцепления называют набор генов, расположенных в соседних локусах, которые передаются вместе.

На молекулярном уровне ген представляет собой последовательность смежных нуклеотидов в молекуле ДНК (или РНК в случае некоторых вирусов ), которая содержит информацию, необходимую для синтеза макромолекулы с определенной клеточной функцией , то есть связанной с развитием или функционированием физиологической функции. Эти продукты, как правило, представляют собой белки после прохождения через информационную РНК (мРНК), а также некодирующие РНК , такие как рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК) и многие другие , обладающие регуляторными функциями или функции которых постепенно выясняются.

История

Современная концепция гена

Такие методы дают много информации о том, как включаются и выключаются гены, а также о других аспектах их экспрессии .

типы генов

Изображение женского кариотипа , полученное с помощью флуоресцентной микроскопии, показывающее 23 пары хромосом с красными и желтыми полосами и участки, богатые конститутивными генами, с зелеными полосами. Самые большие хромосомы несут в десять раз больше, чем самые маленькие. [ 7 ]

Ген представляет собой последовательность или сегмент ДНК, необходимый для синтеза функциональной РНК, такой как транспортная РНК или рибосомная РНК. Однако эти два типа РНК не кодируют белки, что делает информационная РНК . Для этого транскрипция генерирует молекулу РНК, которая позже будет транслироваться в рибосомах — процесс, посредством которого генерируется белок . Многие гены состоят из кодирующих областей ( экзонов ), прерываемых некодирующими областями ( интронами ), которые удаляются во время сплайсинга РНК. ). В прокариотических клетках этого не происходит, поскольку в прокариотических генах отсутствуют интроны. Последовательность оснований, присутствующих в РНК, определяет аминокислотную последовательность белка через генетический код .

Другие гены не транслируются в белок, а выполняют свою функцию в виде РНК. Среди них мы находим гены транспортной РНК , рибосомной РНК , рибозимов и других малых РНК различных функций. [ 8 ]

Некоторые гены претерпели процессы мутации или другие явления реорганизации и перестали быть функциональными, но сохраняются в геномах живых существ. Когда они перестают выполнять свою функцию, их называют псевдогенами , которые представляют собой эволюционный ресурс вида, поскольку представляют собой квазифункциональные участки ДНК , способные принимать мутации (и генерировать новые функции) без ущерба для функций, уже развитых в организме. организма, и они могут быть очень похожи на другие функциональные гены того же организма.

структура и функция

молекулярная эволюция

Мутация

Репликация ДНК осуществляется с предельной точностью, однако могут возникать ошибки, называемые мутациями . [ 3 ] Частота ошибок в эукариотических клетках может составлять всего 10–8 мутаций на реплицированный нуклеотид , [ 9 ] [ 10 ] , в то время как в некоторых РНК- скорость может достигать 10–3 вирусах . [ 11 ] Таким образом, в каждом поколении в каждом геноме человека накапливается примерно от 1 до 2 новых мутаций. [ 11 ] Небольшие мутации могут возникать в процессе репликации ДНК , которые обычно восстанавливаются с помощью процесса, известного как репарация ДНК , хотя, если бы этот процесс не идентифицировал или не исправил мутацию, произошло бы повреждение, которое привело бы к появлению мутаций генетика . Эта неудача есть не что иное, как замена замещенного азотистого основания другим или нечто гораздо более опасное, смещение рамки считывания, в которое вставлено или удалено основание (или два, изменение повлияет меньше, если удаление произойдет в три основания, так как чтение ДНК происходит по триплетам). Любая из этих мутаций может модифицировать функцию гена, вызывая мутацию бессмыслица (замена одного кодона другим, который транслируется другой аминокислотой , что изменяет функциональность транслируемого белка). [ 12 ] Также может возникнуть мутация без изменения смысла, при которой полученный кодон транслируется в ту же аминокислоту (генетический код является вырожденным , что означает, что несколько комбинаций триплетов транслируются в одну и ту же аминокислоту ): будет смысловая мутация . Более крупные мутации могут быть вызваны ошибками рекомбинации, в синапсисе или в процессе мейоза или митоза во время разделения хромосом, вызывая хромосомные мутации . и анеуплоидии соответственно. Эти сбои включают дупликацию генов (удвоение генетического состава клетки за счет наличия дополнительной копии хромосомы, которая ее укрывает) или делецию, перестройку и инверсию длинных участков хромосомы. Также механизм репарации ДНК может привести к ошибкам при попытке восстановить физическое повреждение молекулы ДНК. [ 3 ] : 5,4

Существование нескольких параллельных аллелей гена в одной и той же популяции называется полиморфизмом . Большинство различных аллелей функционируют одинаково; однако некоторые из них могут иметь разные биологические характеристики . Наиболее распространенный аллель гена называется диким типом , а редкие (необычные) аллели называются мутантами. Различия в относительных частотах различных аллелей в популяции являются следствием естественного отбора и генетического дрейфа (меры адаптивного успеха и статистического эффекта аллеля соответственно). [ 13 ] Аллель дикого типа определенно не предок менее распространенных аллелей, и не обязательно верно, что они более адаптированы .

Большинство мутаций, происходящих в генах, имеют тенденцию быть нейтральными, поскольку они не влияют на фенотип организма. Даже если мутация не является нейтральной, она может привести к функционально идентичному белку, поскольку замена может быть эквивалентной или не вредной аминокислотой во внутренней структуре белка, который она кодирует. Однако многие мутации вредны, хотя и не являются явно смертельными, поскольку они исключаются естественным отбором . . Генетические нарушения возникают в результате вредных мутаций, а иногда и из-за спонтанной мутации у пораженного человека на раннем этапе их развития или унаследованы от одного или обоих родителей, когда другая копия гена взяла на себя функцию, которую наследует ребенок. Некоторые из них приносят пользу организму, улучшая приспособленность, и они имеют большое значение, поскольку таким образом направляют адаптивную эволюцию . [ 3 ]

гомология последовательностей

Выравнивание последовательностей, созданное ClustalW , между двумя белками цинковых пальцев , идентифицированными инвентарным номером GenBank .

Гены с более поздним общим предком , то есть с общим эволюционным происхождением, известны как гомологи . [ 14 ] Эти гены появляются либо в результате дупликации генов в геноме организма и называются паралогичными генами, либо в результате расхождения генов после события видообразования , они называются ортологичными генами, [ 3 ] :7.6 и часто выполняют функцию это то же самое или подобное у родственных организмов. Часто предполагается, что функции ортологичных генов более схожи, чем функции паралогичных генов, хотя различия очень малы. [ 15 ] [ 16 ]

Родство между генами можно измерить, сравнив их выравнивание последовательностей ДНК . [ 3 ] : 7.6 Степень сходства между гомологичными генами называется консервативной последовательностью . Большинство изменений не влияют на функцию гена, и именно поэтому гены со временем накапливают мутации из-за нейтралистической молекулярной эволюции . . Кроме того, любой отбор гена приведет к тому, что его последовательность будет расходиться с разной скоростью. Гены при стабилизирующем отборе ограничены и поэтому изменяются медленнее, в то время как гены при направленном отборе изменяют последовательность быстрее. Различия в последовательностях между генами можно использовать для филогенетического анализа, чтобы изучить, как эти гены развились и как родственны организмы, из которых они произошли. [ 17 ] [ 18 ]

Происхождение новых генов

Иллюстрация мутаций , которые могут вызывать псевдогены. Человеческая последовательность происходит от псевдогена в семействе обонятельных генов . Последовательность шимпанзе является функциональным ортологом. Выделены ключевые отличия

Наиболее распространенным источником генов в эукариотических клетках является удвоение хромосом , которое создает вариации в количестве копий гена, уже существующего в геноме. [ 19 ] [ 20 ] Полученные в результате гены (паралоги) могли отличаться по своей последовательности, а также по своим функциям. Группы генов, образованные таким образом, называются семейством генов . Генетические дупликации и потери в семье являются обычным явлением и представляют собой основной источник генетического разнообразия и эволюционного биоразнообразия . [ 21 ] Иногда дублирование гена приводит к нефункциональной копии гена или копии, которая должна работать, но из-за мутаций теряет функцию; такие гены называются псевдогенами . [ 3 ]

геномы

Геном представляет собой общий генетический материал организма и включает как гены, так и некодирующие последовательности. [ 22 ]

Количество генов в некоторых биологических формах

Размер генома и количество кодирующих генов сильно различаются у разных биологических форм. Наименьшие геномы встречаются у вирусов , которые могут иметь только два кодирующих гена для кодирования их белков, [ 23 ] и у вироидов , которые действуют как один некодирующий ген РНК. [ 24 ] С другой стороны , растения могут иметь очень большие геномы, [ 25 ] рис содержит более 46 000 генов, кодирующих белок. [ 26 ] Общее количество генов, кодирующих белок ( протеом Земля) оценивается в 5 миллионов последовательностей. [ 27 ]

генные изменения

Диплоидные организмы имеют два набора гомологичных хромосом , каждый из которых происходит от одного родителя, чьи гаметы (созданные в результате мейоза ) сливаются в клетку , известную как зигота , во время полового размножения . [ 36 ] Например, гаметы ( яйцеклетки и сперматозоиды ) человека содержат только 23 простые хромосомы (они гаплоидны ), но деление клеток зиготы , созданной в результате оплодотворения , уже завершилось . в четырех клетках каждая клетка новорожденного будет иметь 23 пары хромосом, или 46 хромосом, одна из которых исходит от матери, а другая — от отца. [ 37 ]

Некоторые заболевания , такие как серповидноклеточная анемия, могут быть вызваны изменением одного гена. Гены могут появляться в разных версиях с небольшими вариациями в их последовательности: они называются аллелями . Аллели могут быть доминантными или рецессивными. Когда единственная копия аллеля вызывает проявление признака или фенотипа , аллель является доминантной. Когда для проявления эффекта необходимы две копии аллеля, аллель является рецессивным.

Регулирование

Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов относится к перемещению генов между живыми существами без вертикальной передачи (от родителей к детям). Горизонтальный перенос генов чаще всего встречается у одноклеточных организмов , но встречается и у многоклеточных . [ 39 ] [ 40 ] Этот перенос оказался важным фактором в эволюции живых существ. [ 41 ] Хотя удивительно говорить о передаче генов иначе, чем через потомство, с 1940-х годов накопились доказательства того, что Прокариоты могли перемещать свой генетический материал с помощью молекул, известных как плазмиды . Эти молекулы могут нести гены, связанные с фертильностью, фенотипом и метаболизмом, они могут даже включать гены, которые помогают бактериям становиться устойчивыми к антибиотикам, или вирулентные гены, способствующие патогенезу бактерий. Плазмиды могут передаваться не только между прокариотическими штаммами, но и между разными видами. [ 39 ] [ 42 ]

Однако плазмиды были не единственными генными векторами , поскольку позже было обнаружено, что транспозоны , последовательности ДНК, способные перемещаться в разные части генома, могут передаваться между организмами, живущими в симбиозе , такими как: лишайники , беспозвоночные , такие как насекомые или ракообразные . , грибы , растения и т. [ 43 ] У людей были задокументированы случаи горизонтального переноса генов с паразитическими нематодами через транспозоны. [ 44 ] Также стало очевидным, что вирусные агенты ( вирусы , вироиды и сателлитные вирусы ) во время заражения и заражения могут включать гены от одного хозяина и передавать их другому хозяину, включая другие виды. [ 45 ] Вирусы можно считать единственным наиболее преобладающим средством горизонтального переноса генов между живыми существами, даже если они являются инфекционными.Кроме того, вирусы образуют белковые частицы ( вирионы ). ), которые позволяют легко перемещаться между вашими гостями. Также совсем недавно было установлено, что вирусы могут получать дополнительные гены от спутниковых вирусов , которые зависят от них для коинфекции . В свою очередь, плазмиды и транспозоны могут получать дополнительные гены от интегронов , представляющих собой мобильные генные кассеты, обнаруженные у прокариот. Это демонстрирует, что движение генов существует не только внутри клеточных организмов, но и между векторными частицами. Все эти молекулы или частицы принято называть мобиломами или мобильными генетическими элементами . [ 46 ]

Горизонтальный перенос генов оказывается ограничением для эволюционистов, поскольку, если два вида обменивались генами на протяжении эволюции, они могут казаться равными в филогенетическом анализе без необходимости иметь общего предка, потому что этот ген один и тот же, хотя многие другие гены не похожи. . По этой причине иногда идеально использовать другую информацию, чтобы сделать вывод о больших филогениях, таких как наличие или отсутствие генов, или, что чаще, включать большой диапазон генов для филогенетического анализа. Анализ протеома также может быть полезен для определения филогенетических отношений между организмами, которые подвергаются горизонтальному переносу генов или имеют высокие показатели генетической мутации. [ 39 ] [ 47 ]

генная инженерия

В генной инженерии геном организма модифицируют методами биотехнологии . С 1970-х годов были разработаны методы, которые специально объединяют и редактируют организм [ 48 ] . Совсем недавно инженеры генома разработали некоторые методы, которые используют ферментные нуклеазы для создания обесцвеченных репараций ДНК на хромосоме или для разрушения или редактирования гена при разрыве. ремонтируется. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] Аналогичное выражение - синтетическая биология , которое иногда используется для обозначения обширной инженерии организма. [ 53 ]

Генная инженерия в настоящее время является рутинным инструментом исследования с использованием модельного организма . Например, легко добавить гены к бактериям [ 54 ] , в то время как линии нокаутных мышей с нарушенной функцией гена используются для исследования функции этого гена. [ 55 ] [ 56 ] Многие гены были модифицированы для применения в сельском хозяйстве , медицине и промышленной биотехнологии.

Для многоклеточных организмов обычно создается эмбрион , который вырастает во взрослый генетически модифицированный организм . [ 57 ] Тем не менее, геномы в клетках взрослого организма могут быть отредактированы с помощью методов генной терапии , чтобы попытаться вылечить заболевания с генетическими причинами.

Читайте также: