Ген как область ДНК и единица наследственности. Строение гена

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

Ген является структурной и функциональной единицей наследственности. Структурной ‒ потому что, грубо говоря, представляет собой определенный участок молекулы ДНК, способный мутировать и передаваться по наследству как единое целое. Функциональной ‒ так как в большинстве случаев кодирует синтез полипептида, определяющего в последствии тот или иной признак организма.

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.

Поскольку 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.

У эукариот в кодирующей последовательности гена (транскрибируемой части гена) обычно чередуются участки: интроны и экзоны. Интроны не кодируют полипептид. Экзоны — кодируют. 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. Данный процесс называется сплайсингом.

Количество интронов и экзонов в одном гене различно (от единиц до сотен), также сильно варьирует их длина (количество нуклеотидов). При этом бывают гены вообще без интронов. При этом экзоны могут быть сшиты по-разному: меняться их чередование, какие-то участки могут быть «выброшены». Таким образом, один ген (по строению как участок ДНК) может отвечать за образование нескольких разных зрелых иРНК, а, следовательно, синтез разных полипептидов. Тогда считать ли его геном, или это уже несколько генов? Ведь ген ‒ это функциональная единица наследственности, а тут получается несколько функций.

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

Ген ‒ это не только транскрибируемый участок молекулы ДНК, который далее считывается на РНК. Ген включает в себя также регуляторные области ДНК. Кроме того в строении генов, а также их функционировании у прокариот и эукариот имеется ряд отличий.

Ген = траскрибируемый участок + регуляторные участки

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

К регуляторным областям генома относят промоторы, энхансеры, сайленсеры, участки краевых экзонов гена, которые не транскрибируются. 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. В области энхансеров и сайленсеров прикрепляются различные регуляторные белки. Энхансеры и сайленсеры не всегда располагаются рядом с геном, могут контролировать несколько генов. При этом один и тот же участок ДНК в зависимости от типа клеток может выступать как в роли первого, так и второго, в зависимости от прикрепляющихся к этим участкам различных регуляторных белков.

У прокариот одна регуляторная область может обрамлять несколько генов (если под геном понимать только транскрибируемую область). Такой комплекс (вместе с регуляторной областью) называют "оперон".

В регуляторной области оперона у прокариот перед промотором находится оператор. В другом месте ДНК есть ген-регулятор, кодирующий синтез белка-репрессора. Если данный белок синтезирован и связан с оператором, то транскрипции генов внутри оперона не будет происходить.

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, а не механический набор генов. В геноме гены взаимодействуют между собой, составляют сложную систему, что отражается и в строении генов. 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.