Geneetika põhikontseptsioon on idee geenist kui pärilikkuse ühikust. Allpool on kaks geeni määratlust. Geen on DNA osa, mis kodeerib kollineaarselt konkreetset valku või nukleiinhappeprodukti. Geen on 2-ahelalise DNA fragment, mis kannab teatud geneetilist teavet. E. coli-l on 4 tuhat geeni, pärmil 7 tuhat geeni ning Drosophilal ja lameussidel 15-20 tuhat geeni, 1989. aasta andmetel on jämedalt iseloomustatud umbes 5 tuhat geeni. ja kromosoomidele on kaardistatud (kaardistatud) umbes 2 tuhat geeni. 26. juunil 2000 teatas ajakirjandus, et USA, Inglismaa, Jaapani ja teiste programmis Human Genome osalevate riikide teadlased on lõpetanud suurema osa (üle 90%) inimese geneetilise koodi dešifreerimise tööst.

Järgmise 2 aasta jooksul on kavas selle meditsiini jaoks väga praktilise tähtsusega programmiga tööd täpsustada ja lõpule viia. Selle teemaga seoses on oluline meeles pidada, et geen hõivab kromosoomis teatud piirkonna (lookuse), see on DNA osa, mida saab esindada kümnete, sadade või tuhandete nukleotiidipaaridega. Praegu liigitatakse geenid funktsionaalsest geneetilisest vaatepunktist kolme rühma:

• 1. Struktuurigeenid - kodeerivad rakus sünteesitavate valkude struktuuri (struktuurvalgud, ensüümvalgud jne), samuti kodeerivad nukleotiidjärjestusi t-RNA ja r-RNA molekulides.
• 2. Reguleerivad (funktsionaalsed) geenid - kontrollivad ja suunavad struktuurgeenide tööd.
• 3. Modulaatorgeenid. Nende hulka kuuluvad inhibiitorgeenid (või supressorid), mis pärsivad teiste geenide funktsioone, intensiivistavad geenid, mis suurendavad teiste geenide funktsioone jne. Geenide ekson-introni struktuur.

20. sajandi 70ndatel avastati, et eukarüootide struktuurgeenid sisaldavad eksoneid (DNA lõigud, mis kannavad geneetilist teavet ja vastutavad teatud valkude osade sünteesi eest) ja introneid (DNA lõigud, mis ei kanna geneetilist teavet, mis on seotud andmetega kodeeritud valgu süntees). Introneid nimetatakse ka eksonite vahel asuvateks insertsioonideks. Seega on põhiline erinevus eukarüootsete geenide ja prokarüootsete geenide vahel see, et nende struktuurigeenidel on katkendlik, katkendlik struktuur. Erandiks on aga histoone ja interferoone kodeerivad geenid, mis ei sisalda introneid. Edasised uuringud näitasid, et enamikul eukarüootsetel geenidel on ekson-introni organisatsioon. Intronite pikkus varieerub väga laias vahemikus: 100–10 000 nukleotiidi või rohkemgi, sageli on nende kogupikkus suurem kui eksonite pikkus. Intronite ja eksonite arv on erinevates geenides erinev. Üks lühemaid on beeta-globiini geen, mis koosneb 1100 nukleotiidipaarist (bp), mis sisaldab 3 eksonit (90, 222, 126 bp) ja 2 intronit (116, 646 bp). Laiendatud geeni näide on düstrofiini geen, millel on 2,6 miljonit aluspaari ja üle 2000 eksoni.

Arvamus, et intronid on geeni mittefunktsionaalne osa, on vale. Ja kuigi nende bioloogilist rolli pole üksikasjalikult selgitatud, on intronite tähtsuse kohta mitmeid hüpoteese:

1) Sektsioonidest pärit geenide struktuur on kasulik geneetilise rekombinatsiooni ja geenide segamise protsesside jaoks. Mida kaugemal piki kromosoomi fragmendid paiknevad geneetiline materjal, seda suurem on rekombinatsiooni tõenäosus. Seetõttu on introni sisestamine kasulik. Intronite nukleotiidjärjestus on vähem konserveerunud kui eksonite oma ja evolutsioonis toimuvad kiired muutused.

Geenide osade segamist saab kasutada erinevatel eesmärkidel: a) see on viis uute geenide moodustamiseks; b) see on viis kahjulike mutatsioonide neutraliseerimiseks.

2) Eeldatakse intronite regulatiivset rolli geenide ekspressioonis (talitluses). Intronid võivad sisaldada võimendajaid. Need võivad kodeerida spetsiaalset ensüümi, mis osaleb mRNA splaissimises (vt järgmist küsimust). Geeni puudutava vestluse lõpetamisel on vaja märkida veel üks asjaolu. Eukarüootides eraldavad geenid üksteisest pikkade DNA lõikude abil, mida nimetatakse speisseriteks või separaatoriteks. Üha enam koguneb tõendeid selle kohta, et just speisserites paiknevad need DNA segmendid, millel on geenifunktsiooni reguleerimisel (transkriptsiooni reguleerimisel) otsustav roll. Valkude biosünteesi reguleerimine prokarüootides (soolestiku laktoosi operoni näitel).

Iga organismi kõigil rakkudel on täielik komplekt antud organismile iseloomulikud geenid. Samas on teada, et erinevate kudede ja elundite rakud erinevad neis sisalduvate valkude komplekti poolest. Omades täielikku geneetilist informatsiooni, kasutab iga rakk teatud arengufaasis ainult seda osa, mida parasjagu vaja läheb, transkribeeritakse (“töötavad”), mille saadusi rakk parasjagu vajab täita oma ülesandeid. Seetõttu peavad rakus olema mehhanismid, mis määravad, millised geenid tuleks transkribeerida ja millises järjestuses. Geeniaktiivsuse reguleerimist on kõige põhjalikumalt uuritud mikroorganismide ensüümvalkude sünteesi näidete abil.

Prokarüootide valkude biosünteesi reguleerimise teooria töötasid välja 20. sajandi 50. aastatel Prantsuse teadlased F. Jacob ja J. Monod. Nad töötasid välja opreooni kontseptsiooni ja selgitasid prokarüootides valkude biosünteesi reguleerimise aluspõhimõtteid. F. Jacobi ja J. Monodi teooria järgi on geenid funktsionaalselt erinevad: on struktuurgeenide rühm (kodeerivad raku poolt sünteesitavate polüpeptiidide, valkude, r-RNA, t-RNA struktuuri) ja rühm. reguleerivatest geenidest (need juhivad struktuursete geenide tööd, tavaliselt sidudes nendega erinevaid valgufaktoreid).

Geneetilise regulatsiooni ühikuks on operon, mis kujutab endast regulatoorsete geenide ja ühest või mitmest lineaarses järjestuses paikneva struktuurigeeni kogumit. Ühe operoni geenid paiknevad kõrvuti prokarüootses kromosoomis ja kodeerivad ensüüme, mis viivad läbi järjestikuseid sünteesi- või lõhustamisreaktsioone. Need geenid on ühise reguleeriva kontrolli all ning neid saab kooskõlastatult sisse ja välja lülitada. Üks ilmsemaid ja paremini uuritud näiteid on Escherichia coli laktoosi operon - geenide rühm, mis kontrollib piimasuhkrut - laktoosi - kataboliseerivate ensüümide sünteesi. Sõna otseses mõttes mõni minut pärast laktoosi lisamist E. coli toitainekeskkonnale hakkavad bakterid tootma 3 ensüümi: galaktosiidi permeaasi, beetalaktosidaasi ja galaktoeiidi transatsetülaasi. Niipea, kui laktoosiressursid söötmes on ammendatud, peatub ensüümide süntees koheselt.

Escherichia coli laktoosi operoni struktuur:

• 1. Operon algab sektsiooniga A – see on mõeldud aktivaatorvalgu (sinine ring) kinnitumiseks, mis omakorda on vajalik ensüümi järgmise sektsiooni (RNA polümeraasi) külge kinnitumiseks.
• 2. Järgmine sektsioon P (promootor) on RNA polümeraasi ensüümi kinnituskoht (roheline kolmnurk), see on koht, kust algab transkriptsioon.
• 3. Promootorile järgneb O (operaator) – see mängib olulist rolli operoni geenide transkriptsioonis, sest selle külge saab kinnitada reguleeriva repressorvalgu (punased 2 kolmnurka)
• 4. Operaatorile järgnevad struktuurgeenid (z, y, a), mis kodeerivad 3 eelnevalt mainitud ensüümvalgu konstrueerimist.
• 5. Operon lõpeb T-ga (terminaator) – lõiguga, mis peatab RNA polümeraasi progresseerumise ja operoni transkriptsiooni.
• 6. Struktuurgeenide töö põhiregulatsiooni teostab regulaatorvalk (punane 2 kolmnurk), mida kodeerib P (regulaatorgeen), mis ei ole operoni osa, vaid asub selle läheduses teises kohas. kromosoom.

Laktoosi operoni töö Reguleeriv repressorvalk sünteesitakse rakus pidevalt väikestes kogustes. Sellel valgul on afiinsus operaatorpiirkonna nukleotiidjärjestuse suhtes, samuti afiinsus laktoosi suhtes. Repressioon: laktoosi puudumisel seondub regulatoorvalk operaatori saidiga (O) ja takistab RNA polümeraasi liikumist mööda DNA-d: m-RNA-d ei sünteesita ja ensüümvalke ei sünteesita. Induktsioon: Peale laktoosi lisamist söötmele seondub regulatoorvalk sellega kiiremini kui operaatorikohaga, mis jääb vabaks ega sega RNA polümeraasi edasiliikumist. Transkriptsioon ja ülekanne on pooleli. Valke sünteesivad ensüümid lagundavad laktoosi. Pärast kogu laktoosi tarbimist ei seo enam miski regulatoorset valku ja see lõpeb jälle O-ga (operaator), mis peatab operoni transkriptsiooni.

Teine tuntud induktsiooni tüüp on positiivne induktsioon. See on iseloomulik Escherichia coli teisele operonile, mis kodeerib ensüüme teise suhkru - arabinoosi - katabolismiks. See operon on struktuurilt väga sarnane eelmisega. Reguleerimise erinevus seisneb selles, et söötmele lisatud arabinoos interakteerub repressorvalguga, vabastades operaatori saidi ja samal ajal muudab repressorvalgu aktivaatorvalguks, mis soodustab. RNA polümeraasi kinnitumine promootori külge. Nendel tingimustel toimub transkriptsioon. Niipea, kui söötmes olev arabinoosivaru on ammendatud, seondub sünteesitud repressorvalk uuesti operaatoriga, lülitades transkriptsiooni välja.

Lisaks induktsioonile on teada ka 2 tüüpi (negatiivne ja positiivne) repressiooniprintsiibil põhinevat regulatsiooni. Kui negatiivse induktsiooni käigus takistab efektor (indutseerija) repressorvalgu kinnitumist operaatori külge, siis negatiivse repressiooni korral annab efektor vastupidiselt regulatoorsele valgule võimaluse kinnituda operaatori külge. Kui esimesel juhul võimaldas efektori seos regulatoorse valguga transkriptsiooni, siis teisel juhul keelas see ära. Negatiivse repressiooni näide on hästi uuritud Escherichia coli trüptofaani operon.

See koosneb viiest struktuurgeenist, mis tagavad aminohappe trüptofaani sünteesi, operaatorist ja kahest promootorist. Regulaatorvalk sünteesitakse väljaspool trüptofooni operonit. Kui rakk suudab kogu sünteesitud trüptofaani ära tarbida, siis operon töötab ja trüptofaani süntees jätkub. Kui rakku ilmub liigne trüptofaan, ühineb see regulatoorse valguga ja muudab seda nii, et see valk omandab operaatori suhtes afiinsuse. Muutunud regulaatorvalk interakteerub operaatoriga ja häirib struktuursete geenide transkriptsiooni, mille tulemusena trüptofaani süntees seiskub. Positiivse repressiooni korral jätab efektor regulatoorse valgu võimest seonduda operaatoriga, määrates nii struktuursete geenide transkriptsiooni.

Kirjeldatud regulatsioonitüübid iseloomustavad üksikute operonite reguleerimise mehhanisme, praktiliselt puudutamata genoomi ekspressiooni regulatsiooni tervikuna, samas on üsna ilmne, et erinevate operonite regulatsiooni tuleb koordineerida. Seda erinevate operonite ja geenide töö koordineeritud olemust nimetatakse viiruste ja faagide kaskaadregulatsiooniks. Kaskaadregulatsiooni põhimõtte kohaselt toimub esmalt “varajaste” geenide transkriptsioon, seejärel “varajaste” ja lõpuks “hiliste” geenide transkriptsioon, olenevalt sellest, milliseid valke on vaja viirusinfektsiooni (faagi) erinevates etappides.

Loomulikult on faagide kaskaadiregulatsiooni põhimõte üks lihtsamaid. Keerulisemalt organiseeritud organismides on suure hulga samaaegselt või teatud järjestusega esinevate funktsioonide täitmiseks vajalik paljude geenide ja operonite koordineeritud töö See kehtib eriti eukarüootide kohta, mida eristab mitte ainult a genoomi keerulisem korraldus, aga ka paljud teised geeniaktiivsuse reguleerimise mehhanismide tunnused.

Vastavalt reguleerimispõhimõtetele võib eukarüootsed geenid jagada kolme rühma:

• 1) toimib kõigis keharakkudes;
• 2) toimimine ainult ühte tüüpi kudedes;
• 3) rakendamise tagamine spetsiaalsed rakud spetsiifilisi funktsioone.

Lisaks on eukarüootides teada geenide aktiivsuse samaaegne grupi seiskumine, mille viivad läbi histoonid, peamised kromosoomid moodustavad valgud. Teine oluline erinevus eukarüootide transkriptsioonis on see, et paljud mRNA-d kaua aega säilitatakse rakus spetsiaalsete osakeste - informosoomide - kujul, samal ajal kui prokarüootide m-RNA, mis on praktiliselt veel transkriptsiooniprotsessis, siseneb ribosoomidesse, transleeritakse ja hävib seejärel kiiresti.

Samal ajal on palju tõendeid selle kohta, et transkriptsioon eukarüootides toimub piirkondadest, mis on sarnased prokarüootsete operonitega ning koosnevad regulatoorsetest ja struktuursetest geenidest. Eukarüootsete operonite eripäraks on see, et need sisaldavad peaaegu alati ainult struktuurgeeni ning teatud metaboolsete transformatsioonide ahela erinevaid etappe kontrollivad geenid on hajutatud kromosoomides ja isegi erinevates kromosoomides.

Teine eristav omadus eukarüootsed operonid seisnevad selles, et need koosnevad olulistest (eksonid) ja ebaolulistest (intronid) piirkondadest. vaheldumisi üksteisega. Transkriptsiooni käigus loetakse nii eksoneid kui introneid ning saadud messenger-RNA prekursor (pro-mRNA) läbib seejärel küpsemise (töötlemise), mille tulemusena intronid välja lõigatakse ja m-RNA ise moodustub (splaising).

Eukarüootides on teada ka muud tüüpi geenide aktiivsuse reguleerimine, näiteks positsiooniefekt või annuse kompenseerimine. Esimesel juhul räägime geenide aktiivsuse muutumisest sõltuvalt konkreetsest keskkonnast: geeni liikumine ühest kromosoomi kohast teise võib kaasa tuua muutuse nii selle kui ka läheduses asuvate geenide aktiivsuses. Teisel juhul ei avaldu ühegi geeni ühe doosi puudumine (peamiselt puudutab see heterogameetilise soo sugukromosoomides lokaliseeritud geene, kui üks homoloogsetest sugukromosoomidest on kas geneetiliselt inertne või puudub täielikult) fenotüüpiliselt. järelejäänud geeni aktiivsuse kompenseeriv tõus Üldiselt ei ole eukarüootide geeniaktiivsuse regulatsiooni piisavalt uuritud.

Geen (vanakreeka γένος - perekond) on elusorganismide pärilikkuse struktuurne ja funktsionaalne üksus. Geen on DNA järjestus, mis määrab konkreetse polüpeptiidi või funktsionaalse RNA järjestuse. Geenid (täpsemalt geenialleelid) määravad ära organismide pärilikud omadused, mis kanduvad vanematelt järglastele edasi sigimise käigus. Pealegi on mõnel organellil (mitokondrid, plastiidid) oma DNA, mis need määratleb, ega kuulu organismi genoomi.

Praegu, sisse molekulaarbioloogia On kindlaks tehtud, et geenid on DNA lõigud, mis kannavad mingisugust terviklikku informatsiooni – ühe valgumolekuli või ühe RNA molekuli struktuuri kohta. Need ja teised funktsionaalsed molekulid määravad keha arengu, kasvu ja toimimise.

Samas iseloomustab iga geeni hulk spetsiifilisi regulatoorseid DNA järjestusi, näiteks promootoreid, mis on otseselt seotud geeni ekspressiooni reguleerimisega. Reguleerivad järjestused võivad paikneda kas valku kodeeriva avatud lugemisraami vahetus läheduses või RNA järjestuse alguses, nagu promootorite puhul (nn cis-regulatoorsed elemendid) või paljude miljonite kaugusel. aluspaarid (nukleotiidid), nagu võimendajate, isolaatorite ja supressorite puhul (mõnikord klassifitseeritakse transregulatiivseteks elementideks). Seega ei piirdu geeni mõiste ainult DNA kodeeriva piirkonnaga, vaid on laiem mõiste, mis hõlmab ka regulatoorseid järjestusi.

Algselt ilmus termin geen diskreetse päriliku teabe edastamise teoreetilise üksusena. Bioloogia ajalugu mäletab vaidlusi selle üle, millised molekulid võivad olla päriliku teabe kandjad. Enamik teadlasi uskus, et sellisteks kandjateks võivad olla ainult valgud, kuna nende struktuur (20 aminohapet) võimaldab luua rohkem variante kui DNA struktuur, mis koosneb vaid nelja tüüpi nukleotiididest. Hiljem tõestati eksperimentaalselt, et just DNA sisaldab pärilikku teavet, mida väljendati molekulaarbioloogia keskse dogmana.

Geenid võivad läbi viia mutatsioone – juhuslikke või sihipäraseid muutusi DNA ahela nukleotiidide järjestuses. Mutatsioonid võivad viia järjestuse muutumiseni ja seega ka muutuseni bioloogilised omadused valk või RNA, mis omakorda võib põhjustada üldist või lokaalset muutunud või ebanormaalset organismi talitlust. Sellised mutatsioonid on mõnel juhul patogeensed, kuna põhjustavad haigusi või surmavad embrüonaalsel tasemel. Kuid mitte kõik muutused nukleotiidjärjestuses ei too kaasa muutusi valgu struktuuris (geneetilise koodi degeneratsiooni mõju tõttu) või järjestuse olulist muutust ega ole patogeensed. Eelkõige iseloomustavad inimese genoomi ühe nukleotiidi polümorfismid ja koopiate arvu variatsioonid, nagu deletsioonid ja dubleerimised, mis moodustavad ligikaudu 1% kogu inimese nukleotiidjärjestusest. Eelkõige määratlevad ühe nukleotiidi polümorfismid ühe geeni erinevaid alleele.

Iga DNA ahela moodustavad monomeerid on komplekssed orgaanilised ühendid, mis sisaldavad lämmastiku aluseid: adeniin (A) või tümiin (T) või tsütosiin (C) või guaniin (G), viieaatomiline suhkur, pentoosdesoksüriboos, mis on oma nime saanud ja DNA. nimetati ennast, aga ka fosforhappejääki. Neid ühendeid nimetatakse nukleotiidideks.

Geeni omadused.

diskreetsus – geenide segunematus;

stabiilsus - võime säilitada struktuuri;

labiilsus - võime korduvalt muteeruda;

mitmekordne alleelism – populatsioonis eksisteerib palju geene mitmel molekulaarsel kujul;

alleelsus - diploidsete organismide genotüübis on ainult kaks geenivormi;

spetsiifilisus – iga geen kodeerib oma tunnust;

pleiotroopia - geeni mitmekordne toime;

ekspressiivsus – geeni ekspressiooniaste tunnuses;

penetrance - geeni avaldumise sagedus fenotüübis;

amplifikatsioon – geeni koopiate arvu suurendamine.

Geeni struktuur.

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt koosneb eukarüootides teatud valgu sünteesi kodeeriv geen mitmest olulisest elemendist. Esiteks on see ulatuslik reguleeriv tsoon, millel on tugev mõju geeni aktiivsusele konkreetses kehakoes selle teatud etapis. individuaalne areng. Järgmisena asub vahetult geeni kodeerivate elementide kõrval promootor – kuni 80-100 nukleotiidipaari pikkune DNA järjestus, mis vastutab geeni transkribeeriva RNA polümeraasi sidumise eest. Promootorile järgneb geeni struktuurne osa, mis sisaldab informatsiooni vastava valgu primaarstruktuuri kohta. Enamiku eukarüootsete geenide puhul on see piirkond reguleerivast tsoonist oluliselt lühem, kuid selle pikkust saab mõõta tuhandetes nukleotiidipaarides.

Eukarüootsete geenide oluline tunnus on nende katkematus. See tähendab, et geeni valku kodeeriv piirkond koosneb kahte tüüpi nukleotiidjärjestustest. Mõned - eksonid - on DNA lõigud, mis kannavad teavet valgu struktuuri kohta ja on osa vastavast RNA-st ja valgust. Teised – intronid – ei kodeeri valgu struktuuri ja ei sisaldu küpses mRNA molekulis, kuigi transkribeeritakse. Intronite - RNA molekuli "mittevajalike" lõikude väljalõikamise ja mRNA moodustumise ajal eksonite splaissimise protsessi viivad läbi spetsiaalsed ensüümid ja seda nimetatakse splaissimiseks (ristsidumine, splaissimine). Eksonid ühendatakse tavaliselt samas järjekorras, nagu nad DNA-s esinevad. Siiski ei ole absoluutselt kõik eukarüootsed geenid katkendlikud. Teisisõnu, mõnes geenis, nagu bakteriaalsetes, on nukleotiidjärjestus täielik vastavus nendes kodeeritavate valkude primaarstruktuurile. Seega on eukarüootne geen paljuski sarnane prokarüootse operoniga, kuigi erineb sellest keerukama ja laiendatud regulatoorse tsooni poolest ning ka selle poolest, et tavaliselt kodeerib ta ainult ühte valku, mitte mitut, nagu operon. bakterid.

8.1. Geen kui pärilikkuse diskreetne ühik

Üks geneetika põhimõisteid selle arengu kõigil etappidel oli pärilikkuse ühiku kontseptsioon. Geneetika (pärilikkuse ja muutlikkuse teaduse) rajaja G. Mendel jõudis 1865. aastal oma hernestega tehtud katsete tulemuste põhjal järeldusele, et pärandmaterjal on diskreetne, s.o. mida esindavad üksikud pärilikkuse ühikud. Pärilikkuse ühikuid, mis vastutavad individuaalsete omaduste kujunemise eest, nimetas G. Mendel “kaldudeks”. Mendel väitis, et kehas on mis tahes tunnuse jaoks paar alleelset kalduvust (üks kummaltki vanemalt), mis ei suhtle üksteisega, ei segune ega muutu. Seetõttu siseneb organismide sugulisel paljunemisel sugurakkudesse ainult üks pärilikest kalduvustest "puhtal" muutumatul kujul.

Hiljem said G. Mendeli oletused pärilikkuse ühikute kohta täieliku tsütoloogilise kinnituse. 1909. aastal nimetas Taani geneetik V. Johansen Mendeli pärilikke kalduvusi geenideks.

Klassikalise geneetika raames käsitletakse geeni kui päriliku materjali funktsionaalselt jagamatut ühikut, mis määrab mis tahes elementaarse tunnuse kujunemise.

Konkreetse geeni oleku erinevaid variante, mis tulenevad muutustest (mutatsioonidest), nimetatakse "alleelideks" (alleelseteks geenideks). Geeni alleelide arv populatsioonis võib olla märkimisväärne, kuid konkreetses organismis on teatud geeni alleelide arv alati võrdne kahega – vastavalt homoloogsete kromosoomide arvule. Kui populatsioonis on geeni alleelide arv suurem kui kaks, nimetatakse seda nähtust "mitmekordseks alleelismiks".

Geene iseloomustavad kaks vastandit bioloogiline tähtsus omadused: selle struktuurse organisatsiooni kõrge stabiilsus ja võime läbida pärilikke muutusi (mutatsioone). Tänu nendele ainulaadsetele omadustele on see tagatud: ühelt poolt bioloogiliste süsteemide stabiilsus (muutmatus mitme põlvkonna vältel) ja teiselt poolt nende ajaloolise arengu protsess, tingimustega kohanemise kujunemine. keskkond, st. evolutsioon.

8.2. Geen kui geneetilise informatsiooni ühik. Geneetiline kood.

Isegi Aristoteles väitis rohkem kui 2500 aastat tagasi, et sugurakud ei ole tulevase organismi miniatuursed versioonid, vaid struktuurid, mis sisaldavad teavet embrüote arengu kohta (kuigi ta tunnistas ainult munaraku tähtsust sperma arvelt). Selle idee arendamine kaasaegses uurimistöös sai aga võimalikuks alles pärast 1953. aastat, mil J. Watson ja F. Crick töötasid välja DNA struktuuri kolmemõõtmelise mudeli ning lõid sellega teaduslikud eeldused päriliku informatsiooni molekulaarse aluse paljastamiseks. Sellest ajast algas kaasaegse molekulaargeneetika ajastu.

Molekulaargeneetika areng viis geneetilise (päriliku) teabe keemilise olemuse avastamiseni ja täitis konkreetse tähendusega idee geenist kui geneetilise teabe ühikust.

Geneetiline informatsioon on DNA pärilikesse struktuuridesse põimitud teave elusorganismide omaduste ja omaduste kohta, mis realiseerub ontogeneesis valgusünteesi teel. Iga uus põlvkond saab pärilikku teavet organismi arendamise programmina oma esivanematelt genoomigeenide komplekti kujul. Päriliku teabe ühik on geen, mis on funktsionaalselt jagamatu DNA osa, millel on spetsiifiline nukleotiidjärjestus, mis määrab konkreetse polüpeptiidi või RNA nukleotiidide aminohappejärjestuse.

Pärilik teave valgu primaarstruktuuri kohta kirjutatakse geneetilise koodi abil DNA-sse.

Geneetiline kood on süsteem geneetilise teabe salvestamiseks DNA (RNA) molekulis kindla nukleotiidijärjestuse kujul. See kood toimib võtmena mRNA nukleotiidjärjestuse transleerimiseks polüpeptiidahela aminohappejärjestuseks selle sünteesi ajal.

Geneetilise koodi omadused:

1. Kolmilisus – iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus (triplet või koodon)

2. Degeneratsioon – enamik aminohappeid on krüpteeritud rohkem kui ühe koodoniga (2 kuni 6). DNA-s või RNA-s on 4 erinevat nukleotiidi, mis teoreetiliselt võivad moodustada 64 erinevat kolmikut (4 3 = 64), et kodeerida valke moodustavat 20 aminohapet. See seletab geneetilise koodi degeneratsiooni.

3. Mittekattuvus – sama nukleotiid ei saa olla samaaegselt kahe naaberkolmiku osaks.

4. Spetsiifilisus (üheselt mõistetavus) – iga kolmik kodeerib ainult ühte aminohapet.

5. Koodil pole kirjavahemärke. Info lugemine mRNA-st valgusünteesi ajal läheb alati vastavalt mRNA koodonite järjestusele suunas 5, - 3. Kui üks nukleotiid läheb kaduma, siis selle lugemisel tuleb asemele lähim nukleotiid naaberkoodist, mis muudab aminohappe koostist valgumolekulis.

6. Kood on universaalne kõigile elusorganismidele ja viirustele: identsed kolmikud kodeerivad samu aminohappeid.

Geneetilise koodi universaalsus näitab kõigi elusorganismide päritolu ühtsust

Geneetilise koodi universaalsus pole aga absoluutne. Mitokondrites on paljudel koodonitel erinev tähendus. Seetõttu räägivad nad mõnikord geneetilise koodi peaaegu universaalsusest. Mitokondrite geneetilise koodi tunnused viitavad selle evolutsiooni võimalusele eluslooduse ajaloolise arengu protsessis.

Universaalse geneetilise koodi kolmikute hulgas ei kodeeri kolm koodonit aminohappeid ja määravad antud polüpeptiidi molekuli sünteesi lõpuleviimise hetke. Need on niinimetatud "mõttetu" koodonid (stoppkoodonid või terminaatorid). Nende hulka kuuluvad: DNA-s – ATT, ACT, ATC; RNA-s – UAA, UGA, UAG.

Nukleotiidide vastavust DNA molekulis aminohapete järjestusele polüpeptiidi molekulis nimetatakse kollineaarsuseks. Päriliku teabe rakendamise mehhanismi dešifreerimisel mängis otsustavat rolli kollineaarsuse eksperimentaalne kinnitamine.

Geneetilise koodi koodonite tähendused on toodud tabelis 8.1.

Tabel 8.1. Geneetiline kood (aminohapete mRNA koodonid)

Selle tabeli abil saab aminohappeid määrata mRNA koodonitega. Esimene ja kolmas nukleotiid võetakse vertikaalsetest veergudest, mis asuvad paremal ja vasakul, ja teine ​​- horisontaalsest. Kui tingimuslikud jooned lõikuvad, sisaldab teavet vastava aminohappe kohta. Pange tähele, et tabelis on näidatud mRNA kolmikud, mitte DNA.

Geeni struktuurne ja funktsionaalne korraldus

Geeni molekulaarbioloogia

Kaasaegne arusaam geeni struktuurist ja talitlusest kujunes kooskõlas uue suunaga, mida J. Watson nimetas geeni molekulaarbioloogiaks (1978)

Oluline etapp geeni struktuurse ja funktsionaalse korralduse uurimisel olid S. Benzeri tööd 1950. aastate lõpus. Nad tõestasid, et geen on nukleotiidjärjestus, mis võib muutuda rekombinatsiooni ja mutatsiooni tulemusena. S. Benzer nimetas rekombinatsiooniüksust rekoniks ja mutatsiooniüksust moutoniks. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et muton ja recon vastavad samale nukleotiidide paarile. S. Benzer nimetas geneetilise funktsiooni ühikut tsistroniks.

IN viimastel aastatel Sai teada, et geenil on keeruline sisemine struktuur ja selle üksikutel osadel on erinevad funktsioonid. Geenis saab tuvastada geeni nukleotiidjärjestuse, mis määrab polüpeptiidi struktuuri. Seda järjestust nimetatakse tsistroniks.

Tsistron on DNA nukleotiidide järjestus, mis määrab polüpeptiidahela individuaalse geneetilise funktsiooni. Geeni võib esindada üks või mitu tsistronit. Kompleksseid geene, mis sisaldavad mitut tsistronit, nimetatakse polütsistrooniline.

Geeniteooria edasiarendamine on seotud geneetilise materjali korralduse erinevuste tuvastamisega taksonoomiliselt üksteisest kaugemal asuvates organismides, milleks on pro- ja eukarüootid.

Prokarüootse geeni struktuur

Prokarüootides, mille tüüpilised esindajad on bakterid, on enamik geene esindatud pidevate informatiivsete DNA lõikudega, mille kogu teavet kasutatakse polüpeptiidi sünteesil. Bakterites hõivavad geenid 80-90% DNA-st. Peamine omadus prokarüootsed geenid on nende seos rühmadeks või operoniteks.

Operon on järjestikuste struktuurigeenide rühm, mis on ühe DNA regulatoorse piirkonna kontrolli all. Kõik operoni seotud geenid kodeerivad ühe metaboolse raja (näiteks laktoosi lagunemise) ensüüme. Sellist tavalist mRNA molekuli nimetatakse polütsistrooniliseks. Ainult mõned prokarüootsed geenid transkribeeritakse individuaalselt. Nende RNA-d nimetatakse monotsistrooniline.

Operoni tüüpi organisatsioon võimaldab bakteritel kiiresti vahetada ainevahetust ühelt substraadilt teisele. Bakterid ei sünteesi vajaliku substraadi puudumisel teatud ainevahetusraja ensüüme, vaid on võimelised neid sünteesima substraadi ilmumisel.

Eukarüootse geeni struktuur

Enamikul eukarüootsetest geenidest (erinevalt prokarüootsetest geenidest) on iseloomulik tunnus: need ei sisalda mitte ainult polüpeptiidi struktuuri kodeerivaid piirkondi - eksoneid, vaid ka mittekodeerivaid - introneid. Intronid ja eksonid vahelduvad üksteisega, mis annab geenile katkendliku (mosaiikse) struktuuri. Intronite arv geenides varieerub 2-st kümneni. Intronite roll pole täiesti selge. Arvatakse, et nad osalevad geneetilise materjali rekombinatsiooni protsessides, samuti geeniekspressiooni reguleerimise protsessides (geneetilise teabe rakendamine).

Tänu geenide ekson-introni organiseerimisele luuakse eeldused alternatiivseks splaissimiseks. Alternatiivne splaissimine on protsess, mille käigus "lõikatakse" primaarsest RNA transkriptist välja erinevad intronid, mille tulemusena saab ühe geeni põhjal sünteesida erinevaid valke. Alternatiivse splaissimise nähtus esineb imetajatel erinevate immunoglobuliini geenidel põhinevate antikehade sünteesi ajal.

Edasised uuringud Geneetilise materjali peenstruktuur on veelgi keerulisemaks muutnud mõiste “geen” definitsiooni selgust. Eukarüootses genoomis on avastatud ulatuslikud regulatoorsed piirkonnad erinevate sektsioonidega, mis võivad paikneda väljaspool transkriptsiooniühikuid kümnete tuhandete nukleotiidipaaride kaugusel. Eukarüootse geeni struktuuri, sealhulgas transkribeeritud ja reguleerivaid piirkondi, võib kujutada järgmiselt.

Joonis 8.1. Eukarüootse geeni struktuur

1 – võimendajad; 2 – summutid; 3 – promootor; 4 – eksonid; 5 – intronid; 6 – transleerimata piirkondi kodeerivate eksonite lõigud.

Promootor on DNA osa, mis seondub RNA polümeraasiga ja moodustab DNA-RNA polümeraasi kompleksi RNA sünteesi käivitamiseks.

Enhanserid on transkriptsiooni võimendajad.

Summutid on transkriptsiooni nõrgendajad.

Praegu peetakse geeni (tsistron) funktsionaalselt jagamatuks päriliku oskuse ühikuks, mis määrab organismi mis tahes tunnuse või omaduse arengu. Molekulaargeneetika seisukohast on geen DNA osa (mõnes RNA viiruses), mis kannab teavet polüpeptiidi, transpordi ja ribosomaalsete RNA molekulide primaarstruktuuri kohta.

Inimese diploidsetes rakkudes on ligikaudu 32 000 paari geene. Enamik geene igas rakus on vaiksed. Aktiivsete geenide komplekt sõltub koe tüübist, organismi arenguperioodist ja vastuvõetud välis- või sisesignaalidest. Võime öelda, et iga rakk "kõlab" oma geenide akordi, mis määrab sünteesitud RNA, valkude spektri ja vastavalt ka raku omadused.

Viiruse geeni struktuur

Viirustel on geenistruktuur, mis peegeldab peremeesraku geneetilist struktuuri. Seega on bakteriofaagide geenid kokku pandud operoniteks ja neil ei ole introneid, eukarüootsetel viirustel on aga intronid.

Viiruse genoomide iseloomulik tunnus on geenide kattumine ("geen geenis")."Kattuvates" geenides kuulub iga nukleotiid samasse koodonisse, kuid samast nukleotiidjärjestusest pärineva geneetilise teabe lugemiseks on erinevad raamid. Seega on faagil φ X 174 DNA molekuli osa, mis on osa korraga kolmest geenist. Kuid nendele geenidele vastavaid nukleotiidjärjestusi loetakse igaüks oma võrdlussüsteemis. Seetõttu ei saa me rääkida koodi "kattumisest".

Selline geneetilise materjali organiseerimine ("geen geenis") laiendab suhteliselt väikese viirusgenoomi teabevõimet. Viiruste geneetilise materjali toimimine toimub sõltuvalt viiruse struktuurist erinevalt, kuid alati peremeesraku ensüümsüsteemi kaasabil. Erinevad viisid, kuidas geenid on viirustes, pro- ja eukarüootides organiseeritud, on näidatud joonisel 8.2.

Funktsionaalne – geenide geneetiline klassifikatsioon

On mitmeid geenide klassifikatsioone. Näiteks alleelsed ja mittealleelsed geenid, letaalsed ja poolsurmavad geenid " majapidamine", "luksusgeenid" jne.

Majapidamisgeenid- aktiivsete geenide kogum, mis on vajalik kõigi keharakkude toimimiseks, sõltumata koe tüübist või organismi arenguperioodist. Need geenid kodeerivad ensüüme transkriptsiooniks, ATP sünteesiks, replikatsiooniks, DNA parandamiseks jne.

"Luksus" geenid omavad valikulist tegevust. Nende toimimine on spetsiifiline ja sõltub koe tüübist, organismi arenguperioodist ning vastuvõetud välis- või sisesignaalidest.

Tuginedes kaasaegsetele arusaamadele geenist kui päriliku materjali funktsionaalselt jagamatust ühikust ja genotüübi süsteemsest korraldusest, võib kõik geenid põhimõtteliselt jagada kahte rühma: struktuursed ja regulatoorsed.

Reguleerivad geenid– kodeerivad spetsiifiliste, struktuursete geenide talitlust mõjutavate valkude sünteesi selliselt, et erinevate kudede rakkudes sünteesitakse vajalikke valke vajalikus koguses.

Struktuurne nimetatakse geenideks, mis kannavad teavet valgu, rRNA või tRNA primaarstruktuuri kohta. Valku kodeerivad geenid kannavad teavet spetsiifiliste polüpeptiidide aminohappejärjestuse kohta. Nendest DNA osadest transkribeeritakse mRNA, mis toimib valgu primaarstruktuuri sünteesi mallina.

rRNA geenid(seal on 4 sorti) sisaldavad teavet ribosomaalse RNA nukleotiidjärjestuse kohta ja määravad nende sünteesi.

tRNA geenid(rohkem kui 30 sorti) kannavad teavet ülekande-RNA-de struktuuri kohta.

Struktuursed geenid, mille toimimine on tihedalt seotud spetsiifiliste järjestustega DNA molekulis, mida nimetatakse regulatsioonipiirkondadeks, jaotatakse:

· sõltumatud geenid;

· korduvad geenid;

· geeniklastrid.

Sõltumatud geenid– need on geenid, mille transkriptsioon ei ole seotud teiste geenide transkriptsiooniga transkriptsiooniüksuses. Nende aktiivsust saab reguleerida eksogeensete ainetega, näiteks hormoonidega.

Korduvad geenid esinevad kromosoomis ühe geeni kordustena. Ribosomaalset 5-S-RNA geeni korratakse sadu kordi ja kordused asetsevad tandemina, st üksteise järel ilma lünkadeta.

Geeniklastrid on erinevate struktuursete geenide rühmad, millel on seotud funktsioonid, mis paiknevad kromosoomi teatud piirkondades (lookuses). Klastrid esinevad sageli ka kromosoomis korduste kujul. Näiteks histooni geenide klaster kordub inimese genoomis 10-20 korda, moodustades tandemkorduste rühma (joonis 8.3.).

Joon.8.3. Histooni geeniklaster

Harvade eranditega transkribeeritakse klastrid tervikuna – ühe pika eel-mRNA-na. Seega sisaldab histooni geeniklastri pre-mRNA teavet kõigi viie histooni valgu kohta. See kiirendab histooni valkude sünteesi, mis osalevad kromatiini nukleosoomistruktuuri moodustamises.

Samuti on keerukaid geeniklastreid, mis võivad kodeerida pikki polüpeptiide, millel on mitu ensümaatilise aktiivsust. Näiteks üks NeuraSpora grassa geenidest kodeerib polüpeptiidi molekulmassiga 150 000 daltonit, mis vastutab aromaatsete aminohapete biosünteesi 5 järjestikuse etapi eest. Arvatakse, et multifunktsionaalsetel valkudel on mitu domeeni - konformatsiooniliselt piiratud poolautonoomsed moodustised polüpeptiidahelas, mis täidavad spetsiifilisi funktsioone. Poolfunktsionaalsete valkude avastamine andis alust arvata, et need on ühe geeni pleiotroopse toime üheks mehhanismiks mitme tunnuse kujunemisel.

Nende geenide kodeerivasse järjestusse võib sisestada mittekodeerivad geenid, mida nimetatakse introniteks. Lisaks võivad geenide vahel olla vahe- ja satelliit-DNA lõigud (joonis 8.4).

Joon.8.4. Nukleotiidjärjestuste (geenide) struktuurne korraldus DNA-s.

Välise DNA asub geenide vahel ega ole alati transkribeeritud. Mõnikord sisaldab geenidevaheline lõik sellisest DNA-st (nn speisser) mõnda transkriptsiooni reguleerimisega seotud teavet, kuid see võib olla ka lihtsalt lühikesed korduvad liigse DNA järjestused, mille roll jääb ebaselgeks.

Satelliidi DNA sisaldab suurt hulka korduvate nukleotiidide rühmi, millel puudub tähendus ja mida ei transkribeerita. See DNA asub sageli mitootiliste kromosoomide tsentromeeride heterokromatiini piirkonnas. Üksikud geenid satelliit-DNA hulgas omavad struktuurigeene reguleerivat ja võimendavat toimet.

Mikro- ja minisatelliidi DNA pakub molekulaarbioloogia ja meditsiinigeneetika jaoks suurt teoreetilise ja praktilise huvi.

Mikrosatelliidi DNA– 2-6 (tavaliselt 2-4) nukleotiidi lühikesed tandemkordused, mida nimetatakse STR-ks. Kõige tavalisemad on nukleotiidide CA kordused. Korduste arv võib oluliselt erineda erinevad inimesed. Mikrosatelliite leidub valdavalt teatud DNA osades ja need on päritud vastavalt Mendeli seadustele. Laps saab ühe kromosoomi emalt teatud arvu kordustega ja teise oma isalt erineva korduste arvuga. Kui selline mikrosatelliitide klaster asub monogeense haiguse eest vastutava geeni lähedal või geeni sees, siis võib teatud arv kordusi kogu klastri pikkuses olla patoloogilise geeni marker. Seda funktsiooni kasutatakse geenihaiguste kaudsel diagnoosimisel.

Minisatelliidi DNA- 15-100 nukleotiidi tandemkordused. Neid nimetatakse VNTR-ideks – muutuva tandemkordused. Ka nende lookuste pikkus on erinevatel inimestel erinev ja võib olla patoloogilise geeni marker (märgis).

Mikro- ja makrosatelliitide DNA-sid kasutatakse:

1. Geenihaiguste diagnoosimiseks;

2. Kohtuarstlikus ekspertiisis isikute tuvastamiseks;

3. Isaduse tuvastamine muudes olukordades.

Koos struktuursete ja regulatoorsete korduvate järjestustega, mille funktsioonid on teadmata, on avastatud migreeruvad nukleotiidjärjestused (transposoonid, mobiilsed geenid), aga ka nn pseudogeenid eukarüootides.

Pseudogeenid on mittetoimivad DNA järjestused, mis on sarnased toimivate geenidega.

Tõenäoliselt tekkisid need dubleerimise teel ja koopiad muutusid mitteaktiivseks mutatsioonide tulemusena, mis häirisid mõningaid väljendusetappe.

Ühe versiooni kohaselt on pseudogeenid "evolutsiooniline reserv"; muul viisil - nad esindavad "evolutsiooni ummikuid", kõrvalmõju kunagi toiminud geenide ümberkorraldused.

Transposoonid on struktuurselt ja geneetiliselt diskreetsed DNA fragmendid, mis võivad liikuda ühest DNA molekulist teise. Esimest korda ennustas neid B. McClintock (joonis 8) 20. sajandi 40. aastate lõpus maisiga tehtud geneetiliste katsete põhjal. Maisiterade värvuse olemust uurides tegi ta oletuse, et on olemas nn mobiilsed ("hüppavad") geenid, mis võivad liikuda kogu raku genoomis. Olles maisiterade pigmentatsiooni eest vastutava geeni läheduses, blokeerivad mobiilsed geenid selle toimimist. Seejärel tuvastati bakterites transposoonid ja leiti, et need vastutavad bakterite resistentsuse eest erinevate toksiliste ühendite suhtes.

Riis. 8.5. Barbara McClintock ennustas kõigepealt mobiilsete ("hüppavate") geenide olemasolu, mis võivad liikuda kogu rakkude genoomis.

Mobiilsed geneetilised elemendid täidavad järgmisi funktsioone:

1. kodeerivad valke, mis vastutavad nende liikumise ja replikatsiooni eest.

2. põhjustada rakkudes palju pärilikke muutusi, mille tulemusena moodustub uus geneetiline materjal.

3. viib vähirakkude moodustumiseni.

4. olles integreeritud kromosoomide erinevatesse osadesse, inaktiveerivad või võimendavad raku geenide ekspressiooni;

5. on oluline tegur bioloogiline evolutsioon.

Geeniteooria hetkeseis

Kaasaegsed geeniteooriad kujunesid välja geneetika ülemineku tõttu analüüsi molekulaarsele tasemele ja peegeldavad pärilikkuse ühikute peent struktuurset ja funktsionaalset korraldust. Selle teooria peamised sätted on järgmised:

1) geen (tsistron) - päriliku materjali (organismides DNA ja mõnel viirusel RNA) funktsionaalne jagamatu ühik, mis määrab organismi päriliku tunnuse või omaduse avaldumise.

2) Enamik geene eksisteerib kahe või enama alternatiivse (üksteist välistava) alleeli variandina. Kõik antud geeni alleelid paiknevad samas kromosoomis kindlas piirkonnas, mida nimetatakse lookuseks.

3) Geeni sees võivad toimuda muutused mutatsioonide ja rekombinatsioonide vormis; Mutoni ja rekoni minimaalsed suurused on võrdsed ühe nukleotiidide paariga.

4) On struktuursed ja reguleerivad geenid.

5) Struktuurigeenid kannavad teavet teatud polüpeptiidi aminohapete järjestuse ja rRNA, tRNA nukleotiidide järjestuse kohta

6) Reguleerivad geenid kontrollivad ja suunavad robotit struktuurgeenidele.

7) geen ei osale otseselt valkude sünteesis, see on sünteesi maatriks erinevat tüüpi RNA-d, mis on otseselt seotud valkude sünteesiga.

8) Struktuurigeenides olevate nukleotiidide kolmikute paigutuse ja polüpeptiidi molekuli aminohapete järjestuse vahel on vastavus (kolineaarsus).

9) Enamik geenimutatsioone ei avaldu fenotüübis, kuna DNA molekulid on võimelised parandama (taastama oma natiivse struktuuri)

10) Genotüüp on süsteem, mis koosneb diskreetsetest ühikutest – geenidest.

11) Geeni fenootiline avaldumine oleneb genotüübilisest keskkonnast, milles geen paikneb, välis- ja sisekeskkonna tegurite mõjust.

1909. aastal pakkus Taani teadlane V. Johansen välja termini “geen”. Gene on kromosoomi DNA osa, mis kannab teavet ühe valgu, ülekande või ribosomaalse RNA molekuli kohta. Funktsionaalselt on geen lahutamatu üksus. Kuid geen koosneb eraldi osadest. Mõned neist on aktiivsed - neist kopeeritakse RNA - eksonid . Neid ei kopeerita teistelt. Neid kutsutakse intronid . Intronite arv geenides on erinev, igale geenile omane.

Struktuuri- ja regulatsioonigeenid

Prokarüootsete geenide struktuur. F. Jacobi ja J. L. Monodi pakutud operoni mudel

Geenid on struktuursed ja reguleerivad. Struktuurne - Need on geenid, mis kodeerivad ribonukleiinhapete ja valkude struktuuri. Need on suured (sadu ja tuhandeid nukleotiide).

Reguleerivad – need on geenid, mis toimivad ensüümide või bioloogiliselt aktiivsete ühendite kinnituskohana, mis mõjutavad struktuursete geenide aktiivsust ning osalevad DNA dubleerimise ja transkriptsiooni protsessides. Need on väikese suurusega (kuni mitu nukleotiidipaari).

Genoomid ja vahetükid

Eukarüootsete geenide struktuur

Geenide arv erinevad organismid mitmesugused. Konkreetsele liigile iseloomulikku haploidse komplekti geenide kogumit nimetatakse genoom .

Lihtsamad genoomid on viiruste genoomid. Need koosnevad ainult struktuurigeenidest.

Prokarüootsetel genoomidel on nii struktuursed kui ka regulatoorsed geenid. Pool molekuli pikkusest ei kanna teavet, kuna geenide vahelised alad - vahetükid - on "eraldusmärgid".

Kõige rohkem on eukarüootide genoomi keeruline struktuur. Neil on suurem kogus DNA-d, seega on palju struktuurseid ja reguleerivaid geene. Näiteks Drosophila genoomis on umbes 180 000 000 nukleotiidipaari ja peaaegu 10 tuhat struktuurgeeni Eukarüootsete organismide genoomis on DNA kogus alati palju suurem kui kodeerimiseks vajalik (8-10 korda). Põhjused on erinevad. Nukleotiidjärjestusi saab korrata mitu korda. Alati on palju DNA molekulide osi, mis ei kanna teavet ( vahetükid ).

"kromosoom" on sõnad, mis on tuttavad igale koolilapsele. Kuid selle teema idee on üsna üldine, kuna biokeemilisse džunglisse süvenemine nõuab eriteadmisi ja soovi seda kõike mõista. Ja isegi kui see on uudishimu tasemel, kaob see kiiresti materjali esitlemise raskuse all. Püüdkem mõista keerukust teaduslik-polaarsel kujul.

Geen on väikseim struktuurne ja funktsionaalne teave elusorganismide pärilikkuse kohta. Sisuliselt on see väike DNA tükk, mis sisaldab teadmisi teatud aminohapete järjestuse kohta valgu või funktsionaalse RNA (millega valk ka sünteesitakse) ehitamiseks. Geen määrab need omadused, mis päranduvad ja edasikanduvad suguvõsa ahelas edasi järglaste poolt. Mõnes üherakulises organismis toimub geeniülekanne, mis ei ole seotud nende liikide paljunemisega, seda nimetatakse horisontaalseks.

Geenid kannavad tohutut vastutust selle eest, kuidas iga rakk ja organism tervikuna välja näevad ja töötavad. Nad juhivad meie elu eostamise hetkest kuni viimase hingetõmbeni.

Esimese teadusliku sammu pärilikkuse uurimisel tegi Austria munk Gregor Mendel, kes 1866. aastal avaldas oma tähelepanekud herneste ristamise tulemuste kohta. Tema kasutatud pärandmaterjal näitas selgelt selliste tunnuste edasikandumise mustreid nagu herneste värvus ja kuju, aga ka lilled. See munk sõnastas seadused, millest sai alguse geneetika kui teadus. Geenide pärandumine toimub seetõttu, et vanemad annavad oma lapsele poole kõigist oma kromosoomidest. Seega moodustavad ema ja isa omadused segunedes uue kombinatsiooni olemasolevatest omadustest. Õnneks on võimalusi rohkem kui planeedil elavaid olendeid ja kaht absoluutselt identset olendit on võimatu leida.

Mendel näitas, et pärilikud kalduvused ei segune, vaid kanduvad vanematelt järglastele edasi diskreetsete (eraldi) üksuste kujul. Need üksikisikute paaridena (alleelidena) esitatud üksused jäävad diskreetseks ja kanduvad edasi järgmistele põlvkondadele isas- ja naissugurakkudes, millest igaüks sisaldab ühte ühikut igast paarist. 1909. aastal nimetas Taani botaanik Johansen neid üksusi geenideks. 1912. aastal näitas Ameerika Ühendriikide geneetik Morgan, et need asuvad kromosoomides.

Sellest ajast on möödunud rohkem kui poolteist sajandit ja uurimine on edenenud kaugemale, kui Mendel oleks osanud arvata. Praegu on teadlased asunud seisukohale, et geenides leiduv informatsioon määrab elusorganismide kasvu, arengu ja talitluse. Või isegi nende surm.

Klassifikatsioon

Geeni struktuur sisaldab lisaks informatsioonile valgu kohta ka juhiseid selle kohta, millal ja kuidas seda lugeda, samuti tühje lõike, mis on vajalikud erinevate valkude info eraldamiseks ja infomolekuli sünteesi peatamiseks.

Geene on kahte tüüpi:

1. Struktuurne – need sisaldavad teavet valkude või RNA ahelate struktuuri kohta. Nukleotiidide järjestus vastab aminohapete paigutusele.
2. Funktsionaalsed geenid vastutavad kõigi teiste DNA osade õige struktuuri, selle lugemise sünkroonsuse ja järjestuse eest.

Täna saavad teadlased vastata küsimusele: mitu geeni on kromosoomis? Vastus üllatab teid: umbes kolm miljardit paari. Ja seda on ainult ühel kahekümne kolmest. Genoom on väikseim struktuuriüksus, kuid see võib muuta inimese elu.

Mutatsioonid

Juhuslikku või sihipärast muutust DNA ahelas sisalduvate nukleotiidide järjestuses nimetatakse mutatsiooniks. See ei pruugi valgu struktuurile praktiliselt mingit mõju avaldada või võib selle omadusi täielikult moonutada. See tähendab, et tuleb kohalik või globaalsed tagajärjed selline muutus.

Mutatsioonid ise võivad olla patogeensed, st avalduda haiguste kujul või surmavad, takistades kehal elujõulise seisundini arenemist. Kuid enamik muutusi jäävad inimestele märkamatuks. Kustutused ja dubleerimine toimuvad DNA-s pidevalt, kuid ei mõjuta ühegi inimese elukäiku.

Kustutamine on teatud teavet sisaldava kromosoomi osa kadu. Mõnikord on sellised muutused kehale kasulikud. Need aitavad tal kaitsta end väliste agressioonide, näiteks inimese immuunpuudulikkuse viiruse ja katkubakterite eest.

Dubleerimine on kromosoomi lõigu kahekordistumine, mis tähendab, et ka selles sisalduv geenide komplekt kahekordistub. Info kordumise tõttu on see valikule vähem vastuvõtlik, mis tähendab, et see võib kiiresti koguneda mutatsioone ja muuta keha.

Geeni omadused

Igal inimesel on tohutud geenid - need on tema struktuuris funktsionaalsed üksused. Kuid ka sellistel väikestel aladel on oma ainulaadsed omadused, mis võimaldab säilitada orgaanilise elu stabiilsust:

1. Diskreetsus on geenide võime mitte seguneda.
2. Stabiilsus – struktuuri ja omaduste säilimine.
3. Labiilsus on võime muutuda olude mõjul, kohaneda vaenulike tingimustega.
4. Mitmekordne alleelism on geenide olemasolu DNA-s, mis kodeerivad sama valku, kuid millel on erinev struktuur.
5. Alleelsus on ühe geeni kahe vormi olemasolu.
6. Spetsiifilisus – üks tunnus = üks geen, pärilik.
7. Pleiotroopia on ühe geeni toimete paljusus.
8. Ekspressiivsus on antud geeni poolt kodeeritud tunnuse ekspressiooniaste.
9. Läbitungimine on geeni esinemise sagedus genotüübis.
10. Amplifitseerimine on märkimisväärse arvu geenikoopiate ilmumine DNA-sse.

Genoom

Inimese genoom on kogu pärilik materjal, mis leidub ühes inimese rakus. See sisaldab juhiseid keha ehituse, elundite talitluse ja füsioloogiliste muutuste kohta. Selle mõiste teine ​​määratlus peegeldab mõiste struktuuri, mitte funktsiooni. Inimese genoom on geneetilise materjali kogum, mis on pakendatud haploidsesse kromosoomide komplekti (23 paari) ja mis kuulub kindlasse liiki.

Genoomi aluseks on molekul, mis on hästi tuntud kui DNA. Kõik genoomid sisaldavad vähemalt kahte tüüpi teavet: kodeeritud teavet messenger-molekulide (nn RNA) ja valgu struktuuri kohta (see teave sisaldub geenides), samuti juhiseid, mis määravad, millal ja kus see teave avaldub organism. Geenid ise hõivavad väikese osa genoomist, kuid on samal ajal selle aluseks. Geenides salvestatud teave on omamoodi juhis valkude tootmiseks, mis on meie keha peamised ehitusplokid.

Kuid selleks täielikud omadused genoom ei sisalda piisavalt teavet valkude struktuuri kohta. Samuti vajame andmeid geenide töös osalevate ja nende avaldumist reguleerivate elementide kohta erinevatel arenguetappidel ja erinevates elusituatsioonides.

Kuid isegi sellest ei piisa genoomi täielikuks kindlaksmääramiseks. Lõppude lõpuks sisaldab see ka elemente, mis aitavad kaasa selle isepaljunemisele (replikatsioonile), DNA kompaktset pakkimist tuumas ja mõningaid endiselt ebaselgeid piirkondi, mida mõnikord nimetatakse "isekateks" (see tähendab, et need teenivad ainult iseennast). Kõigil neil põhjustel mõeldakse praegu genoomist rääkides tavaliselt kogu teatud tüüpi organismi raku tuumade kromosoomides esinevat DNA järjestuste kogumit, sealhulgas loomulikult geene.

Genoomi suurus ja struktuur

Loogiline on eeldada, et geen, genoom, kromosoom erinevad Maa elu erinevatest esindajatest. Need võivad olla kas lõpmatult väikesed või tohutud ning sisaldada miljardeid geenipaare. Geeni struktuur sõltub ka sellest, kelle genoomi te uurite.

Genoomi suuruse ja selles sisalduvate geenide arvu vahelise seose põhjal saab eristada kahte klassi:

1. Kompaktsed genoomid, millel ei ole rohkem kui kümme miljonit alust. Nende geenide komplekt on rangelt korrelatsioonis suurusega. Kõige iseloomulikum viirustele ja prokarüootidele.
2. Suured genoomid koosnevad enam kui 100 miljonist aluspaarist, nende pikkuse ja geenide arvu vahel puudub seos. Sagedamini eukarüootides. Enamik selle klassi nukleotiidjärjestusi ei kodeeri valke ega RNA-d.

Uuringud on näidanud, et inimese genoom sisaldab umbes 28 tuhat geeni. Need on kromosoomides ebaühtlaselt jaotunud, kuid selle tunnuse tähendus jääb teadlastele endiselt saladuseks.

Kromosoomid

Kromosoomid on geneetilise materjali pakendamise viis. Neid leidub iga eukarüootse raku tuumas ja need koosnevad ühest väga pikast DNA molekulist. Neid saab jagamise ajal valgusmikroskoobis hõlpsasti näha. Kariotüüp on kromosoomide täielik komplekt, mis on igaühe jaoks spetsiifiline eraldi tüüpi. Nende jaoks on kohustuslikud elemendid tsentromeer, telomeerid ja replikatsioonipunktid.

Kromosoomide muutused rakkude jagunemise ajal

Kromosoom on lülide jada teabeedastusahelas, kus iga järgmine sisaldab eelmist. Kuid ka neis toimuvad raku eluea jooksul teatud muutused. Näiteks interfaasis (jagunemistevaheline periood) paiknevad kromosoomid tuumas lõdvalt ja võtavad palju ruumi.

Kui rakk valmistub mitoosiks (kaheks jagunemise protsess), tõmbub kromatiin kokku ja keerdub kromosoomideks, nii et seda saab näha valgusmikroskoobi all. Metafaasis sarnanevad kromosoomid varrastega, mis on tihedalt asetsevad ja ühendatud esmase ahenemise ehk tsentromeeriga. Just tema vastutab spindli moodustumise eest, kui kromosoomirühmad reastuvad. Sõltuvalt tsentromeeri asukohast on kromosoomide klassifikatsioon järgmine:

1. Akrotsentriline – sel juhul paikneb tsentromeer kromosoomi keskpunkti suhtes polaarselt.
2. Submetatsentriline, kui käed (st alad, mis asuvad enne ja pärast tsentromeeri) on ebavõrdse pikkusega.
3. Metatsentriline, kui tsentromeer jagab kromosoomi täpselt keskel.

Selline kromosoomide klassifikatsioon pakuti välja 1912. aastal ja bioloogid kasutavad seda tänapäevani.

Kromosoomide kõrvalekalded

Nagu ka teiste elusorganismi morfoloogiliste elementide puhul, võivad kromosoomide puhul tekkida struktuurimuutused, mis mõjutavad nende funktsioone:

1. Aneuploidsus. See on muutus karüotüübi kromosoomide koguarvus, mis on tingitud ühe kromosoomide lisamisest või eemaldamisest. Sellise mutatsiooni tagajärjed võivad sündimata lootele olla surmavad ja põhjustada ka sünnidefekte.
2. Polüploidsus. See väljendub kromosoomide arvu suurenemises, mis on poole võrra suurem. Kõige sagedamini leidub taimedes, nagu vetikad ja seened.
3. Kromosoomide aberratsioonid ehk ümberkorraldused on muutused kromosoomide struktuuris keskkonnategurite mõjul.

Geneetika

Geneetika on teadus, mis uurib pärilikkuse ja muutlikkuse mustreid ning neid tagavaid bioloogilisi mehhanisme. Erinevalt paljudest teistest bioloogiateadustest on see selle loomisest peale püüdnud olla täppisteadus. Kogu geneetika ajalugu on üha täpsemate meetodite ja lähenemisviiside loomise ja kasutamise ajalugu. Geneetika ideed ja meetodid mängivad meditsiinis olulist rolli, põllumajandus, geenitehnoloogia, mikrobioloogiline tööstus.

Pärilikkus on organismi võime pakkuda mitmeid morfoloogilisi, biokeemilisi ja füsioloogilisi tunnuseid ja omadusi. Pärandumise käigus taastoodetakse organismide ehituse ja funktsioneerimise peamised liigispetsiifilised, rühma- (etnilised, populatsioonid) ja perekondlikud tunnused, nende ontogenees (individuaalne areng). Pärandi ei ole mitte ainult keha teatud struktuursed ja funktsionaalsed omadused (näojooned, mõned ainevahetusprotsesside tunnused, temperament jne), vaid ka raku peamiste biopolümeeride ehituse ja funktsioneerimise füüsikalis-keemilised iseärasused. Variatiivsus on teatud liigi esindajate tunnuste mitmekesisus, samuti järglaste võime omandada erinevusi oma vanemavormidest. Muutlikkus koos pärilikkusega on elusorganismide kaks lahutamatut omadust.

Downi sündroom

Downi sündroom on geneetiline haigus, mille puhul inimese karüotüüp koosneb tavapärase 46 kromosoomi asemel 47-st. See on üks aneuploidsuse vorme, millest eespool juttu oli. Kahekümne esimeses kromosoomipaaris ilmub täiendav, mis toob inimese genoomi täiendavat geneetilist teavet.

Sündroom sai oma nime arsti Don Downi auks, kes avastas ja kirjeldas seda kirjanduses kui psüühikahäire vormi 1866. aastal. Kuid geneetiline alus avastati peaaegu sada aastat hiljem.

Epidemioloogia

Hetkel esineb inimesel 47 kromosoomist kariotüüpi kord tuhande vastsündinu kohta (varem oli statistika erinev). See sai võimalikuks tänu selle patoloogia varajasele diagnoosimisele. Haigus ei sõltu ema rassist, rahvusest ega sotsiaalsest staatusest. Vanus avaldab mõju. Downi sündroomiga lapse saamise tõenäosus suureneb pärast 35. eluaastat ja pärast neljakümnendat eluaastat on tervete laste ja haigete laste suhe juba 20:1. Ka isa vanus üle neljakümne suurendab aneuploidsusega lapse saamise võimalust .

Downi sündroomi vormid

Kõige tavalisem variant on täiendava kromosoomi ilmumine kahekümne esimeses paaris mittepärilikul teel. See on tingitud asjaolust, et meioosi ajal see paar mööda spindlit ei eraldu. Viiel protsendil patsientidest on mosaiik (lisakromosoomi ei leidu kõigis keharakkudes). Kokku moodustavad nad üheksakümmend viis protsenti selle kaasasündinud patoloogiaga inimeste koguarvust. Ülejäänud viiel protsendil juhtudest on sündroomi põhjuseks kahekümne esimese kromosoomi pärilik trisoomia. Kahe selle haigusega lapse sünd ühte perekonda on aga tühine.

Kliinik

Downi sündroomiga inimese saab ära tunda tema iseloomu järgi väliseid märke, siin on mõned neist:

Lamestatud nägu;
- lühendatud kolju (risti suurus on suurem kui pikisuunaline);
- nahavolt kaelal;
- nahavolt, mis katab silma sisenurka;
- liigne liigeste liikuvus;
- vähenenud lihastoonus;
- pea tagaosa lamenemine;
- lühikesed jäsemed ja sõrmed;
- katarakti tekkimine üle kaheksa-aastastel lastel;
- anomaaliad hammaste ja kõvasuulae arengus;
- sünnidefektid südamed;
- epilepsia sündroomi võimalik esinemine;
- leukeemia.

Kuid ainult väliste ilmingute põhjal on loomulikult võimatu ühemõttelist diagnoosi panna. Karüotüpiseerimine on vajalik.

Järeldus

Geen, genoom, kromosoom – tundub, et need on vaid sõnad, mille tähendust mõistame üldistatult ja väga kaugena. Kuid tegelikult mõjutavad need meie elu suuresti ja muutes sunnivad meid muutuma. Inimene teab, kuidas kohaneda oludega, olenemata sellest, milliseks need ka ei osutuvad, ja isegi geneetiliste kõrvalekalletega inimeste jaoks on alati aeg ja koht, kus nad on asendamatud.