Ген (наследственный фактор)

Термин ген предложен В. Иогансеном в 1909, однако проникновение в его сущность связано с именем Г. Менделя, который еще в 1860-х годах ввел термин «наследственный фактор» и на основе точных экспериментов сделал гениальные обобщения относительно свойств и поведения наследственных факторов при передаче от родителей потомкам, которые в последующем легли в основу теории гена. Это следующие фундаментальные свойства наследственных факторов — генов:

1) наличие альтернативных наследственных факторов для развития каждого конкретного признака организма (в современном представлении доминантный и рецессивный аллели гена).

2) Парность наследственных факторов, определяющих развитие признака (у диплоидного организма). Существенный вывод: наследуются не признаки, а от родителей к потомкам передаются вместе с гаметами гены. Из этих двух положений был развит принцип аллелизма.

3) Дискретность и относительное постоянство гена (в гибридной зиготе рецессивный аллель не сливается и не смешивается с доминантным аллелем и поступает в гамету F1 в чистом виде и, объединяясь с подобным аллелем при оплодотворении, проявляется как рецессивный признак в F2). Этот феномен в последующем получил название закон чистоты гамет.

Мендель не имел никаких сведений о местонахождении наследственных факторов в клетке, и тем более об их химической природе и механизме влияния на признак, т. е. наследственный фактор в начале 20 века выступал как условная единица наследственности.

Дальнейшая конкретизация представлений о гене связана с работами школы американского биолога Т. Х. Моргана. Введя в генетические исследования плодовую мушку-дрозофилу, удалось существенно увеличить разрешающую способность генетического анализа и на основе синтеза генетических и цитологических представлений доказать существование материальной структуры наследственности — хромосом, в которых локализованы гены.

Доказательствами хромосомной локализации генов явились: открытие генов, наследующихся сцепленно с полом (локализация генов в половых хромосомах, X или Y); сцепленное наследование группы признаков в отличие от правила независимого наследования признаков Менделя. Было показано наличие определенного числа групп сцепления генов, соответственно гаплоидному числу хромосом конкретного биологического вида. Кроме того, были получены генетические и цитологические доказательства кроссинговера — обмена генами между гомологичными хромосомами, приводящего к рекомбинации генов. Величина генетической рекомбинации (процент кроссинговера-перекреста) отражает расстояние между генами одной группы сцепления: чем дальше отстоят друг от друга гены, тем больше процент кроссинговера.

Таким образом, было доказано, что гены в хромосоме располагаются в линейном порядке и каждый ген имеет свое определенное местоположение — локус. Соответственно открылась возможность построения плана взаимного расположения в хромосоме известных генов с указанием относительных расстояний между ними, выраженных в процентах перекреста (генетические карты) и идентифицировать местоположение гена в хромосоме (цитологические карты).

К 1920 году ген представлялся как обособленный участок хромосомы, контролирующий один определенный признак, изменяющийся (мутирующий) как единое целое и неделимый при кроссинговере. Аллельной парой генов признавали два гена, расположенных в гомологичных хромосомах в строго идентичных участках и влияющих на развитие одного и того же признака. Такое представление подчеркивало и преувеличивало дискретность гена.

Гены характеризуются относительной устойчивостью, что определяет константную передачу признаков и свойств в поколениях и без чего не было бы устойчивых форм дифференцированной жизни. Однако в естественных условиях происходит спонтанный процесс изменения генов, приводящий к появлению новых измененных признаков и свойств организмов, оцениваемых отбором. В результате мутации ген преобразуется и переходит в новое состояние. Разные состояния одного и того же гена, возникающие путем мутаций, получили название аллелей данного гена. Группа мутантных аллелей одного гена составляет серию множественных аллелей. Примерами множественного аллелизма являются: серия аллелей окраски шерсти у кролика (5 аллелей), 3 аллеля группы крови системы АВ0 у человека, более 10 аллелей локуса white у дрозофилы, контролирующих окраску глаза (темно-красный, темно-желтый, слоновой кости, абрикосовый, вишневый, коралловый, белый и др.).

Для выяснения аллельности двух мутаций, затрагивающих один и тот же признак, Морганом были предложены два критерия: функциональный и рекомбинационный. В функциональном тесте, если при скрещивании двух мутантных особей у потомков проявлялся мутантный фенотип, то исходные мутантные гены являлись аллельным. Если же при скрещивании появлялся фенотип дикого типа, то признавалось, что испытуемые мутации затрагивают разные (неаллельные) гены.

В конце 1920-х годов советские генетики А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин экспериментально показали, что ген не является единицей мутации, что он имеет сложную структуру: состоит из нескольких субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый аллелизм, или центровая теория гена). Весь ген (базиген) может состоять из отдельных центров, трансгенов, каждый из которых несет сходную функцию. Мутация может нарушать деятельность одного из трансгенов, не затрагивая других.

Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по локусам lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.).

Таким образом, к 1950 ген представлялся как участок хромосомы, контролирующий развитие определенного признака, имеющий определенную линейную протяженность и способный мутировать в разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по функциям и в их совместной деятельности существует определенная субординация.

Развитие любого признака организма является результатом взаимодействия или аллелей одного гена (аллельное взаимодействие), или разных генов (неаллельное взаимодействие). Например, при скрещивании красноцветковых растений ночной красавицы (Mirabilis) с белоцветковыми у гибрида в результате взаимодействия красного и белого аллелей проявляется розовая окраска цветов, а во втором поколении наблюдается расщепление на красно-, розово- и белоцветковых в соотношении 1: 2: 1.

Если признак контролируется двумя и более неаллельными генами, то в формировании его у потомков взаимодействуют четыре и более пар аллелей. В результате взаимодействия неаллельных генов во втором поколении наблюдается отклонение от менделевских расщеплений и вместо классического распределения классов фенотипов 9: 3: 3: 3: 1 могут наблюдаться 9: 7, 13: 3, 9: 3: 4, 15: 1 и другие. При скрещивании кур породы белый плимутрок с петухами белый леггорн потомство оказалось белым, при скрещивании курочек и петушков F1 друг с другом во втором поколении наблюдалось расщепление на белых и черных в соотношении 13: 3. Ничего не зная о конкретных механизмах развития признака окраски пера, генетик выдвигает формальную гипотезу: в развитии признака окраски могут участвовать два гена: ген-пигментообразователь (С) или его альтернативный аллель — отсутствие пигмента (с) и ген — подавитель (ингибитор) пигмента (I) или его рецессивный аллель (i) — отсутствие подавления пигмента. У гибрида F2 аллели этих двух генов могут комбинироваться в разных сочетаниях:

С-I — имеется доминантный аллель (С) синтеза меланина, но он подавляется доминантным аллелем другого гена (I). В результате 9/16 петушков и курочек F2 будут иметь белую окраску.

С-ii — имеется аллель (С) синтеза меланина в сочетании с двумя рецессивными аллелями (ii) — нет ингибирования, фенотип — черная окраска (3/16).

сс — I — в генотипе имеются два рецессивных аллеля (с) — отсутствие синтеза меланина, а доминантному аллелю (I) нечего ингибировать. Фенотип — белая окраска (3 / 16).

cс — ii — двойная рецессивная гомозигота. Фенотип — белая окраска. В результате мы имеем в F2 расщепление на два фенотипических класса: белые — 13 (9 + 3 + 1) и черные — 3.

Существенную роль в понимании проблемы реализации гена в признак сыграла концепция один ген — один фермент, выдвинутая Дж. Бидлом и Э. Тейтемомв 1940-х годах, согласно которой каждый ген определяет структуру какого-либо белка-фермента. В последующем она была трансформирована в концепцию один ген — одна полипептидная цепь. Кроме белков, имеющих в своем составе один или два идентичных полипептида (специфическая последовательность аминокислот в макромолекуле), существуют сложные белки, состоящие из двух или более полипептидных цепей, синтез которых контролируется двумя или более неаллельными генами. Например, в синтезе белка гемоглобинаучаствуют два неаллельных гена α и b, один контролирует синтез α-полипептидной цепи (141 аминокислота), а другой — синтез b-полипептидной цепи (146 аминокислот). В цитоплазме клетки две α-цепи объединяются с двумя b -цепями, образуя функциональную структуру молекулы гемоглобина — тетрамер. Число разных аминокислот равно 19, а общее число аминокислот — 574.

До середины 20 века среди биологов господствовало мнение, что генетический материал в хромосомах представляют белки. Знаменательной вехой явилось экспериментальное доказательство генетической роли ДНК О. Эйвери, К. Маклеодом и М. Маккарти и раскрытие Дж. Уотсоном и Ф. Крикомтрехмерной двухспиральной структуры молекулы ДНК. Эта модель отвечала всем основным требованиям, необходимым генетическому материалу для выполнения биологических функций. Химическая структура гена, связанная с линейным расположением нуклеотидов в цепи, позволяла сохранять закодированную с помощью генетического кода наследственную информацию.

Благодаря принципу комплементарного связывания двух цепей молекула ДНК способна к ферментативному матричному аутокатализу — репликации, что позволяет точно копировать генетическую информацию и поддерживать наследственное постоянство при делении клеток (митоз, мейоз). На основе матричного синтеза генетическая информация может переписываться на посреднические молекулы иРНК (транскрипция). Информация о последовательностях нуклеотидов в иРНК переводится на рибосомах в последовательность аминокислот в полипептиде в процессе трансляции. Схематически это выглядит следующим образом: ДНК репликация 2ДНК транскрипция иРНК трансляция полипептид.

Модель двойной спирали ДНК и триплетности генетического кода позволила предсказать молекулярные механизмы возникновения спонтанных и индуцированных генных мутаций: во-первых, замена основания в одном кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке; во-вторых, вставка или выпадение одного нуклеотида в одной цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и отсутствию синтеза специфического белка, кодируемого соответствующим геном. Последствия такой мутации в гене могут быть губительными для клетки и целого организма. Например, в результате замены одного основания в гене, контролирующем синтез β-цепи гемоглобина, происходит замена одной аминокислоты — глутамина — в шестом положении на валин, что приводит к синтезу аномальной молекулы гемоглобина, изменению формы эритроцитов и к болезни (См. Серповидноклеточная анемия). Одних лишь гемоглобинопатийнасчитывается несколько десятков. На основе подобного анализа выяснена природа многих сотен молекулярных болезней человека и разработаны методы пренатальной молекулярно-генетической диагностики (см. Наследственные болезни).

После доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С. Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально представляющий единое целое.

Накопленные знания о структуре, функциях, характере взаимодействия, экспрессии, мутабильности и других свойствах генов породили несколько вариантов классификации генов.

По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра ядерные гены и цитоплазматические гены, локализация которых связана с хлоропластами и митохондриями.

По функциональному значению различают структурные гены, характеризующиеся уникальными последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, и регуляторные гены — последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию действия гена (ингибирование, повышение активности и др.).

По влиянию на физиологические процессы в клетке различают летальные, условно летальные, супервитальные гены, гены-мутаторы, гены-антимутаторы и др.

Следует отметить, что любые биохимические и биологические процессы в организме находятся под генным контролем. Так, деление клеток (митоз, мейоз) контролируется несколькими десятками генов; группы генов осуществляют контроль восстановления генетических повреждений ДНК (репарация). Онкогены и гены — супрессоры опухолей участвуют в процессах нормального деления клеток. Индивидуальное развитие организма (онтогенез) контролируется многими сотнями генов. Мутации в генах приводят к измененному синтезу белковых продуктов и нарушению биохимических или физиологических процессов.

Гомеозисные мутации у дрозофилы позволили открыть существование генов, нормальной функцией которых является выбор или поддержание определенного пути эмбрионального развития, по которому следуют клетки. Каждый путь развития характеризуется экспрессией определенного набора генов, действие которых приводит к появлению конечного результата: глаза, голова грудь, брюшко, крыло, ноги и т. д. Исследования генов комплекса bithorax (ВХ — С) дрозофилы американским генетиком Льюисом показали, что это гигантский кластер тесно сцепленных генов, функция которых необходима для нормальной сегментации груди (thorax) и брюшка (abdomen). Подобные гены получили название гомеобоксных. Гомеобоксные гены расположены в ДНК группами и проявляют свое действие строго последовательно. Такие гены обнаружены и у млекопитающих, и они имеют высокую гомологию (сходство).

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот). Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета — УАА, УАГ, УГА — не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они представляют собой знаки терминации трансляции.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).

Структура генов у бактеориофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзон-интронной структуры генов.

Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). В результате структурные гены эукариот имеют более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая иРНК, последовательность нуклеотидов в которой соответствует экзонам. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК, состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты — рестриктазы — разрезают эту про-иРНК по границам экзон-интрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую иРНК (так называемый сплайсинг). Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина — от нескольких пар оснований до нескольких тысяч.

Ген может кодировать различные РНК-продукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний экзонов в зрелой иРНК, причем полипептиды, синтезированные на таких иРНК, будут различаться как по количеству аминокислотных остатков, так и по их составу.

Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых изучены недостаточно, а также мигрирующие элементы (мобильные гены), способные перемещаться по геному. Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов, расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями.

Принципиально важной вехой в развитии экспериментальной генетики явилось выделение в 1969 Дж. Беквитом гена, а точнее группы генов, лактозного оперона. В последующем Х. Коранаразработал способ химического и энзиматического синтеза генов. В настоящее время для нахождения местоположения или определения полной последовательности какого-либо гена в геноме используются так называемые ДНК-зонды — небольшие, в 20-30 пар нуклеотидов участки ДНК, которые синтезируются на основе знания какой-либо части первичной структуры интересующего нас белка. Такие зонды избирательно связываются с комплементарной им иРНК. Выделенную при помощи зонда иРНК затем используют в качестве матрицы для синтеза так называемой кДНК (комплементарной иРНК) с помощью фермента обратной транскриптазы. Для исследования структуры и свойств выделенных (синтезированных) генов и дальнейших манипуляций с ними необходимо иметь не одну или две, а сотни и тысячи копий данного гена, которые получают путем клонирования. Клонирование генов осуществляется путем встраивания гена в плазмиды — векторы, способные при введении их в клетку автономно реплицировать свою ДНК, а заодно и последовательность нуклеотидов встроенного гена. С помощью векторов размноженный ген может быть перенесен в клетки бактерий, растений или животных. Таким образом осуществляется генетическая трансформация. Эти приемы лежат в основе генно-инженерных манипуляций (см. Генетическая инженерия, Клонирование животных). Например, бактериальные или дрожжевые клетки-продуценты, в которые введен ген инсулина человека, нормально функционируют и синтезируют человеческий инсулин. То же самое уже проделано с генами гормона роста, фактора свертываемости крови и др.

Большое теоретическое и практическое значение имеют исследования по получению трансгенных растений и животных. В будущем открываются возможности генотерапии для коррекции тяжелых наследственных заболеваний.

Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом, ДНК митохондрий и хлоропластов.

Величина генома, выраженная в парах нуклеотидов (п. н.), сильно варьирует у разных организмов, и у эукариот значительно больше, чем у прокариот. Так, если геном микоплазмысодержит 10⁶ п. н., то у амфибий и цветковых растений он составляет 10¹¹ п. н. Однако высокая вариабельность наблюдается и между организмами одной и той же таксономической группы.

С 1990 года интенсивно разрабатывается международная генетическая программа Геном человека. Ее основными задачами являются идентификация генов человека и выяснение первичной нуклеотидной последовательности (секвенирование) человеческого генома, состоящего из 3, 5·10⁹ п. н. Основная часть программы — секвенирование всего генома — в основном завершена в 2000. Однако секвенирование само по себе не обеспечивает понимания функциональной значимости исследуемых последовательностей, а является предпосылкой для дальнейшего изучения молекулярных механизмов функционирования генов и генома в целом. Уже составлена генетическая и физическая карта генома человека высокого разрешения. Количество картированных генетических маркеров приближается к 30 тысячам, что составляет примерно половину теоретически рассчитанного количества генов человека. Расшифрована полная структура нуклеотидных последовательностей 2-й, 7-й, 19-й, 21-й, 22-й хромосом и митохондриального генома человека, многих тысяч генов, контролирующих наследственные болезни.

Сравнительный анализ геномов организмов, относящихся к различным таксономическим группам, способствовал созданию новой науки — геномики (структурной, функциональной, эволюционной), открывающей принципиально новые пути в исследовании самых сокровенных тайн природы.

Автор: М.М. Асланян