kub
Островок  здоровья

----
  
записная книжка врача акушера-гинеколога Маркун Татьяны Андреевны
----
 
 
 

Ген и его свойства

Ген как единица функционирования наследственного материала

Понятие "ген" возникло задолго до возникновения науки, его изучающей. Чешский естествоиспытатель, основатель современной генетики, Гргеор Мендель в 1865 г. анализируя опыты по скрещиванию гороха, пришел к выводу, что наследование признаков осуществляется дискретными частицами, которые он называл "зачатками" или наследственными "факторами". В 1868 году Чарльз Дарвин предложил "временную гипотезу" пангенеза, согласно которой все клетки организма отделяют от себя особые частицы, или геммулы, а из них, в свою очередь, образуются половые клетки.

Затем Гуго де Фриз в 1889 году, спустя 20 лет после Ч. Дарвина, выдвинул свою гипотезу внутриклеточного пангенеза и ввел термин "панген" для обозначения имеющихся в клетках материальных частиц, которые отвечают за вполне конкретные отдельные наследственные свойства, характерные для данного вида. Геммулы Ч. Дарвина представляли ткани и органы, пангены де Фриза соответствовали наследственным признакам внутри вида.

В 1906 г. английским ученым У. Бетсоном было введено название науки - "генетика", а спустя три года, в 1909 г. , датский ученый В. Иогансен счёл удобным пользоваться только второй частью термина Гуго де Фриза "ген" и заменить им неопределенное понятие "зачатка", "детерминанта", "наследственного фактора". При этом В. Иогансен подчеркивал, что "этот термин совершенно не связан ни с какими гипотезами и имеет преимущество вследствие своей краткости и легкости, с которой его можно комбинировать с другими обозначениями". Он сразу же образовал ключевое производное понятие "генотип" для обозначения наследственной конституции гамет и зигот в противоположность фенотипу. Таким образом в генетику вошло понятие гена как элементарной единицы наследственности. В дальнейшем оно постоянно уточнялось благодаря многочисленным открытиям: была доказана локализация генов в хромосомах; выяснилось, что гены изменяются в результате мутаций; было разработано понятие об аллелях и их локализации в соответствующих локусах гомологичных хромосом. Во всех генетических исследованиях ген становится общепризнанной единицей наследственности.

Среди генетиков было всеобщим убеждение в неделимости гена. Они представляли себе ген как единое целое, как последнюю элементарную единицу наследственности. Но уже в начале 30-х годов возникло сомнение в том, что ген неделим. Первым сигналом в этом отношении положило открытие множественных аллелей, или серии множественных аллелей. Получилось так, что единый ген может изменяться, давая целый ряд мутаций, связанных с изменениями определенного признака.

У некоторых организмов, и прежде всего у дрозофилы, были открыты серии множественных аллелей, содержащих десятки разнообразных мутаций, а у рогатого скота обнаружена серия аллелей, включающая до 80 мутаций, т. е. в результате мутаций возникло 80 разных состояний одного локуса.

С начала 30-х годов начался новый этап в изучении гена. Разработкой его строения была занята лаборатория А. С. Серебровского. Работы А. С. Серебровского, затем Н. П. Дубинина показали, что ген имеет значительно более сложное строение, чем предполагали раньше.

Работы велись по изучению гена scute, локализованного в половой хромосоме дрозофилы. Этот ген определяет развитие щетинок на теле мухи. Различные аллельные мутации гена касались недоразвития щетинок на тех или иных определенных участках тела дрозофилы и различной степени редукции щетинок. При генетическом анализе этих мутаций, скрещивании их друг с другом выяснилось, что в гетерозиготе они ведут себя частично как аллельные гены, а частично как мутации независимых локусов хромосом. Таким образом, ген оказался сложной системой, в которой мутации ведут к изменению лишь отдельных его частей.

Название "множественные аллели" было заменено более удачным "ступенчатые аллели" и была сформулирована гипотеза о сложном строении гена. Ген в целом назван "базигеном", а мутировавшие аллели "трансгенами".

Дальнейшее развитие учения о строении гена связано с переходом методов генетических исследований с хромосомного на молекулярный уровень. Большое значение при этом имело использование в работах генетиков до того времени мало изученных микроорганизмов: бактерий и даже неклеточных форм - вирусов. Особенно большое значение в этих работах имели исследования бактериофагов из группы "Т", заражающих кишечную палочку.

В изучении природы гена особенно большое значение имели работы Бензера и ряда других исследователей, проведенные на бактериофагах и других объектах. В результате своих работ Бензер ввел три новых понятия:

  1. Ранее считали, что кроссинговер может происходить только между генами и, таким образом, ген - это элементарная единица генетической рекомбинации. Однако доказано, что рекомбинации происходят и внутри гена. Наименьшая единица рекомбинации названа реконом.
  2. Ранее считали ген единицей мутации. Однако было обнаружено, что изменения отдельных участков внутри сложного гена приводят к изменению его функции. Мельчайшая единица, способная к изменению, была названа мутоном.
  3. Ген считали единицей функции. Многочисленные исследования показали, что функция гена может изменяться в зависимости от того, расположены ли два мутантных аллеля сложного гена в одной хромосоме, а их нормальные аллели в гомологичной (цис-положение), или мутантные аллели расположены в двух гомологичных хромосомах (трансположение). Единицу функции предложено называть цистроном.

Параллельная работа биохимиков и генетиков показала, что наименьшая величина рекона и мутона близка к величине одного или нескольких нуклеотидов. Цистрон же гомологичен участку ДНК, "кодирующему" синтез определенного полипептида, и содержит тысячу и более нуклеотидов.

Функционально-генетическая классификация генов

Существует несколько классификаций генов (аллельные и неаллельные, летальные и полулетальные гены и др.). Характеристики гена как единицы функции наследственного материала и системный принцип организации генотипа отражены в функционально-генетической классификации наследственных задатков

Гены
I. Структурные:
а) кодирующие аминокислотные последовательности структурных (коллаген) и ферментативных белков;
б) кодирующие аминокислотные последовательности белков, функционирующих во всех клетках (например, рибосомных, гистонов);
в) кодирующие последовательность нуклеотидов в молекулах рРНК и тРНК
II. Модуляторы:
а) ингибиторы или супрессоры (см. "эффект положения" или эпистаз) ;
б) интенсификаторы (например, гены-мутаторы, повышающие частоту мутаций у соответствующей особи);
в) модификаторы (см. комплементарные гены).
III. Регуляторы

Структурными называются гены, контролирующие развитие конкретных признаков. Продуктом первичной активности гена является либо иРНК и далее полипептид, либо рРНК и тРНК. Таким образом, структурные гены содержат информацию об аминокислотных или нуклеотидных последовательностях макромолекул. Структурные гены трех подгрупп, приведенных в классификации, отличаются степенью плейотропного действия, причем выраженная плейотропия отличает гены второй и третьей подгрупп, которые активно функционируют во всех клетках. При их мутациях наблюдаются разнообразные и обширные нарушения развития организма. Неслучайно поэтому эти гены представлены в генотипе в количестве нескольких десятков копий и образованы среднеповторяющимися последовательностями ДНК.

Гены-модуляторы смещают в ту или иную сторону процесс развития признака или другие генетические явления, например частоту мутирования структурных генов. Часть структурных генов выполняет одновременно и роль модуляторов (см. пример "эффекта положения"). Другие гены-модуляторы, по-видимому, лишены каких-либо иных генетических функций. Появление таких генов в эволюции имело большое значение. Благодаря плейотропному действию многие структурные гены, наряду с благоприятным и необходимым для нормального развития организма действием, оказывают и нежелательные эффекты, которые снижают жизнеспособность особи. Неблагоприятное действие их ослабляется генами-модуляторами.

К регуляторным относятся гены, координирующие активность структурных генов, контролирующие время включения различных локусов в процессе индивидуального развития в зависимости от типа клеток многоклеточного организма, а также от состояния среды.

Молекулярно-биологические представления о строении и функционировании генов

Идеи молекулярной биологии к настоящему времени проникли во все отрасли науки о жизни и определили главные тенденции развития теоретической, экспериментальной и прикладной биологии. Молекулярная биология складывалась в ходе исследований физико-химических свойств и биологической роли нуклеиновых кислот и белков. Основы ее были заложены работами по генетике вирусов и фагов, химической природе наследственного материала, механизму биосинтеза белка, биологическому коду, закономерностям ультраструктурной организации клетки. В связи с этим молекулярную биологию можно определить как область изучения закономерностей структуры и изменений информационных макромолекул и участия их в фундаментальных процессах жизнедеятельности.

В области генетики молекулярная биология вскрыла химическую природу вещества наследственности, показала физикохимические предпосылки хранения в клетке информации и точного копирования ее для передачи в ряде поколений. ДНК большинства биологических объектов (от млекопитающих до бактериофага) содержит равные количества нуклеотидов с пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (тимин, цитозин) азотистыми основаниями. Это означает, что объединение молекул ДНК в двойную спираль осуществляется закономерно, в соответствии с принципом комплементарности - адениловый нуклеотид связывается с тимидиловым нуклеотидом, а гуаниловый с цитидиловым (рис. 53). Такая конструкция делает возможным полуконсервативный способ редупликации ДНК. Вместе с тем вдоль биспирали ДНК пары А - Т и Г - Ц располагаются случайным образом - А + Т ≠ Г + Ц. Следовательно, путем независимого комбинирования нуклеотидов, различающихся по азотистому основанию, по длине молекул ДНК удается записать разнообразную информацию, объем которой пропорционален количеству нуклеиновой кислоты в клетке.

Согласно молекулярно-биологическим представлениям ген как единица функционирования наследственного материала характеризуется сложным строением. Многие детали тонкой структуры гена остаются неизвестными. Вместе с тем успехи современной науки в этой области достаточно велики, чтобы можно было нарисовать принципиальную модель функционирующего гена.

Функциональная активность гена заключается в синтезе на молекуле ДНК молекул РНК или транскрипции (переписывании) биологической информации с целью ее использования для образования белка. Единицы транскрипции (транскриптоны) превышают по размерам структурные гены (рис. 54). Согласно одной из моделей транскиптона в клетках эукариот он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной зоны. Последняя образована структурными генами (цистронами), которые разделены вставками ДНК - спейсерами, не несущими информации об аминокислотных последовательностях белков. Неинформативная зона начинается геном-промотором (р), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, катализирующая реакцию ДНК-зависимого образования рибонуклеиновых кислот. Далее следуют акцепторные гены или гены-операторы (α1, α2 и т. д.), связывающие регуляторные белки (r1, r2 ит. д.), изменения которых "открывают" ДНК структурных генов (s1, s2 и т. д.) для считывания информации. На транскриптоне синтезируется одна большая молекула РНК. Благодаря процессингу неинформативная ее часть разрушается, а информативная расщепляется на фрагменты, соответствующие отдельным структурным генам. Эти фрагменты в виде иРНК для синтеза конкретных полипептидов транспортируются в цитоплазму. Согласно приведенной модели в транскрипте находится несколько структурных генов. Группа этих генов образует функциональный блок и называется опероном. Функциональное единство оперонов зависит от наличия генов-операторов, которые воспринимают сигналы из метаболического аппарата цитоплазмы и активируют структурные гены.

Природа сигналов, регулирующих функцию генов, изучена у прокариот. Это белки, синтез которых контролируется особыми генами-регуляторами, действующими на гены-операторы. Активация структурных генов посредством генов-регуляторов и операторов представлена на схеме (рис. 55). В обычных условиях ген-регулятор активен и в клетке протекает синтез белка-репрессора, который связывается с геном-оператором и блокирует его. Это выключает из функции весь оперон.

Включение оперона происходит, если в цитоплазму проникают молекулы субстрата, для переваривания которого требуется возобновление синтеза соответствующего фермента. Субстрат присоединяется к репрессору и лишает его способности блокировать ген-оператор. В этом случае информация со структурного гена считывается и требуемый фермент образуется. В описанном примере субстрат играет роль индуктора (побудителя) синтеза "своего" фермента. Последний запускает биохимическую реакцию, в которой используется данный субстрат. По мере снижения его концентрации освобождаются молекулы репрессора, которые блокируют активность гена-оператора, что приводит к выключению оперона. У бактерий описана система регуляции, переводящая активные структурные гены в неактивное состояние в зависимости от концентрации в цитоплазме конечного продукта определенной биохимической реакции (рис. 56). При этом под генетическим контролем гена-регулятора образуется неактивная форма репрессора гена-оператора. Репрессор активируется в результате взаимодействия с конечным продуктом данной биохимической реакции и, блокируя ген-оператор, выключает соответствующий оперон. Синтез фермента, катализирующего образование вещества, активирующего репрессор, прекращается. Описанные системы регуляции функции структурных генов носят приспособительный характер. В первом примере синтез фермента запускается поступлением в клетку субстрата соответствующей реакции, во втором - образование фермента прекращается, как только исчезает потребность в синтезе определенного вещества.

Принципы регуляции генной активности у эукариот, по-видимому, сходны с таковыми у бактерий. Вместе с тем появление ядерной оболочки, усложнение генных взаимодействий в условиях диплоидности, необходимость тонкой корреляции генетических функций отдельных клеток многоклеточного организма повлекли за собой при переходе к эукариотическому типу клеточной организации усложнение регуляторно-генетических механизмов, генетико-биохимические и кибернетические основы которых во многом еще не выяснены. Можно предположить также, что в эволюции увеличилось число генов-операторов. Индукторами транскрипции многих структурных генов эукариот служат гормоны. Предполагается наличие генов-интеграторов, включающих в ответ на стимул одновременно "батареи генов". Генетическая система высших организмов отличается, по-видимому, большой гибкостью реакций на действие негенетических факторов. В подтверждение этого допущения рассмотрим ряд факторов. Так, некоторые структурные гены животных не являются непрерывными последовательностями кодонов, а составлены из фрагментов, которые прерываются неинформативными участками ДНК. Ген Р-полипептида гемоглобина мыши, например, прерывается вставкой из 550 пар нуклеотидов. Соответствующий этой вставке участок отсутствует в зрелой глобиновой иРНК, что говорит о его разрушении в ходе процессинга первичной транскрибированной РНК с воссоединением информационных фрагментов иРНК. Информационные участки таких генов получили название экзонов, "молчащие" - интронов, а процесс воссоединения информационных фрагментов иРНК - сплайсинга (сплавления). Количество ДНК в области нитронов в 5-10 раз выше, чем в области экзонов. Предполагается, что сплайсинг служит механизмом образования некоторых генов в момент их функциональной активности, т. е. на 1 уровне иРНК.

Известны также "блуждающие" структурные гены, положение которых в хромосоме меняется в зависимости от фазы жизненного цикла. Так, "тяжелые" и "легкие" полипептиды иммуноглобулинов состоят из константного (С) и вариабельного (Y) участков, синтез которых контролируется сцепленными, но разными генами. В зрелых плазматических клетках эти гены разделены нетранскрибируемой вставкой длиной в 1000 пар нуклеотидов. В клетках эмбрионов названная вставка во много раз длиннее. Таким образом в процессе клеточной дифференцировки изменяется взаиморасположение генов. Исследование механизмов регуляции генной активности и генных взаимодействий у эукариот представляет важнейшую область современной молекулярной биологии и генетики.

Свойства гена

Ген как единица функционирования наследственного материала имеет ряд свойств.

  1. Специфичность - уникальная последовательность нуклеотидов для каждого структурного гена, т.е. каждый ген кодирует свой признак;
  2. Целостность - как функциональная единица (программирование синтеза белка) ген неделим;
  3. Дискретность - в составе гена имеются субъединицы: мутон - субъединица, отвечающая за мутацию, рекон - отвечает за рекомбинаци. Минимальная их величина - пара нуклеотидов;
  4. Стабильность - ген, как дискретная единица наследственности отличается стабильностью (постоянством) - при отсутствии мутации он передается в ряду поколений в неизменном виде. Частота самопроизвольной мутации одного гена составляет примерно 1·10-5 на поколение.
  5. Лабильность - устойчивость генов не абсолютная, они могут изменяться, мутировать;
  6. Плейотропия - множественный эффект отдельного гена (один ген отвечает за несколько признаков);

    Примером плейотропного эффекта гена у человека служит синдром Марфана. Хотя это наследственное заболевание зависит от присутствия в генотипе одного измененного гена, оно характеризуется в типичных случаях триадой признаков: подвывихом хрусталика глаза, аневризмой аорты, изменениями опорно-двигательного аппарата в виде "паучьих пальцев", деформированной грудной клеткой, высоким сводом стопы. Все перечисленные признаки являются сложными. По-видимому, в основе их лежит один и тот же дефект развития соединительной ткани.

    Так как продуктом функции гена наиболее часто является белок-фермент, выраженность плейотропного эффекта зависит от распространенности в организме биохимической реакции, которую катализирует фермент, синтезируемый под генетическим контролем данного гена. Распространенность поражений в организме в случае наследственного заболевания тем больше, чем выраженнее плейотропный эффект измененного гена.

Ген, имеющийся в генотипе в необходимом для проявления количестве (1 аллель для доминантных признаков и 2 аллеля для рецессивных), может проявляться в виде признака в разной степени у разных организмов (экспрессивность) или вообще не проявляться (пенетрантность). Экспрессивность и пенетрантность определяются факторами среды (воздействием условий окружающей среды - модификационной изменчивостью) и влиянием других генов генотипа (комбинативная изменчивость).

  1. Экспрессивность - степень выраженности гена в признаке или степень фенотипического проявления гена.

    Например, аллели групп крови АВ0 у человека имеют постоянную экспрессивность (всегда проявляются на 100%), а аллели, определяющие окраску глаз, – изменчивую экспрессивность. Рецессивная мутация, уменьшающая число фасеток глаза у дрозофилы, у разных особей по разному уменьшает число фасеток вплоть до полного их отсутствия.

  2. Пенетрантность - частота фенотипического проявления признака при наличии соответствующего гена (отношение (в процентах) числа особей, имеющих данный признак, к числу особей, имеющих данный ген);

    Например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, т.е. болезнью страдает только 1/4 рецессивных гомозигот. Медико-генетическое значение пенетрантности: здоровый человек, у которого один из родителей страдает заболеванием с неполной пенетрантностью, может иметь непроявляющийся мутантный ген и передать его детям.




 
 

Куда пойти учиться



 

Виртуальные консультации

На нашем форуме вы можете задать вопросы о проблемах своего здоровья, получить поддержку и бесплатную профессиональную рекомендацию специалиста, найти новых знакомых и поговорить на волнующие вас темы. Это позволит вам сделать собственный выбор на основании полученных фактов.

Медицинский форум КОМПАС ЗДОРОВЬЯ

Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья.

Подробнее см. Правила форума  

Последние сообщения



Реальные консультации


Реальный консультативный прием ограничен.

Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам.

Заметки на полях


навязывание услуг компании Билайн, воровство компании Билайн

Нажми на картинку -
узнай подробности!

Новости сайта

Ссылки на внешние страницы

20.05.12

Уважаемые пользователи!

Просьба сообщать о неработающих ссылках на внешние страницы, включая ссылки, не выводящие прямо на нужный материал, запрашивающие оплату, требующие личные данные и т.д. Для оперативности вы можете сделать это через форму отзыва, размещенную на каждой странице.
Ссылки будут заменены на рабочие или удалены.

Тема от 05.09.08 актуальна!

Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме

05.09.08
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция.

Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме

25.04.08
Уведомления об изменениях на сайте можно получить через раздел форума "Компас здоровья" - Библиотека сайта "Островок здоровья"

Островок здоровья

 
----
Чтобы сообщить об ошибке на данной странице, выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта.
----
 
Информация, представленная на данном сайте, предназначена исключительно для образовательных и научных целей,
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача.
Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта
Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал.
© 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом.



 
----