Эволюция представлений о гене кратко

Обновлено: 30.06.2024

Материальным субстратом гена служат молекула ДНК и в отдельных случаях РНК. Первое свидетельство такого взгляда было обнаружено при анализе явления трансформации, открытого Гриффитом в 1927 г. Однако, только в 1944 г. Эйвери и др. установили, что вещество, которое трансформирует одну форму пнемнококков в другую форму, представляет собой молекулу ДНК. Однако и после этой работы высказывались сомнение что не ДНК, а малая примесь белка ответственна за явление трансформации. Очистка препарата была доведена до того, что на 1мг. ДНК приходилась одна молекула белка. При этом, если ввести препарат ДНК - азу, разрушающий ДНК, то трансформирующая активность препарата исчезла. С другой стороны, введение ферментов, разрушающих белки, не влияло на активность препарата. Т. О., связь гена с ДНК была реально установлена в опытах в 1944г.

Молекулярные основы наследственности у вирусов.

Новые доказательства генетической роли ДНК были получены при исследовании инфекционности у фагов. Херши и Чейс в 1952г. заразили бакиериофагом Т-2 клетки бактерии Е.соly, которые предварительно выращивали на среде содержащей радиоактивную серу -S 35 и радиоактивный фосфор - P 32 .Фаговые частицы, выросшие в таких бактериях получили метку в ДНК за счет P 32 , который включался в остатки фосфорной кислоты, одновременно метились белки фага за счет включения в них “S 35 ”. Такие меченные частицы фагов были использованы для заражения чистых клеток бактерии. Было обнаружено, что в клетки бактерии проникали только молекулы ДНК. Белок, представленный оболочкой фага, оставался в виде “теней” на поверхности клетки. Было получено доказательство, что за инфекционность фага и за передачу всей его генетической информации ответственны молекулы ДНК.

В некоторых случаях частицы вируса состоят из белка и РНК. Это касается хорошо известного растительного вируса табачной мозаики. Частицы этого вируса были разделены на 1 молекулу белка и 1 РНК. Боле того, оказалось возможным соединить белок из частиц одного штамма с РНК др. штамма. Синтетические гибридные частицы несли белок от штамма А и РНК-штамма В и наоборот. После заражения такими вирусами листьев табака в них происходило размножение только РНК, а дочерние вирусные частицы несли белок, идентичный белку тех вирусов, от которых была взята РНК. Опыты подтвердили, что носителем наследственной информации и материальной природой гена являются ДНК и РНК.

Центровая теория гена.

Исходя из того, что гены программируют синтез специфических белков, которые являются главными составными частями клетки, ген может быть определен как отрезок молекулы ДНК, который содержит информацию необходимую для создания специфической последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В этом случае ген выступает как кодирующая система. Он также способен к ауторепродукции и мутации. Принадлежность генов к одной серии множественных аллелей, каждый из которых возникает путем мутации в одном и том же локусе, доказывается генетическими опытами. Изучение аллелей помогло Т.Моргану создать основы теории гена. Согласно его теории: каждый ген представляет собой неразложимую корпоскулу наследственности- единицу функции, рекомбинации и мутации. Не проходящей заслугой Моргана является материализация понятия о гене, ибо он показал связь генов с определенным локусом хромосомы.

В наши дни проблема гена перешла на новый методологический и экспериментальный уровень. Главное состоит в том, что ген рассматривается ныне сам как система и как часть более сложной общей системы генотипа, участвующей в метаболизме клетки и организма.

Еще в 1928г. Н.П.Дубинин при изучении открытого им явления ступенчатого аллелизма у дрозофилы сформулировал идею о сложной структуре гена.

При исследовании мутаций scate и achaete у дрозафилы было показано, что их аллели частью совпадают по своим свойствам, а частью не совпадают. Это несовпадение доходит до того, что соединение двух аллелей в компаунде (генотип гетерозиготный по двум мутантным аллелям: безщетинковые- st и уменьшенные щетинки- ach) внешне приводило к потере аллелизма между двумя генами, которые безусловно при надлежали к одной и тот же серии аллелей. Анализ закономерностей мутагенеза и закономерности фенотипического проявления компуандов разных пар аллелей привел к созданию идеи дробимости гена на части и позволил линейно картировать части гена внутри общей системы гена в целом. Разработка идеи центровой теории гена привела к обоснованию трех следующих положений: 1. Ген дробим, он состоит из отдельных частей, расположенным в нем в линейном порядке, эти части могут независимо изменяться при мутациях. Т.О., ген не является единицей мутации. 2. Ген – не единица рекомбинации,ибо кроссинговер может происходить внутри сложного гена. 3. Ген- не единица функций, поскольку действие гена в целом обусловлено интеграцией функций его отдельных частей.

Важный шаг в анализе природы гена был сделан при изучении так называемого псевдоаллелизма, который во многом является дальнейшим развитием принципов, высказанных при исследовании ступенчатого аллелизма. Учение о псевдоаллелях было разработано Оливером, Грин, Люисом и др. Псевдоаллелями были названы гены, которые с одной стороны является истинным аллелями, а с другой стороны могут быть рекомбинированы при помощи кроссинговера. В наши дни существование псевдоаллелей показано у: дрозофилы, кукурузы, хлопчатника, нейроспоры аспергиллов, кишечной палочки, бактериофагов и др.

Одним из наиболее изученных случаев является псевдоаллелизм по гену lozenge (гладкие глаза, без фасеток) у дрозофилы, изученный Грином и Грин. Рекомбинационный анализ 18 аллелей гена “ lozenge “ показал, что здесь имеется три группы мутантов, которые рекомбинируются друг с другом. Эти мутации распадаются на три фенотипических класса по морфологическому и биохимическому эффекту. Однако представители этих классов встречаются в разных сублокусах : А, В и С. Разработка данных по псевдоаллелизму привела к постановке двух важнейших проблем в теории гена: ген оказался сложной системой как в отношении его функционирования, так и его мутабильности и способности к рекомбинации. Оказалось, что сложный ген имеет пространственную протяженность, ибо состоит из отдельных сублокусов.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. Считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из 4 видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

В 1854 Грегор Мендель начал серию экспериментов на семенах гороха, с целью установить закономерность наследственной передачи признаков. Он впервые предложил теорию о наличии факторов, которые передаются от родителей к потомкам. В результате экспериментов по скрещиванию он пришел к выводам, что определенные признаки передаются независимо, а также, что существуют доминантные и рецессивные признаки. Он разработал гипотезу, что существуют гомозиготные и гетерозиготные состояния, заложив фундамент для распознавания различия генотипа и фенотипа. Позже его открытия были сформулированы в законах Менделя.

1900 считается годом "переоткрытия" законов Менделя, когда ботаники Хуго де Фриз, Эрих Чермак и Карл Корренс поняли, что существует количественная закономерность наследования факторов, отвечающих за проявление признаков у потомков.

Термин "ген" был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. Очевидно, что это производное срок от слова генетика, который уже раньше, в 1905 году был предложенный Уильямом Бэтсоном с греческого genetikos. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, лишь в 1910 году работами Томаса Моргана была доказана связь между хромосомами и наследственностью.

Моргану также удалось построить первую генетическую карту. Тк под микроскопом уже наблюдали кроссинговер, то рассчитали, что чем ближе два гена расположены друг к другу, тем он реже. Стало возможным рассчитать расстояние между генами на хромосоме (морганиды).

В 1927 году работы Герман Мюллера по облучению дрозофил рентгеновским излучением показали количественную зависимость между дозой и мутагенным эффектом→ гены являются физическим объектам, на которые возможно воздействие извне. Термин мутация вошел в научный лексикон.

В 1928 году Фредерик Гриффит установил, что гены могут передаваться от одних организмов к другим. Живой невирулентных штамм Streptococcus pneumoniae при смешивании с убитым вирулентным штаммом приобретал вирулентных свойств. В 1944 году Освальдом Авери, Колином Маклеодом и Маклин Маккарти установлено, что вирулентный фактор находился в ДНК убитых бактерий, а процесс генетической информации названотрансформацией. Окончательно доказано, что ДНК носитель генетической информации.

В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем установили, что дефекты в обмене веществ связана с мутациями определенных генов. Сформулирована концепция ?один ген - один фенмент", которая позже уточнилась в "один ген - один полипептид".

В 1953 году Джеймс Ватсон и Фрэнсис Крик, основываясь на рентгенограммах, полученных Розалинд Франклин, открыли структуру ДНК. Сформулированная центральная догма молекулярной биологии.

В 1972 году Вальтер Фриз (Бельгия) опубликовал первую геномной последовательности гена, кодирующего белок оболочки бактериофага MS2 [1].

Современная формулировка гена - "дискретная участок геномной последовательности, соответствующей единицы наследственности и ассоциирована с регуляторными регионами, транскрибованих регионами и другими фунциональном геномными последовательностями".

У подавляющего большинства живых организмов гены закодированы в цепях ДНК. ДНК → полимер из 4 типов нуклеотидов, каждый из которых состоит из моносахарида класса пентоз (2'-дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований : аденина (А), цитозина(Ц), гуанина (Г) и тимина (Т).

Наиболее распространенной формой ДНК в клетке является структура в форме правой двойной спирали из двух отдельных нитей ДНК. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности : аденин соединяется только с тимином (два водородных связи), гуанин - только с цитозином (три водородных связи).

Благодаря химическим особенностям связи между пентозном остатками нуклеотидов, ДНК имеют полярность. Один конец ДНК-полимера заканчивается 3-гидроксильной (3-ОН) группой дезоксирибозы и называется 3 '(три-прайм), а другой - 5-фосфатной группой (5-РО3) и называется 5 "(пять-прайм). Полярность цепочки играет важную роль в клеточных процессах. Например, при синтезе ДНК удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 'конца.

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которой вследствие транскрипции считывается одноцепная РНК -копия.

2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор и энхансеры.

Типовому гена эукариотпредшествует регуляторная ДНК участок - промотор, к которому присоединяются энзим РНК-полимераза и факторы транскрипции и обеспечивают процесс транскрипции. Типичный транскрипт гена (пре-мРНК) содержит некодирующие участки интроны, которые вырезаются при сплайсинга, а Экзоны сшиваются друг с другом в зрелуюмРНК.

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которой вследствие транскрипции считывается одноцепная РНК -копия.

2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор и энхансеры.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства.

Ген – это сложная динамическая система нуклеотидных последовательностей ДНК, принимающих участие в формировании признаков клетки и организма в целом.

Основные положения системной концепции гена:

Ген – это сложные системное образование. Оно включает структурно-функциональные и регуляторные участки.

Ген не автономен, а является частью генетической структуры клетки, которая образована хромосомами, РНК, плазмогенами.

Ген тесно связан с другими структурами клетки и организма (эндокринной, нервной, мембраной и т.д.).

Термин "ген" был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, лишь в 1910 году работами Томаса Моргана была доказана связь между хромосомами и наследственностью. (Моргану также удалось построить первую генетическую карту. Тк под микроскопом уже наблюдали кроссинговер, то рассчитали, что чем ближе два гена расположены друг к другу, тем он реже. Стало возможным рассчитать расстояние между генами на хромосоме (морганиды).)

Идея доклада Кольцова такова: наследственность передается молекулами, которых не так много, но эти молекулы – длинные полимерные нити, отдельные участки которых (мономеры) и определяют конкретные наследственные признаки. Итак, было сделано гениальное открытие в молекулярной биологии XX в.: наследственная информация передается на молекулярном уровне и воспроизводится матричным способом. ( известна сейчас как репликация – процесс синтеза дочерней молекулы на матрице родительской.)

А.С.Серебровский и Н.П.Дубинин в 1928 году впервые продемонстрировали сложную организацию гена.

В 1928 г. в лаборатории А.С. Серебровского в Биологическом институте им. К.А. Тимирязева Н.П. Дубинин начал исследовать действие рентгеновых лучей на дрозофил и обнаружил необычную мутацию. Образование щетинок на теле мухи контролируется особым геном scute . Мутация гена scute , впервые обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в экспериментах, и при её появлении подавлялось развитие девяти щетинок. Выявленная Дубининым мутация, подавляла развитие всего четырех щетинок. После дальнейших экспериментов стало ясно, что ген не является неделимой генетической структурой, представляет собой область хромосомы, отдельные участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление Серебровским ступенчатым аллеломорфизмом. Показав мутационную дробимость гена, Серебровский и другие сотрудники его лаборатории, тем не менее, долгое время не могли подтвердить дробимость гена при помощи кроссинговера. Чтобы обнаружить разрыв гена, требовалось проверить огромное число мух. Организовать такой эксперимент удалось только в 1938 г., когда Дубинин, Н.Н. Соколов и Г.Г. Тиняков смогли разорвать ген scute и проверить свой результат цитологически на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы.

Хотя окончательное решение вопроса, делим ли ген не только мутационно, но и механически, и не было достигнуто в работах русских ученых, они внесли существенный вклад в доказательство делимости гена, что повлекло за собой переход к генетическим исследованиям на микроорганизмах, а значит и переход генетики на молекулярный уровень исследований.

В конце 50-х годов Бензер предполагал, что ген одновременно является целостной и дискретной единицей. При выполнении основной функции - программировании синтеза белка - ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает изменение структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал цистроном. По величине он примерно равен гену. Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа мутоном, а единица рекомбинации - реконом. Минимальные размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются сайт. Таким образом, сайт - это структурная единица гена. Кодон – функциональная единица гена.

Исследованиями С. Бензера структуры генов фага Т4 кишечной палочки было доказано, что ген дискретен. Ген может быть разделен кроссинговером на множество частей.

Морис Уилкинс (1916- 2004 г.) Нобелевская премия 1962 г. совместно с Дж. Уотсоном и Ф. Криком М. Уилкинс известен своими работами по рентгеноструктурному анализу ДНК В начале 1950-х гг. приступил к работе в Лондонском университете вместе с Р. Франклин. К этому времени уже было известно, что нуклеиновые кислоты существуют в двух формах: ДНК и РНК. М. Уилкинс изготавливал лучшие в мире препараты ДНК и работал не спешно, считая, что никто его обогнать не сможет! Р. Франклин получала лучшие в мире рентгенограммы ДНК и тоже никуда не торопилась, стремясь к еще большему! Анализ полученных рентгенограмм показал, что молекула ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающую винтовую лестницу. М. Уилкинс поделился данными с Ф. Криком и Дж. Уотсоном, двумя исследователями из Кавендишской лаборатории Кембриджского Университета, которые пытались определить структуру ДНК. публицисту Эрвину Чаргаффу принадлежат слова : "Уровень развития государства определяется тремя составляющими : отношением к деревьям, отношением к детям, отношением к родному языку." Правила Чаргаффа, наряду с данными рентгеноструктурного анализа, сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком.

В 1952 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик стали работать над моделированием структуры ДНК. Используя правила Чаргаффа, рентгенограммы Р. Франклин и М. Уилкинса, они построили двухспиральную модель ДНК.

Современное представление о строении и функции гена формировалось в русле нового направления, которое Дж.Уотсон назвал молекулярной биологией гена (1978)

Важным этапом в изучении структурно – функциональной организации гена были работы С. Бензера в конце 1950-хх годов. Они доказали, что ген представляет собой нуклеотидную последовательность, которая может изменятся в результате рекомбинаций и мутаций. Единицу рекомбинации С.Бензер назвал реконом, а еденицу мутации – мутоном. Экспериментально установлено, что мутон и рекон соответствуют одной паре нуклеотидов. Единицу генетической функции С. Бензер назвал цистроном.

В последние годы стало известно, что ген имеет сложное внутренее строение, а отдельные его части обладают разными функциями. В гене можно выделить последовательность нуклеотидов гена, которая определяет строение полипептида. Эта последовательность называется цистроном.

Цистрон – это последовательность нуклеотидов ДНК, которая определяет отдельную генетическую функцию полипептидной цепи. Ген может быть представлен одним или несколькими цистронами. Сложные гены содержащие в себе несколько цистронов называются полицистронными.

Дальнейшее развитие теории гена связано с выявлением различий в организации генетического материала у организмов далеких друг от друга в таксономическом отношении, которыми являются про- и эукариоты.

Структура генов прокариот

У прокариот, типичными представителями которых являются бактерии, большинство генов представлены непрерывными информативными участками ДНК, вся информация которых используется при синтезе полипептида. У бактерий гены занимают 80-90% ДНК. Главная особенность генов прокариот – это их объединение в группы или опероны.

Оперон – это группа следующих подряд структурных генов, находящихся под контролем одного регуляторного участка ДНК. Все сцепленые гены оперона кодируют ферменты одного метаболического пути (например, расщепление лактозы). Такая общая молекула иРНК называется полицистронной. Только некоторые гены прокариот транскрибируются индивидуально. Их РНК называется моноцистронной.

Организация по типу оперона позволяет бактериям быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой. Бактерии не синтезируют ферменты определенного метаболического пути в отсутствии необходимого субстрата, но способны начать их синтезировать при появлении субстрата.

Структура генов эукариот

Большинство генов эукариот (в отличии от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирующие структуру полипептида участки – экзоны, но и некодирующие – интроны. Интроны и экзоны чередуются между собой, что придает гену прерывистую (мозаичную) структуру. Количество интронов в генах варьиирует от 2-х до десятков. Роль интронов до конца неясна. Полагают, что они учавствуют в процессах рекомбинации генетического материала, а также в процессах регуляции экспресии (реализации генетической информации) гена.

Рис 8.1. Структура эукариотического гена

1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области.

Промотор – участок ДНК для связывания с РНК – полимеразой и образование комплекса ДНК-РНК полимеразы для запуска синтеза РНК.

Энхансеры - усилители транскрипции.

Сайленсеры – ослабители транскрипции.

В настоящее время ген (цистрон) рассматривается как функционально неделимая единица наследственного мастерства, определяющая развитие какого – либо признака или свойства организма. С позиции молекулярной генетики ген представляет собой участок ДНК (у некоторых вирусов РНК), который несет информацию о первичной структуре полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК.

Структура генов вирусов

Вирусы имеют структуру гена, отражающую генетическую структуру клетки - хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в опероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот имеют интроны.

Понятие о гене.
Эффект положения гена в хромосоме.
Один ген – один фермент.
Делимость гена.

Структура генов прокариот

Структура генов эукариот

Рис 8.1. Структура эукариотического гена

Энхансеры - усилители транскрипции.

Сайленсеры – ослабители транскрипции.

Структура генов вирусов

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Читайте также: