Ген

В общем смысле ген – это единица наследственности. Однако структурно-функциональная организация гена сложная и разнообразная. Ее изучает молекулярная генетика.

Упрощенно ген представляют как участок молекулы ДНК, который кодирует определенный полипептид (опосредованно через информационную РНК) или функциональную РНК (транспортную, рибосомальную и др.). Однако данное представление усложняется в том числе следующим:

  • Поскольку транскрипция контролируется управляющими последовательностями ДНК, то возникает вопрос: относить ли их к гену? В связи с этим вводится понятие «оперон».

  • Управляющие последовательности могут контролировать несколько генов.

  • Некоторые гены перекрываются, т. е. различающиеся РНК синтезируются почти на одном и том же участке ДНК. Это возможно за счет сдвига рамки считывания.

Ген не является неделимой единицей мутации и рекомбинации. Мутировать и рекомбинировать может даже одна пара нуклеотидов, а ген обычно включает множество нуклеотидов. Размеры генов варьируют в широких пределах: от десятков нуклеотидов до миллионов.

Так как ген как однозначную структурную единицу выделить трудно, то нередко под геном понимают исключительно функциональную единицу наследственности.

В середине XX века был провозглашен принцип классической генетики: один ген — один белок. Однако более поздние исследования отчасти опровергали данный принцип. Во-первых, были гены, кодирующие различные виды РНК (а не только иРНК). Во-вторых, были обнаружены перекрывающиеся гены (впервые у прокариот, позже у эукариот), имеющие общие нуклеотидные участки. При этом бывают варианты, когда один ген полностью содержится в другом.

Учеными выдвигаются гипотезы о пользе и роли перекрывающихся генов. При этом отмечается существенный недостаток подобной организации генома: мутация, возникшая на участке ДНК, относящемся к двум и более генам, сразу «портит» все эти гены.

В кодирующей последовательности гена чередуются участки: интроны и экзоны. Интроны не кодируют полипептид. Экзоны — кодируют. Так на ДНК на самом деле синтезируется пре-информационная РНК (пре-иРНК), которая в ядре подвергается созреванию, в процессе которого вырезаются интроны, а экзоны сшиваются между собой. В результате получается иРНК.

Количество интронов и экзонов в одном гене различно (от единиц до сотен), также сильно варьирует и их длина (количество нуклеотидов). При этом бывают гены вообще без интронов.

Функция интронов предположительно заключается в регуляции экспрессии генов, а также в их участии в рекомбинации.

В ДНК эукариот были обнаружены достаточно длинные регуляторные области. Они могут располагаться в непосредственной близости к обслуживающемуся ими гену, находится на удалении (в другом месте ДНК), обслуживать несколько разных генов.

Регуляторная область генома состоит из промотора, энхансера, сайленсера. Промотор представляет собой небольшой участок ДНК, где происходит связывание факторов транскрипции, и образуется комплекс ДНК-РНК-полимеразы, позволяющий запустить синтез РНК.

Энхансер усиливает транскрипцию, а сайленсер — ее ослабляет. При этом один и тот же участок ДНК в зависимости от типа клеток может выступать как в роли первого, так и второго. В области энхансеров и сайленсеров прикрепляются различные регуляторные белки.

Кроме этого существуют инсуляторы — последовательности ДНК, блокирующие взаимодействие между промоторами и энхансерами.

ДНК состоит не только из генов и регуляторных частей. Также на ней есть спейсеры — межгенные последовательности.

В геноме есть повторяющиеся последовательности. При этом выделяют уникальные последовательности (до нескольких копий), умеренные повторы (до несколько тысяч копий), высокоповторяющаяся ДНК (до миллиона копий на геном). Большинство функционирующих генов представлены уникальными последовательностями.

Повторы нуклеотидов могут располагать как рядом (образуя кластеры), так и быть разбросанными по геному. Кластеры образуют сателлитную ДНК (находится преимущественно в теломерах и центромерах хромосом).

В геномах среди повторов были найдены псевдогены — нефункционирующие участки ДНК, сходные с функционирующими генами.

Таким образом, геном — это сложная система, взаимосвязанных участков ДНК. Дать однозначное определение понятию ген не представляется возможным. Под ним можно понимать как только транскрибируемую область ДНК, так и включить управляющие части. В любом случае ДНК состоит не только из генов, но и межгенных последовательностей нуклеотидов, роль которых еще не изучена в полной мере.