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Ген — участок дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащий информацию для синтеза одной молекулы рибонуклеиновой кислоты. В процессе реализации генетической информации закодированной в гене (транскрипция), производится запись последовательности нуклеотидов РНК в виде негативной копии последовательности нуклеотидов ДНК.
Существуют различные типы РНК, но одной из самых известных являетеся мРНК, которая учавствуя в процессе трансляции, является матрицой для синтеза белков. Белки же определяют биохимию, физиологию и анатомию организма. В свою очередь активность каждого гена в клетке регулируется специальными механизмами что выражется в экспрессии генов.
В общем случае ген рассматривают в качестве наследственного фактора, поскольку он является единицей наследственной информации передаваемой при разможении организма потомству.
Исследованием строения и функций генов, а так же механизмами передачи наследственной информации занимается наука генетика, а исследованием совокупности всех генов одного организма (генома) занимается геномика.
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[править] История
В 1854 году австрийский священник Грегор Мендель занялся изучением закономерностей наследования признаков гороха. Результатом данных работ стало предположение о существовании некотрорых факторов, которые передаются от родительских особей к потомкам. В результате своих эксперементов по скрещиванию гороха, Мендель заметил независимсть наследования признаков друг от друга, а так же взаимосвязь различных вариантов одного и того же признака выражающихся в доминировании одного варианта над другим. Менделем была выдвинута гипотеза о гомо- и гетерозиготах, и тем самым заложены основы для различения генотипа и фенотипа особей.
1900 gilt als das Jahr der „Wiederentdeckung“ der Mendelschen Regeln, da die Botaniker Hugo de Vries, Erich Tschermak und Carl Correns aufgriffen, dass es quantifizierbare Regeln gibt, nach denen die Faktoren, die für die Ausprägung von Merkmalen verantwortlich waren, an die Nachkommen weitergegeben werden. Correns prägte dabei den Begriff Anlage bzw. Erbanlage. William Bateson erinnerte 1902 in Mendel's Principles of Heredity daran, dass es zwei Varianten der Erbfaktoren in jeder Zelle gibt. Er nannte das zweite Element Allelomorph nach dem griechischen Wort für "Andere" und prägte damit den Begriff des Allels. Archibald Garrod, ein britischer Arzt, hatte sich mit Stoffwechselerkrankungen beschäftigt und stellte fest, dass diese in Familien vererbt wurden. Er erkannte, dass die Gesetze also auch bei Menschen gültig waren und vermutete, die Erbanlagen seien die Basis für die Chemische Individualität von Menschen.
August Weismann stellte in seinen Vorträgen zur Deszendenztheorie 1904 die Entdeckung vor, dass es einen Unterschied zwischen Körperzellen und Keimzellen gibt, und dass nur letztere in der Lage sind, neue Organismen hervorzubringen. Keimzellen sollten eine „Vererbungssubstanz“ enthalten, die sich aus einzelnen Elementen zusammensetzten, die er Determinanten nannte. Diese Determinanten sollten für die sichtbare Ausprägung beispielsweise der Gliedmaßen verantwortlich sein.
Der Name „Gen“ wurde erst 1909 von dem Dänen Wilhelm Johannsen geprägt. Er benannte die Objekte, mit denen sich die Vererbungslehre beschäftigt, nach dem griechischen Wort genos (Geschlecht). Für ihn waren sie jedoch nur eine Rechnungseinheit. Bereits drei Jahre zuvor hatte William Bateson die Wissenschaft von der Vererbung als Genetik bezeichnet, nach dem griechischen Wort genetikos (Hervorbringung). Zu diesem Zeitpunkt war die chemische Natur der Gene noch vollkommen unklar. In den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts nahmen sich die Genetiker nach verschiedenen Pflanzen auch Insekten und später Vögel vor, um die Vererbungsgesetze zu testen. In Kombination mit den 1842 entdeckten und 1888 benannten Chromosomen entstand so die Chromosomentheorie der Vererbung. Es war durch verbesserte Färbetechniken beobachtet worden, dass sich Chromosomen erst verdoppeln und sich dann mit den Zellen teilen. Daher waren sie als Träger der Erbanlagen in Frage gekommen. Während dieser Zeit herrschte eine Kontroverse zwischen den Vertretern der Hypothese von Johannsen und Mendel, dass Gene etwas Materielles sind, und deren Kritikern, die eine Verbindung von Genen und Chromosmen als „Physikalismus“ und „Mendelismus“ abtaten und Gene weiterhin als abstrakte Einheiten betrachteten.
Thomas Hunt Morgan war ebenfalls überzeugt, dass es nicht physikalische Einheiten sein konnten, die für die verschiedenen Merkmale verantwortlich waren, und versuchte, den Mendelismus zu widerlegen. Er begann 1910 mit Kreuzungsversuchen an Schwarzbäuchigen Taufliegen. Seine Arbeiten erbrachten jedoch das Gegenteil: Den endgültigen Beweis, dass Gene auf Chromosomen liegen. Zusammen mit seinen Mitarbeitern, darunter Calvin Bridges, Alfred Sturtevant und Hermann Muller fand er viele natürliche Mutationen und untersuchte in unzähligen Kreuzungen die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Merkmale gemeinsam vererbt werden. Sie konnten so zeigen, dass Gene an bestimmten Stellen auf den Chromosomen liegen und hintereinander aufgereiht sind. Gemeinsam erstelle die Gruppe in jahrelanger Arbeit die erste Genkarte. Da unter dem Mikroskop auch das Crossing over beobachtet werde konnte, war bekannt, dass Chromosomen Abschnitte austauschen können. Je näher zwei Gene auf dem Chromosom beieinander liegen, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass sie gemeinsam vererbt und nicht durch ein Crossing over-Ereignis getrennt werden. Dadurch konnten Angaben über die Entfernung zweier Gene gemacht werden, die nach Morgan in centiMorgan angegeben werden.
Hermann Muller begann einige Zeit später, mit Röntgenstrahlen zu experimentieren und konnte zeigen, dass die Bestrahlung von Fliegen deren Mutationsrate stark erhöht. Diese Erkenntnis aus dem Jahr 1927 war eine Sensation, da dadurch zum ersten Mal tatsächlich gezeigt wurde, dass Gene physikalische Objekte sind, die sich von außerhalb beeinflussen lassen.
1928 wies Frederick Griffith in dem als „Griffiths Experiment“ bekannt gewordenen Versuch zum ersten mal nach, dass Gene von Organismen auf andere übertragen werden können. Der von ihm nachgewiesene Vorgang war die Transformation. 1941 zeigten George Wells Beadle und Edward Lawrie Tatum, dass Mutationen in Genen für Defekte in Stoffwechselwegen verantwortlich sind, was zeigte, dass spezifische Gene spezifische Proteine kodieren. Diese Erkenntnisse führten zur „Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese“. Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty zeigten 1944, dass die DNA die genetische Information enthält. 1953 wurde die Struktur der DNA von James D. Watson and Francis Crick, basierend auf den Arbeiten von Rosalind Franklin, entschlüsselt. 1969 gelang Jonathan Beckwith als erstem die Isolierung eines einzelnen Gens.
Die Definition, was ein Gen genau ist, hat sich ständig verändert und wurde an neue Erkenntnisse angepasst. Für den Versuch einer aktuellen Definition benötigten 25 Wissenschaftler des Sequence Ontology Consortiums der Universität Berkeley zwei Tage, bis sie eine Version erreichten, mit der alle leben konnten. Ein Gen ist demnach a locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed Regions and/or other functional sequence regions (eine lokalisierbare Region genomischer DNA-Sequenz, die einer Erbeinheit entspricht und mit regulatorischen, transkribierten und/oder funktionellen Sequenzregionen assoziiert ist). [1]
[править] Строение
На молекулярном уровне ген состоит из двух различных областей:
- Участков ДНК, копия закодированной информации которых, в следствии транскрипции записывается в форме РНК.
- Дополннительных участков ДНК, принимающих участие в регуляции процесса копирования.
Существуют различные особенности в строении генов различных живых организмов.
In der Zeichnung wird der Aufbau eines typischen eukaryotischen Gens dargestellt, das ein Protein kodiert. Der transkribierte Genteil (prä-mRNA) enthält in diesem Fall sechs Bereiche, die Introns, die während des Reifeprozesses (Prozessierung) aus der RNA entfernt werden und sieben Exons, die miteinander verknüpft die reife mRNA bilden.
Vor der Transkriptionseinheit oder auch innerhalb der Exons und Introns liegen regulatorische Elemente wie zum Beispiel Enhancer oder Promotoren. An diese binden abhängig von der Sequenz verschiedene Proteine, wie beispielsweise die Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase. Die prä-mRNA (nicht reife mRNA), die im Zellkern bei der Transkription zunächst entsteht, wird in dem Reifungsprozess zur reifen mRNA modifiziert. Die mRNA enthält neben dem direkt proteincodierenden Offenen Leserahmen noch untranslatierte, also nichtkodierende Bereiche, den 5' untranslatierten Bereich (5' UTR) und den 3' untranslatierten Bereich (3' UTR). Diese Bereiche dienen zur Regulation der Translationsinitiation und zur Regulation der Aktivität der RNAsen, die die RNA wieder abbauen.
Die Gene der Prokaryoten unterscheiden sich im Aufbau von eukaryotischen Genen dadurch, dass sie keine Introns besitzen. Zudem können mehrere unterschiedliche RNA-bildende Genabschnitte sehr nah hintereinander geschaltet sein (man spricht dann von polycistronischen Genen) und in ihrer Aktivität von einem gemeinsamen regulatorischen Element geregelt werden. Diese Gencluster werden gemeinsam transkribiert, aber in verschiedene Proteine translatiert. Diese Einheit aus Regulationselement und polycistronischen Genen nennt man Operon. Operons sind typisch für Prokaryoten.
Gene kodieren nicht nur die mRNA, aus der dann die Proteine translatiert werden, sondern auch die rRNA und die tRNA sowie weitere Ribonukleinsäuren, die andere Aufgaben in der Zelle haben, beispielsweise bei der Proteinbiosynthese oder der Genregulation. Ein Gen, welches ein Protein kodiert, enthält eine Beschreibung der Aminosäure-Sequenz dieses Proteins. Diese Beschreibung liegt in einer chemischen Sprache vor, nämlich im genetischen Code in Form der Nukleotid-Sequenz der DNA. Die einzelnen 'Kettenglieder' (Nukleotide) der DNA stellen - in Dreiergruppen (Tripletts) zusammengefasst - die 'Buchstaben' des genetischen Codes dar. Der codierende Bereich, also alle Nukleotide, die direkt an der Beschreibung der Aminosäuresequenz beteiligt sind, wird als offener Leserahmen bezeichnet. Ein Nukleotid besteht aus einem Teil Phosphat, einem Teil Desoxyribose(Zucker) und einer Base. Eine Base ist entweder Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin.
Gene können mutieren, sich also spontan oder durch Einwirkung von außen (beispielsweise durch Radioaktivität) verändern. Diese Veränderungen können an verschiedenen Stellen im Gen erfolgen. Demzufolge kann ein Gen nach einer Reihe von Mutationen in verschiedenen Zustandsformen vorliegen, die man Allele nennt. Eine DNA-Sequenz kann auch mehrere überlappende Gene enthalten. Durch Genduplikation verdoppelte Gene können sequenzidentisch, trotzdem aber unterschiedlich reguliert sein und damit zu unterschiedlichen Aminosäuresequenzen führen, wären also keine Allele.
[править] Регуляция экспрессии генов
Gene sind dann "aktiv", wenn ihre Information in RNA umgeschrieben wird, d.h. die Transkription stattfindet. Je nach Funktion des Gens entsteht also mRNA, tRNA oder rRNA. In der Folge kann also, muss aber nicht zwingend, bei mRNA aus dieser Aktivität auch ein Protein translatiert werden. Eine Übersicht über die Vorgänge bieten die Artikel Genexpression und Proteinbiosynthese.
Die Aktivität einzelner Gene wird über eine Vielzahl von Mechanismen gesteuert und kontrolliert. Ein Weg ist die Steuerung über die Rate ihrer Transkription in RNA. Ein anderer Weg ist der Abbau der mRNA, bevor sie beispielsweise über siRNA translatiert wird. Kurzfristig erfolgt die Genregulation durch Bindung und Ablösung von Proteinen, so genannten Transkriptionsfaktoren, an spezifische Bereiche der DNA, die so genannten „regulatorischen Elemente“. Langfristig wird dies über Methylierung oder das „Verpacken“ von DNA-Abschnitten in Histonkomplexe erreicht. Auch die regulatorischen Elemente der DNA unterliegen der Variation. Der Einfluss von Änderungen in der Genregulation einschließlich der Steuerung des alternativen Splicings dürfte vergleichbar mit dem Einfluss von Mutationen proteincodierender Sequenzen sein. Mit klassischen genetischen Methoden - durch Analyse von Erbgängen und Phänotypen - sind diese Effekte in der Vererbung normalerweise nicht voneinander zu trennen. Lediglich die Molekularbiologie kann hier Hinweise geben. Eine Übersicht über die Regulationsvorgänge von Genen ist im Artikel Genregulation dargestellt.
[править] Организация генов
У всех живых организмов только часть ДНК кодирует определённые РНК. Остальные части ДНК обозначаются как некодирующая ДНК. Данные участки служат для регуляции активности генов, например регуляцим альтернативного сплайсинга и влияют на строение хромосомы.
Участок хромосомы в котором локализован ген называется локус. Гены распределены в хромосомах не равномерно, но рассредоточены частично в так называемых кластерах. Структура кластера может определятся случаными близкорасположенными генами либо группой генов кодирующих функционально взаимосвязанные белки. Тем не менее гены кодирующие белки со схожми функциями вполне могут находится и в разных хромосомах.
Наряду с некодирующими генами существуют участки ДНК, которые ответственны за синтез многочисленных разных белков. Причиной образования таких генов служит перекрывающаяся открытая рамка считывания.
[править] Генетические вариации и генетическое разнообразие
Под гентическими вариациями понимают разнообразие генов в предалах генотипа одного организма. Генетические вариации могут возникать в следствии мутаций, тем не менее главным образом определяются в кроссинговером в пахитене профазы I мейоза.
Генетическим разнообразием в свою очередь называют многообразие генотипов внутри вида или популяции. Генетическое разнообразие является важнейшим фактором эволюции, так как определяет способность популяции приспособлятся к условиям окружающей среды.
[править] Особые типы генов
[править] РНК-гены вирусов
Не смотря на то что во всех живых организмах, носителем генетической информации является ДНК, генетичетическая информация некоторых вирусов предствлена в форме РНК.
РНК-вирусы проникая в клетку немедленно начинают производство протеинов напрямую с собственной РНК, в результате чего отпадает необходимость в транскрипции. Ретровирусы же наоборот после инфецирования клетки переводят свою РНК в ДНК. Данный процесс происходит при участии фермента обратная транскриптаза.
[править] Псевдогены
Ге́ном в узком смысле этого слова обозначают как правило последовательность нуклеотидов, которая предоставляет инфорамацию для кодирования белков. Псевдогены представляют собой последовательность нуклеотидов, которая своей структурой похожа на структуру обычного гена, но тем не менее не несёт информации способной быть использованной для синтеза белка. Псевдогены образуются за счёт дупликаций генов или мутаций, и в следствии отсутствия селекции накапливаются в генотипе, несмотря на то что их первичная функция утеряна. Тем не менее некоторые псевдогены учавствуют в регуляции активности генов. Геном человека содержит приблезительно 20000 псевдогенов.
[править] Прыгающие гены
Прыгающий ген или транспозон, представляет собой участок ДНК несущий наследственную информацию, но обладающий способностью свободно перемещатся в пределах ДНК клетки.
[править] Типичные величины генома
| Организмы или группы организмов | Число генов | Число пар нуклеотидов |
|---|---|---|
| Растения | >50000 | >1011 |
| Человек | ~24800 | 3·109 |
| Муха | 12000 | 1.6·108 |
| Гриб | 6000 | 1.3·107 |
| Бактерии | 500-6000 | 107 |
| Escherichia coli | ~5000 | 4,65·106 |
| Mycoplasma genitalium | 500 | 106 |
| ДНК-вирус | 10-300 | 5000-200.000 |
| РНК-вирус | 1-25 | 1000-23.000 |
| Вироид | 0 | 150-400 |
[править] Источники
- ↑ Helen Pearson: What is a gene? Nature 441, 398 - 401 (25 May 2006)
[править] Литература
- Ernst P. Fischer: Geschichte des Gens. Fischer, Frankfurt 2003, ISBN 3596153638 (нем.)
- Benjamin Lewin: Molekularbiologie der Gene. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002. ISBN 3827413494 (нем.)
- Benjamin Lewin: Genes 8. Pearson Prentice Hall, London 2004. ISBN 0131439812 (англ.)
- Inge Kronberg: Welche Gene machen den Menschen zum Menschen? In: Biologie in unserer Zeit. 34.2004,4, S.206-207. ISSN 0045-205X (нем.)
