Гены
Введение • • • Что такое ген? Ген (др. -греч. γένος – род) – структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК, задающий последовательность определённых полипептидов при синтезе белковых молекул либо функциональных РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. Среди некоторых организмов, в основном одноклеточных, встречается горизонтальный перенос генов, не связанный с размножением. Приведенное выше определение гена не является исчерпывающим и окончательным. Так, например, в начале семидесятых годов прошлого века на конференции, посвящённой химическому мутагенезу, академик И. А. Рапопорт высказал мысль о том, что характеристика гена как носителя наследственной информации организмов не сводится к его химическим свойствам, в частности, ген обладает способностью отражения, понимая отражение как философскую категорию. Осмысливание сложного и многостороннего понятия «ген» продолжается, например, считавшиеся ранее несомненными положения «ген – признак» или «ген – белок» , в современной генетике потеряли свою однозначность. Сейчас общеизвестно, что один и тот же ген может кодировать разные белки и весьма разнообразно проявлять себя фенотипически. В целом можно утверждать, что окончательного и исчерпывающего определения гена в настоящее время не существует. С другой же стороны, в реальном существовании единицы наследственности мало кто сомневается. Далее попытаемся рассмотреть отдельные известные генетикам свойства гена.
История понятия и термина «ген» • Термин «ген» был введён в употребление в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Иогансеном , три года спустя после введения Уильямом Бэтсоном термина «генетика» . За сорок лет до появления понятия «ген» Чарльз Дарвин в 1868 году 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. Ещё через 20 лет 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» . В. Иогансен сразу же образовал ключевое производное понятие «генотип» для обозначения наследственной конституции гамет и зигот в противоположность фенотипу.
Грегор Иоганн Мендель (нем. Gregor Johann Mendel); родился 20 июля 1822, в Хейнцендорфе, Силезия, Австрийская империя, умер 6 января 1884, в Брюнне, Австро-Венгрия – австрийский биолог и ботаник, монах-августинец, аббат. Основоположник учения о наследственности, позже названного по его имени менделизмом. Открытие им закономерностей наследования моногенных признаков (эти закономерности известны теперь как Законы Менделя) стало первым шагом на пути к современной генетике.
Из истории генетики • • • В настоящее время изучением генов занимается наука генетика, родоначальником которой считается Грегор Мендель, который в 1865 году опубликовал результаты своих исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Сформулированные им закономерности впоследствии назвали законами Менделя. Среди учёных нет единого мнения, под каким углом рассматривать ген. Одни его рассматривают как информационную наследственную единицу, а единицей естественного отбора является вид, группа, популяция или отдельный индивид. Другие учёные, как например Ричард Докинз в своей книге «Эгоистичный ген» и ряде других публикаций, рассматривает ген как единицу естественного отбора, а сам организм – как «машину» для выживания генов. Или, например, Липтон Брюс в монографии «Умные клетки: Биология убеждений» (2014) приводит свою концепцию противоположную мнению Р. Докинза, считая, что гены выполняют лишь функцию размножения генетической информации, а контролируют становление фенотипа другие органеллы, например, клеточные мембраны. Иными словами, несмотря на несомненные успехи генетики и геномики, роль генов в возникновении и историческом изменении видов окончательно и однозначно далеко не установлена.
Что такое ген и какова его роль? • • • Ныне же в молекулярной биологии принято считать, что гены – это участки ДНК, несущие целостную информацию о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК, следовательно, эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма. В то же время каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, энхансеры, терминаторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), в некоторых других случаях. Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности. Изначально термин «ген» появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.
Что такое ген и какова его роль? (продолжение) • В порядке расширения понятия о гене обратимся к статье А. В. Савинова (2007). «По определению одного из родоначальников молекулярной биологии и первооткрывателей структуры ДНК Дж. Уотсона «ген – это дискретная область хромосомы, ответственная за образование определенного клеточного продукта; он состоит из ряда линейно расположенных единиц, потенциально способных к изменению (мутирующих участков); каждый такой участок может существовать в нескольких альтернативных формах, и между разными участками может происходить кроссинговер» . По мнению М. Е. Лобашева и соавторов (1979), ген – это функционально неделимая единица наследственности (наследственной информации), делимая при кроссинговере, но не являющаяся единицей мутирования, т. е. ген – это лишь задаток, дающий возможность развития отдельного признака (свойства), касается ли это структуры белковой молекулы или элементарной реакции организма. «Как молекулу белка нельзя разделить на части без потери ее специализации, так и ген как единица наследственной информации остается функционально неделимым» , при этом генам как единицам хромосомной наследственности функционально соответствуют единицы цитоплазматической наследственности – плазмогены (носители наследственной информации цитоплазматических органелл).
Что такое ген и какова его роль? (продолжение 2) • Поэтому, во-первых, «правильнее было бы расширить понятие генотипа и включить в него как систему хромосомных генов (геном), так и цитоплазматических (плазмон); во-вторых, необходимо различать два явления: 1) наследственность как «свойство генов детерминировать построение специфической белковой молекулы, развитие признака и план строения организма» ; 2) наследование как явление, отражающее «закономерности процесса передачи наследственных свойств организма от одного поколения к другому» . Впоследствии ген продолжали определять как структурную единицу генетической информации (представленную участком молекулы ДНК, реже РНК), далее неделимую в функциональном отношении (Инге-Вечтомов, 1989). Наконец, Р. Н. Чураев (2006), предложил называть геном «единицу транскрипции – участок молекулы ДНК с примыкающей регуляторной зоной, который кодирует структуру либо одной полипептидной цепи, либо несколько цепей, причем в последнем случае участок с необходимостью включает в себя районы, кодирующие начало и конец считывания» . Он же предложил и разрабатывает гипотезу об особом классе наследственных единиц – «эпигенов, в которых часть наследственной информации хранится, кодируется и передается потомству вне первичной структуры молекул ДНК генома» , т. е. эпиген – «наследственная единица, имеющая не менее двух режимов функционирования подчиненных ей генов и способная сохранять каждый из режимов в последовательном ряду поколений» .
Что такое ген и какова его роль? (продолжение 3) • Между тем, уже из работ генетиков 80 -х годов прошлого века было видно, что разработка проблемы гена как центральной проблемы генетики перманентна (Биологический. словарь, 1986) и представления о гене (теория гена) всегда будут отражать «в концентрированной форме уровень развития, достижения и нерешенные проблемы генетики» (Инге-Вечтомов, 1989). Указывалось, что «по мере проникновения в молекулярную структуру генетического материала все труднее становится находить в молекулах ДНК границы того, что обозначают понятиями «ген» и «гены» (как наследственные задатки, части генотипа), поскольку «сигналы таких матричных процессов, как транскрипция (на ДНК) и трансляция (на и. РНК), не совпадают как по локализации, так и по сочетаниям нуклеотидов» ; кроме этого, «наряду со структурными и регуляторными генами, обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых неизвестны, мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены)» , а также «псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов, расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями и поэтому не функционирующие» .
Классификация генов Накопленные знания о структуре, функциях, характере взаимодействия, экспрессии, мутабильности и других свойствах генов породили несколько вариантов классификации. По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра ядерные гены и цитоплазматические гены, локализация которых связана с хлоропластами митохондриями и мобильными генетическими элементами (МГЭ). 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 (рецепторные) гены – последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию действия гена (ингибирование, повышение активности и др. ).
Классификация генов, гомеозисные гены • • • По влиянию на физиологические процессы в клетке различают летальные, условно летальные, витальные 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 аномального и 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, например, глаза, голова, грудь, брюшко, крыло, ноги насекомых. Исследования генов комплекса bithorax дрозофилы американским генетиком Льюисом показали, что это гигантский кластер тесно сцепленных генов, функция которых необходима для нормальной сегментации груди и брюшка. Подобные гены получили название гомеозисных или 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) у систематически отдалённых организмов.
Классификация генов (продолжение) • • В зависимости от локализации генов в структурах клетки различают ядерные и цитиплазматические гены. По своему функциональному назначению ядерные гены могут быть разделены на две группы. Первая группа представлена генами, кодирующими белки; вторая группа – генами, контролирующими синтез РНК. Среди генов, кодирующих белки, различают: – гены «домашнего хозяйства» , продукты которых необходимы для обеспечения функции любого типа клеток; – гены терминальной дифференцировки, т. е. гены, обеспечивающие специализированные функции клеток; – гены траскрипционных факторов, контролирующие особые ядерные белки, способные соединяться с регуляторными областями многих структурных генов, вызывая либо активацию, либо подавление транскрипции. РНК-кодирующие гены определяют синтез различных видов РНК, необходимых для синтеза рибосом, обеспечения процессов трансляции, сплайсинга, а также для синтеза молекул РНК, влияющих на функционирование других генов (регуляторное действие). Существует множество других классификаций.
Структура гена • Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллионов 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 и. РНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех руководствах представлена именно символами и. РНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а триплета - УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они представляют собой знаки терминации трансляции.
Структура гена прокариот • • 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). Оперон – участок генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эвкариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы. 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 эвкариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзонинтронной структуры генов.
Экзон-интронная организация генов эвкариот • Эвкариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). Экзон – участок гена, несущий информацию о первичной структуре белка. В гене экзоны разделены некодирующими участками – интронами. Интрон (от лат. inter – между) – участок гена, не несущий информацию о первичной структуре белка и расположенный между кодирующими участками – экзонами. В результате структурные гены эвкариот имеют более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая и. РНК у прокариот. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную и. РНК, состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты – рестриктазы – разрезают эту про-и. РНК по границам экзонинтрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую и. РНК (этот процесс вырезания и склеивания называется сплайсингом). Число интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина – от нескольких пар оснований до нескольких тысяч. Ген может кодировать различные РНКпродукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний экзонов в зрелой и. РНК, причем полипептиды, синтезированные на таких и. РНК, будут различаться как по количеству аминокислотных остатков, так и по их составу.
Альтернативный сплайсинг • • 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 и. РНК, причем полипептиды, синтезированные на таких и. РНК, будут различаться как по количеству аминокислотных остатков, так и по их составу. Альтернативный сплайсинг– процесс, позволяющий одному гену производить несколько м. РНК и, соответственно, белков. Большинство генов в эвкариотических геномах содержат экзоны и интроны. После транскрипции в процессе сплайсинга интроны удаляются из пре-м. РНК. А вот экзон может включаться (или нет) в состав конечного транскрипта. Таким образом, с помощью альтернативного сплайсинга можно получить множество транскриптов, а, следовательно, и белков. Объединение различных сайтов сплайсинга позволяет индивидуальным генам экспрессировать множество м. РНК, которые кодируют белки, порой, с антагонистическими функциями. Экзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в альтернативном пути. Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка. Например, ген тропонина состоит из 18 экзонов и кодирует многочисленные изоформы этого мышечного белка. Разные изоформы тропонина образуются в разных тканях и на определенных стадиях их развития.
Некоторые известные свойства генов • • Дискретность и непрерывность генетической информации. Эти свойства генов достаточно полно отражены в законе дискретности и непрерывности биологической информации (закон Моргана–Эфрусси), изложенном здесь в виде трёх положений. 1. Расчлененность наследственного основания на гены, соединенные в группы сцепления – хромосомы, а генов – на нуклеотидные триплеты, молекулярнодискретная организация и качественная определенность белков организма как конечных структур, несущих определённую информацию – все это выражает дискретность (прерывность) биологической информации. 2. Внутреннее единство, целостность биологической информации любого организма, несводимость этой информации к простой сумме ее элементарных единиц выражают свойство ее непрерывности. В конкретной реализации биологической информации ее дискретность и непрерывность проявляются одновременно, обусловливая единый процесс информационной детерминации (определения) развития и функционирования организма. 3. Отдельные стороны этого процесса составляют генная, геномная и надгеномная (эпигенетическая) детерминации. Любой признак организма при учете его полной причинно-следственной обусловленности определяется взаимодействием всех этих сторон, в чем конкретно и проявляется единство дискретности и непрерывности биологической информации.
Свойства генов • • Стабильность и лабильность генов. Фундаментальным свойством генов является стабильность, что позволяет сохранять видовые особенности организмов из поколения в поколение в течение миллионов лет. Однако стабильность генов относительна, её могут нарушать, например, такие явления как мутации или сплайсинг, главным образом – альтернативный сплайсинг. Вносит некоторые коррективы в понятие стабильности и эпигенетическая (фенотипическая) детерминация. Аллельность генов. Алле ли (от греч. ἀλλήλων – друга, взаимно) – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (доставшихся от отца и от матери) хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму. Термин «аллель» предложен В. Иогансеном в 1909 году. Нормальные диплоидные соматические клетки содержат два аллеля одного гена (по числу гомологичных хромосом), а гаплоидные гаметы – лишь по одному аллелю каждого гена. Для признаков, подчиняющихся законам Менделя, можно рассматривать доминантные и рецессивные аллели.
Свойства генов (2) • • • Обычно в качестве обозначения аллеля применяют сокращение названия соответствующего гена до одной или нескольких букв. В случае наличия только 2 аллелей, чтобы отличить доминантный аллель от рецессивного, первую букву в обозначении доминантного пишут заглавной. В русском языке слово «аллель» употребляется как в женском, так и в мужском роде. Типы аллельных взаимодействий Было установлено, что взаимодействие генов не исчерпывается одним лишь полным доминированием доминантной аллели над рецессивной. В действительности между аллелями одного гена и различными генами в генотипе существуют сложные и разнообразные взаимодействия, играющие немаловажную роль в реализации информации, заключённой в каждом отдельном гене. Доминирование (доминантность) заключается в том, что один из аллелей пары (доминантный) маскирует или подавляет проявление второго аллеля (рецессивного). При этом степень подавления рецессивного признака обусловливает различные варианты доминирования. Полное доминирование – взаимодействие двух аллелей одного гена, когда доминантный аллель полностью исключает проявление действия второго аллеля. В фенотипе присутствует только признак, задаваемый доминантной аллелью. Например, в экспериментах Менделя пурпурная окраска цветка полностью доминировала над белой.
Свойства генов (3) • • • Неполное доминирование – доминантный аллель в гетерозиготном состоянии не полностью подавляет действие рецессивного аллеля. Гетерозиготы имеют промежуточный характер признака. Например, если в гомозиготном состоянии один аллель определяет красную окраску цветка, а другой – белую, то гетерозиготный гибрид будет иметь розовые цветки (опять, как в опыте Менделя). В некоторых источниках неполное доминирование характеризуют как такой тип взаимодействия аллелей, когда признак у гибридов F 1 (первое гибридное поколение) занимает не среднее положение, а отклоняется в сторону родителя с доминирующим признаком. Полностью же средний вариант (как, например, приведённый выше пример наследования окраски цветков) относят к промежуточному характеру наследования, то есть отсутствию доминирования. Сверхдоминирование – более сильное проявление признака у гетерозиготной особи, чем у любой гомозиготной. На этом типе аллельного взаимодействия основано явление гетерозиса (превосходство над родителями по жизнеспособности, энергии роста, плодовитости, продуктивности). Кодоминирование – проявление у гибридов нового варианта признака, обусловленного взаимодействием двух разных аллелей одного гена. При этом, в отличие от неполного доминирования, оба аллеля проявляются в полной мере. Наиболее известным примером является наследование групп крови у человека. Например, если у матери и у отца группа крови I (00), то у пары все дети будут рождаться с такими же показателями. Если же мать является носительницей группы II (А 0), а отец – II (В 0), то у пары может родиться ребенок с любой из четырех групп.
Свойства генов (4) • • Доминирование, связанное с полом происходит тогда, когда одна и та же аллель у самцов проявляется как доминантная, а у самок – как рецессивная. Например, у овцематок доминирует комолость, а у баранов – рогатость. Реже наблюдаются и другие типы аллельных взаимодействий, например, межаллельная комплементация – довольно редкое взаимодействие аллелей, которое имеет место в том случае, когда возможно формирование нормального признака у организма, гетерозиготного по двум мутантным аллелям. Аллельное исключение происходит при инактивации одной из Х-хромосом у особей гомогаметного пола, приводящего в соответствие дозы Х-генов у всех представителей пола (к примеру, у женщин в каждой клетке экспрессируется лишь одна Х-хромосома, другая же переходит в неактивный гетерохроматин (т. н. тельце Барра). Таким образом, женский организм у человека является мозаичным, т. к. в разных клетках могут экспрессироваться разные хромосомы). При этом проявляются только аллели, находящиеся в активной Х -хромосоме, те же аллели, которые находятся в инактивированной, как бы исключаются и не проявляются в фенотипе. При этом в каждой клетке экспрессируется или один, или другой аллель, в зависимости от того, какая Ххромосома была инактивирована.
Свойства генов (5) • • • Множественный аллелизм – это наличие нескольких аллелей одного гена. В популяции оказываются не два аллельных гена, а несколько. Множественный аллелизм для генов, контролирующих системы несовместимости, выступает как фактор отбора, препятствующий образованию зигот и организмов определенных зигот. Примером множественного аллелизма является серия множественных аллелей s 1, s 2, s 3, обеспечивающих самостерильность многих растений. Двенадцать различных состояний одного локуса у дрозофилы, обусловливающих разнообразие окраски глаз (w – белые, we – эозиновые, wa – абрикосовые, wch – вишневые, wm – пятнистые и т. д. ); серия множественных аллелей - окраски шерсти у кроликов ( «сплошная» , гималайская, альбинос и т. д. ); аллели IA, IВ, I 0, определяющие группы крови у человека, и т. д. , допускается, что серия множественных аллелей – результат мутирования одного гена. Обусловленность признака серий множественных аллелей не меняет соотношения фенотипов в гибридном потомстве. Во всех случаях в генотипе присутствует только одна пара аллелей, их взаимодействие и определяет развитие признака.
Свойства генов (6) • • • Плейотропия – (от греч. πλείων – «больше» и греч. τρέπειν – «поворачивать, превращать» ) – явление множественного действия гена. Выражается в способности одного гена влиять на несколько фенотипических признаков. Таким образом, новая мутация в гене может оказать влияние на некоторые или все связанные с этим геном признаки. Этот эффект может вызвать проблемы при селективном отборе, когда при отборе по одному из признаков лидирует один из аллелей гена, а при отборе по другим признакам – другой аллель этого же гена. Продукт фактически каждого гена участвует, как правило, в нескольких, а иногда и в очень многих процессах, образующих метаболическую сеть организма. Особенно характерна плейотропия для генов, кодирующих сигнальные белки. Примеры. 1. Ген рыжих волос обусловливает более светлую окраску кожи и появление веснушек. 2. Фенилкетонурия (ФКУ), болезнь, вызывающая задержку умственного развития, выпадение волос и пигментацию кожи, может быть вызвана мутацией в гене, кодирующем фермент фенилаланин-4 -гидроксилаза, который в норме катализирует превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин. 3. Белые голубоглазые коты имеют склонность к глухоте.
Свойства генов (7) • • • Например, фраза «аллель A обладает пенетрантностью 95 %» означает, что из всех особей, у которых данный аллель имеется в необходимом числе копий, лишь у 95 % наличие этого аллеля можно установить по показателям фенотипа. Полная пенетрантность – это 100 % фенотипическое проявление наличия данного аллеля в пределах популяции. Проще говоря, это частота проявления гена во внешних признаках организмов. Амплификация (лат. amplificatio – усиление, увеличение), в молекулярной биологии – процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК, как правило, содержащих определённые гены либо сегменты структурного гетерохроматина. Амплификация может быть ответом клеток на селективное воздействие. Амплификация – один из механизмов активации онкогенов в процессе развития опухоли. Также амплификация – накопление копий определенной нуклеотидной последовательности. Упрощая ситуацию, можно считать, что амплификация – увеличение числа копий гена. Явление амплификации нельзя недооценивать. Оно наблюдается в процессах опухолевого роста, одновременно является механизмом повышения устойчивости к мутагенным воздействиям. По мнению некоторых учёных, именно амплификация сыграла важнейшую роль в макроэволюционных процессах.
Свойства гена (8) • • Политения Прямым следствием амплификации является, как уже упоминалось, политения. По данным М. Г. Романовского, возникновение политении следует отнести к самым ранним фазам эволюции прокариот, когда политения сопровождала защищенные, «споровые» состояния клеток. В политенных клетках каждая хромосома содержит несколько идентичных копий молекулы ДНК. Устранение несовпадений в копиях ДНК – древнейший способ очистки генома от мутаций. И у прокариот, и у эвкариот с политенией гамет обязательно связаны ранние стадии развития. У эвкариот политения становится обязательным атрибутом онтогенеза, копийность (увеличение числа копий) гаплотипа голосеменных растений в хромосомах археспоры достигает 211 -212 молекул ДНК, в каждой хромосоме. Гаметы эвкариот теряют исходный уровень политении при последовательном отмирании (проталлиальных) клеток. Женские гаметы утрачивают политению лишь частично и остаются политенными вплоть до оплодотворения. Мужские гаметы (спермии, сперматозоиды) к периоду оплодотворения сохраняют по одной копии молекулы ДНК в каждой хромосоме. Известный специалист по митозу Д. Мэзия (1963) называл политению эндомитозом. Молекулы ДНК воспроизводятся, но при этом не расходятся по дочерним клеткам, а накапливаются в хромосомах. За образованием политенных хромосом следует серия автоматических делений с распределением копий.
Мобильные генетические элементы (МГЭ) • • Существует несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения: транспозоны; ретротранспозоны; плазмиды, например, половой фактор кишечной палочки (F-плазмида); бактериофаги; к МГЭ относят также некоторые интроны. Хотя мобильные элементы в целом являются «генетическими паразитами» , вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами. Вкратце познакомимся с отдельными МГЭ. Транспозоны (англ. transposable element, transposon) – это участки ДНК организмов, способные к передвижению (транспозиции) и размножению в пределах генома. Транспозоны также известны под названием «прыгающие гены» и являются примерами мобильных генетических элементов.
МГЭ (2) • • • Транспозоны формально относятся к так называемой некодирующей части генома – той, которая в последовательности пар оснований ДНК не несёт информацию об амино-кислотных последовательностях белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, транскрибируются и катализируют ряд биохимических процессов. У растений транспозоны могут занимать основную часть генома – так, у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2, 3 миллиардов пар оснований по крайней мере 85 % составляют различные мобильные элементы. История открытия транспозонов. Барбара Макклинток исследовала вариации окраски зерна и листьев кукурузы, и в 1948 году путём цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что геном эукариот не статичен, а содержит участки, коорые могут передвигаться. Долгое время этому открытию, не предавали должного внимания, но в 1983 году за эту работу Барбара Макклинток получила Нобелевскую премию. Хотя транспозоны были открыты в 1940 -х годах, только через полвека стало понятно, насколько масштабным является их вклад в геном организмов. Так, изучение первой нуклеотидной последовательности (секвенирование) генома человека показало, что мобильных элементов в последовательности ДНК не менее 50 %. Точную оценку получить трудно, поскольку некоторые транспозонные участки со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать как таковые.
МГЭ (3) • • • Транспозоны формально относятся к так называемой некодирующей части генома – той, которая в последовательности пар оснований ДНК не несёт информацию об аминокислотных последовательностях белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, транскрибируются и катализируют ряд биохимических процессов. У растений транспозоны могут занимать основную часть генома – так, у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2, 3 миллиардов пар оснований по крайней мере 85 % составляют различные мобильные элементы. История открытия транспозонов. Барбара Макклинток исследовала вариации окраски зерна и листьев кукурузы, и в 1948 году путём цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что геном эукариот не статичен, а содержит участки, которые могут передвигаться. Долгое время этому открытию, не предавали должного внимания, но в 1983 году за эту работу Барбара Макклинток получила Нобелевскую премию. Хотя транспозоны были открыты в 1940 -х годах, только через полвека стало понятно, насколько масштабным является их вклад в геном организмов. Так, изучение первой нуклеотидной последовательности (секвенирование) генома человека показало, что мобильных элементов в последовательности ДНК не менее 50 %. Точную оценку получить трудно, поскольку некоторые транспозонные участки со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать как таковые.
МГЭ (4) • • • Поскольку транспозоны потенциально способны вызывать вредные мутации и поломки хроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномно-паразитической. Но в начале XXI столетия появляется всё больше данных о возможных благоприятных эффектах транспозонов для организмов, об эволюционном влиянии ретротранспозонов на геном плацентарных млекопитающих. Типы транспозонов и механизмы их передвижения. МГЭ относятся к повторяющимся элементам генома – тем, которые имеют несколько копий в последовательности ДНК клетки. Повторяющиеся элементы генома могут располагаться в тандеме и могут быть рассеяны по геному. Мобильные генетические элементы по типу транспозиции можно разделить на два класса: ДНК-транспозоны, которые применяют метод «вырезать и вставить» , и ретро-транспозоны, передвижение которых имеет в своем алгоритме синтез РНК из ДНК с последующим обратным синтезом ДНК из молекулы РНК, то есть метод «копировать и вставить» . Транспозоны также можно разделить по степени автономности. Как ДНКтранспозоны, так и ретротранспозоны имеют автономные и неавтономные элементы. Неавтономные элементы для транспозиции нуждаются в ферментах, которые кодируются автономными элементами, которые часто содержат значительно изменённые участки транспозонов и дополнительные последовательности. Число неавтономных транспозонов в геноме может значительно превышать число автономных.
МГЭ (5) • • • Плазмиды – небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Как правило, плазмиды встречаются у бактерий и представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы, но изредка плазмиды встречаются также у архей и эвкариот. В природе плазмиды обычно содержат гены, повышающие устойчивость бактерии к неблагоприятным внешним факторам (в т. ч. устойчивость к антибиотикам), нередко они могут передаваться от одной бактерии к другой (иногда даже к бактерии другого вида) и, таким образом, служат средством горизонтального переноса генов. Попадание плазмиды в клетку может осуществляться двумя путями: либо при непосредственном контакте клетки-хозяина с другой клеткой в процессе конъюгации, либо путём трансформации, то есть искусственное введение в клетку плазмиды, которому предшествует изменение экспрессии определённого гена клетки-хозяина (приобретение клеткой компетентности). Искусственные плазмиды используются как векторы в клонировании ДНК, причём благодаря их способности к репликации обеспечивается возможность репликации рекомбинантной ДНК в клетке-хозяине. Размер плазмид варьирует от 1 до свыше 1000 тысяч пар оснований. Количество идентичных плазмид в пределах одной клетки изменяется от одной до тысяч в зависимости от дополнительных обстоятельств. Плазмиды можно считать частью мобилома, поскольку они часто передаются при конъюгации – механизме горизонтального переноса генов.
МГЭ (6) • • • Бактериофаги представляют собой один из основных подвижных генетических элементов. Посредством трансдукции они приносят в бактериальный геном новые гены. Было подсчитано, что за 1 секунду могут быть инфицированы 1024 бактерий. Это означает, что постоянный перенос генетического материала распределяется между бактериями, обитающими в сходных условиях. В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т. д. ) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги. Так, фаги, лизирующие клетки всех видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно богаты фагами чернозёмы и почвы, в которые вносились органические удобрения. Фаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Хотя они переносят всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них отсутствуют механизмы для выработки энергии и рибосомы для синтеза белка. У некоторых фагов в геноме содержится несколько тысяч оснований, тогда как фаг G, самый крупный из секвенированных фагов, содержит 480 000 пар оснований – вдвое больше среднего значения для бактерий, хотя всё же недостаточного количества генов для такого важнейшего бактериального органоида, как рибосомы.
МГЭ (7) • • Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определённого вида, более того, существуют так называемые типовые бактериофаги, лизирующие варианты внутри вида, хотя встречаются поливалентные бактериофаги, которые паразитируют в бактериях разных видов. Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. В настоящее время их применяют для лечения бактериальных инфекций, которые не чувствительны к традиционному лечению антибиотиками. В России терапевтические фаговые препараты делают давно, фагами лечили еще до антибиотиков. В последние годы фаги широко использовали при наводнениях в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию. Бактериофаги применяются в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция). В заключение данного раздела считаем необходимым повторить, что на самом деле ген еще сложнее и многограннее. Он тесно и неразрывно связан с окружающей его средой, понимая под средой и внешние экологические факторы, и внутриклеточные условия.