A gén ( másik görög γένος - nemzetség ) - a klasszikus genetikában - egy örökletes tényező, amely információt hordoz a test egy bizonyos tulajdonságáról vagy funkciójáról, és amely az öröklődés szerkezeti és funkcionális egysége . Mint ilyen, a „gén” kifejezést 1909-ben Wilhelm Johannsen dán botanikus , növényfiziológus és genetikus vezette be [1] .
Miután felfedezték a nukleinsavakat mint örökletes információhordozókat, a gén meghatározása megváltozott, és a gént a DNS egy szakaszaként kezdték definiálni (egyes vírusoknál az RNS szakasza ), amely meghatározza a monomerek szekvenciáját egy polipeptidben vagy funkcionális RNS-ben [2] .
A gének szerkezetére és működésére vonatkozó információk felhalmozásával a "gén" fogalmának meghatározása tovább változott, de jelenleg nincs olyan univerzális géndefiníció, amely minden kutatót kielégítene [3] [4] [4 ] [5] . A gén egyik modern definíciója a következő: a gén egy DNS-szekvencia, amelynek alkotó szegmenseinek nem kell fizikailag szomszédosnak lenniük. Ez a DNS-szekvencia egy vagy több élelmiszerről tartalmaz információt fehérje vagy RNS formájában. A géntermékek genetikai szabályozó hálózatok részeként működnek, melynek eredménye fenotípus szinten valósul meg [6] .
Egy szervezet génjeinek összessége alkotja a genotípust . A genotípus, valamint a környezeti és fejlődési tényezők határozzák meg, hogy mi lesz a fenotípus . A gének utódokra való átadása a fenotípusos tulajdonságok öröklődésének alapja. A legtöbb biológiai tulajdonság poligén, azaz sok gén befolyásolja. A gének megváltozhatnak a DNS-szekvenciát megváltoztató mutációk következtében. A populáció mutációi miatt a gének különböző változatokban léteznek, amelyeket alléloknak neveznek . Egy gén különböző alléljai egy fehérje különböző változatait kódolhatják, ami fenotípusosan megnyilvánulhat . A gének a DNS géneket nem tartalmazó szakaszaival együtt a genom részét képezik , amely egy szervezet teljes örökítőanyaga.
Az öröklődés különálló tényezőinek jelenlétére vonatkozó kísérleti bizonyítékot először Gregor Mendel mutatta be 1865-ben a Természetkutatók Társaságának brünni ülésén készült jelentésében . 1866-ban a jelentés nyomtatott formában is megjelent [7] . Gregor Mendel a borsó tulajdonságainak öröklődését tanulmányozta úgy, hogy kvantitatív nyomon követte a tulajdonságok gyakoriságát a szülőnövényekben és az utódokban. Különböző tulajdonságokkal rendelkező növények keresztezéseiben több mint 8000 növényt elemzett. Ezekben a kísérletekben Mendel bemutatta a tulajdonságok független öröklődését , a domináns és recesszív tulajdonságok megkülönböztetését, a heterozigóták és a homozigóták közötti különbségtételt, valamint a nem folytonos öröklődés jelenségét . Kísérleteinek eredményeit matematikailag leírta és értelmezte, feltételezve, hogy vannak diszkrét, az utódokban nem keveredő öröklődési tényezők.
Mendel munkája előtt az öröklődési minták magyarázatának domináns koncepciója az volt, hogy a szülői tulajdonságok keverednek az utódokban, a folyadékok keveredéséhez hasonló módon. Ezt a koncepciót követi a Charles Darwin által 1868-ban, két évvel Mendel eredményeinek publikálása után kidolgozott pangenezis elmélet [8] . Ebben az elméletben Darwin nagyon kis részecskék létezését javasolta, amelyeket "gyöngyszemeknek" nevezett, amelyek a fogantatás során keverednek.
Mendel dolgozata 1866-os megjelenése után szinte észrevétlen maradt, de a 19. század végén másodszor is "született" Hugo de Vries -nek , Carl Correns -nek és Erich von Tschermaknak köszönhetően, akik saját tanulmányaik során hasonló következtetésekre jutottak [ 9] . Különösen 1889-ben Hugo de Vries kiadta "Intracelluláris Pangenesis" [10] című könyvét , amelyben azt feltételezte, hogy a különböző tulajdonságoknak megvannak a maguk örökletes hordozói, és az élőlényekben bizonyos tulajdonságok öröklődése részecskék segítségével történik. De Vries ezeket az egységeket pangensnek (németül Pangens) nevezte, Darwin pangenezis -elméletének nevének egy részét felhasználva.
1909-ben Wilhelm Johannsen alkotta meg a „gén” [1] , William Bateson pedig a „ genetika ” [11] kifejezést , míg Eduard Strasburger még mindig a „pangen” kifejezést használta az öröklődés alapvető fizikai és funkcionális egységére [12]. ] .
A Rockefeller Intézet amerikai bakteriológusai által a 40-es években O. Avery vezetésével végzett kísérletek kimutatták, hogy a DNS a genetikai információ molekuláris tárháza. A pneumococcusok genetikai transzformációjával foglalkozó munkákban kimutatták, hogy a tulajdonságok átvitele egyik baktériumról a másikra csak egy anyag - DNS - segítségével történik. Sem a fehérje, sem a sejt más kémiai komponensei nem rendelkeztek ezzel a tulajdonsággal [13] [14] [15] . 1953-ban Rosalind Franklin és Maurice Wilkins röntgenkrisztallográfia segítségével kiváló minőségű képeket készítettek a DNS szerkezetéről . Ezek a képek segítettek James D. Watsonnak és Francis Cricknek megalkotni a DNS kétszálú hélix molekula modelljét, és megfogalmazni a genetikai replikáció mechanizmusának hipotézisét [16] [17] .
Az 1950-es évek elején az volt az uralkodó nézet, hogy a kromoszómán lévő gének külön entitásként működnek, rekombináció révén elválaszthatatlanok, és gyöngyökként rendeződnek el egy húron. Seymour Benzer kísérletei mutánsokkal , hibás bakteriofágokkal az rII T4 régióban (1955-1959) azt mutatták, hogy az egyes gének egyszerű lineáris szerkezettel rendelkeznek, és valószínűleg egyenértékűek a DNS lineáris keresztmetszetével [18] [19] .
Összességében ez a kutatási csoport megalapozta a molekuláris biológia központi dogmáját , amely szerint a fehérjéket a DNS -ből átírt RNS - ből fordítják le . Ez a dogma azóta kimutatták, hogy vannak kivételek, például a retrovírusok fordított transzkripciója . A genetika DNS-szintű modern tanulmányozását molekuláris genetikának nevezik .
1972-ben Walter Fyers és csapata volt az első, aki meghatározta egy gén szekvenciáját: az MS2 Bacteriophage köpenyfehérje szekvenciáját.[20] . A DNS-szekvenálásnak a Sanger-módszerrel történő későbbi fejlesztése1977-ben Frederick Sanger által javította a szekvenálás hatékonyságát, és rutin laboratóriumi eszközzé tette [21] . A Sanger-módszer automatizált változatát használták a Human Genome Project korai szakaszában [22] .
A 20. század elején a mendeli genetika és a darwini evolúció integrálására kidolgozott elméleteket modern szintézisnek nevezik , ezt a kifejezést Julian Huxley találta ki [23] .
Az evolúcióbiológusok ezt követően módosították ezt a koncepciót, például George Williams evolúciós nézetét . A gén evolúciós koncepcióját javasolta a természetes szelekció egységeként , a következő meghatározással: „ami észrevehető gyakorisággal elválik és újrakombinálódik” [24] :24 . Ebből a szempontból a molekuláris gén teljes egészében íródik át, az evolúciós gén pedig mint egész öröklődik. A gének evolúcióban betöltött központi szerepét hangsúlyozó kapcsolódó elképzeléseket Richard Dawkins [25] [26] népszerűsítette .
Az élőlények túlnyomó többségében a genetikai információkat hosszú DNS -molekulák kódolják . A DNS két spirálisan csavart polimerláncból áll, amelyek monomerei négy nukleotidból állnak : dAMP, dGMP, dCMP és dTMP. A DNS-ben található nukleotidok egy öt szénatomos cukorból ( 2-dezoxiribóz ), egy foszfátcsoportból és a négy nitrogénbázis egyikéből állnak : adenin , citozin , guanin és timin [27] :2.1 . A nitrogéntartalmú bázis glikozidos kötéssel kapcsolódik egy öt szénatomos (pentóz) cukorhoz az 1'-helyzetben. A DNS-láncok gerincét pentóz cukrok és foszfátok váltakozó szekvenciája alkotja, a foszfátcsoportok az 5'- és 3'-helyzetben kapcsolódnak a cukorhoz. A pentózgyűrű pozíciószámait prímszámmal jelöljük, hogy különbséget lehessen tenni a cukorban és a nitrogéntartalmú bázisban lévő gyűrűk számozása között [28] .
A pentózmaradékok kémiai összetétele miatt a DNS-szálak irányítottak. A DNS-polimer egyik vége egy nyitott hidroxilcsoportot tartalmaz a dezoxiribózon a 3'-helyzetben; ezt a végét 3'-végnek nevezik. A másik vége egy nyitott foszfátcsoportot tartalmaz, ez az 5'-vég. A DNS kettős hélix két szála ellentétes irányú. A DNS-szintézis, beleértve a DNS-replikációt is, az 5' → 3' irányban megy végbe, mivel új nukleotidokat adnak hozzá egy dehidratációs reakcióval , amely a szabaddá vált 3'-hidroxilt használja nukleofilként [29] :27.2 .
A DNS-ben kódolt gének expressziója a DNS-nukleotidszekvencia egy másik típusú nukleinsav- RNS nukleotidszekvenciájává történő átírásával kezdődik . Az RNS nagyon hasonlít a DNS-hez, de monomerei ribózt tartalmaznak , dezoxiribózt nem . Ezenkívül uracilt használnak a timin helyett az RNS-ben . Az RNS-molekulák egyszálúak és kevésbé stabilak, mint a DNS. A DNS-ben és a tRNS-ben történő átírás után a gének a fehérjeszintézis természetes rejtjelei (kódjai). Mindhárom nukleotid (triplet) egy aminosavat kódol. Például, ha egy génnek 300 nukleotidja van, akkor egy fehérjének 100 aminosavnak kell lennie. Ezért a kódot tripletnek nevezik. Genetikai kódnak nevezzük azt a szabályt, amely alapján meghatározható, hogy melyik hármas melyik aminosavnak felel meg . A genetikai kód leolvasása a riboszómában történik az RNS fehérjévé történő transzlációja során . A genetikai kód szinte minden ismert organizmus esetében azonos [27] :4.1 .
Egy szervezet örökletes anyaga vagy genomja egy vagy több kromoszómán tárolódik, amelyek száma az adott fajra jellemző . A kromoszóma egy nagyon hosszú DNS-molekulából áll, amely több ezer gént tartalmazhat [27] :4.2 . A kromoszóma azon régióját, ahol a gén található, lókusznak nevezzük . Minden lókusz egy gén specifikus allélját tartalmazza . Egy populáció képviselői eltérhetnek a kromoszómák ugyanazon lokuszaiban található gén alléljaiban.
A legtöbb eukarióta gén több lineáris kromoszómán tárolódik. A kromoszómák a sejtmagban a kromatin fehérjékkel komplexben vannak csomagolva . A legtöbb kromatin fehérje a hiszton , amely egy fehérjegömböcskét, úgynevezett nukleoszómát alkot . A DNS a nukleoszómák köré tekered, ami a DNS-csomagolás első szintje a kromoszómában [27] :4.2 . A nukleoszómák eloszlása a DNS mentén, valamint maguk a hisztonok kémiai módosításai szabályozzák a DNS elérhetőségét a replikációban, transzkripcióban, transzlációban és javításban részt vevő szabályozó tényezők számára. Az eukarióta kromoszómák a gének mellett olyan szolgáltatási szekvenciákat is tartalmaznak, amelyek biztosítják a kromoszómák stabilitását és szaporodását, valamint a mitózisban lévő leánysejtek közötti eloszlását. Ezek a telomerek , a replikációs iniciációs helyek és a centromerek [27] :4.2 .
Nehéz pontosan meghatározni, hogy egy gén a DNS-szekvencia melyik részéhez tartozik [5] .
A molekuláris biológiában megállapították, hogy a gének olyan DNS- szakaszok , amelyek bármilyen integrált információt hordoznak - egy fehérjemolekula vagy egy RNS - molekula szerkezetéről , amelyek meghatározzák a szervezet fejlődését, növekedését és működését .
Minden gént számos specifikus szabályozó DNS szekvencia jellemez.mint például a promóterek , amelyek részt vesznek a gén működésének szabályozásában. A szabályozó szekvenciák elhelyezkedhetnek mind a fehérjét kódoló nyitott leolvasási keret közvetlen közelében, mind az RNS-szekvencia kezdetén, mint a promóterek esetében (ún . cisz -szabályozó elemek , angol cisz-szabályozó elemek ), és sok millió bázispár ( nukleotid ) távolságra, mint az enhanszereknél , szigetelőknél és szupresszoroknál (néha transz - szabályozó elemeknek , angolul transzregulációs elemeknek minősítve ). Vagyis a gén fogalma nem korlátozódik a DNS kódoló régiójára. A gén egy tágabb fogalom, amely magában foglalja a szabályozó szekvenciákat.
Kezdetben a "gén" kifejezés elméleti egységként jelent meg a diszkrét örökletes információk továbbítására. A biológia története emlékezik a vitákra arról, hogy mely molekulák lehetnek örökletes információhordozók. Úgy gondolták, hogy csak a fehérjék lehetnek ilyen hordozók , mivel szerkezetük (20 aminosav ) több lehetőséget kínál , mint a mindössze négyféle nukleotidból álló DNS . Kísérletileg bebizonyosodott azonban, hogy a DNS az örökletes információt, amely a molekuláris biológia központi dogmájaként fejeződött ki : DNS - RNS - fehérje.
A gének mutációkon eshetnek át – véletlenszerű vagy szándékos változásokon a DNS -lánc nukleotidszekvenciájában . A mutációk a szekvencia megváltozásához vezethetnek, és ezáltal egy fehérje vagy RNS biológiai jellemzőinek megváltozásához . Az eredmény megváltozhat vagy akár a szervezet rendellenes működését is okozhatja. Az ilyen mutációk bizonyos esetekben patogének, mivel eredménye betegség vagy embrionális szinten halálos. A nukleotidszekvencia nem minden változása vezet a fehérje szerkezetének megváltozásához (a genetikai kód degenerációjának hatása miatt ) vagy a szekvencia jelentős változásához, és nem patogén. A humán genomot különösen egy nukleotid polimorfizmusok és kópiaszám-variációk , például deléciók és duplikációk jellemzik , amelyek a teljes humán nukleotidszekvencia körülbelül 1%-át teszik ki [31] . Az egynukleotidos polimorfizmusok különösen ugyanazon gén különböző alléljait határozzák meg.
A DNS-replikáció többnyire rendkívül pontos, de hibák ( mutációk ) előfordulnak [27] :7.6 . A hibaarány eukarióta sejtekben akár 10-8 is lehet nukleotidonként replikációnként [32] [33] , míg egyes RNS-vírusok esetében akár 10-3 is lehet [34] . Ez azt jelenti, hogy minden generációban a genomban minden ember 1-2 új mutációt halmoz fel [34] . A kis mutációkat a DNS-replikáció és a DNS-károsodás következményei okozhatják, ide tartoznak a pontmutációk , amelyekben egyetlen bázis megváltozik, és a kereteltolásos mutációk , amelyekben egyetlen bázist helyeznek be vagy távolítanak el. Ezen mutációk bármelyike megváltoztathatja a missense gént (megváltoztathatja egy másik aminosav kódját ) vagy nonszensz gént (korai stopkodon ) [35] . A nagy mutációkat a rekombináció hibái okozhatják, amelyek kromoszóma-rendellenességeket okoznak , beleértve a kromoszóma nagy szakaszainak duplikációját , delécióját, átrendeződését vagy inverzióját. Ezenkívül a DNS-javító mechanizmusok mutációs hibákat okozhatnak a molekula fizikai károsodásának helyreállítása során. A javítás, még mutáció esetén is, fontosabb a túlélés szempontjából, mint a pontos másolat javítása, például a kétszálú törések javításakor [27] :5.4 .
Ha egy gén több különböző allélja van jelen egy faj populációjában , ezt polimorfizmusnak nevezzük . A legtöbb különböző allél funkcionálisan egyenértékű, néhány allél azonban eltérő fenotípusos tulajdonságokat eredményezhet . A gén leggyakoribb allélját vad típusúnak , a ritka alléleket pedig mutánsoknak nevezzük . A populáció különböző alléljainak relatív gyakoriságában mutatkozó genetikai különbségek a természetes szelekció és a genetikai sodródás következményei [36] . A vad típusú allél nem feltétlenül a kevésbé gyakori allélok őse , és nem feltétlenül alkalmasabb .
A genom mérete és a benne található gének száma taxonómiai csoportonként nagyon eltérő. A legkisebb genom a vírusokban [37] és a viroidokban található (amelyek egyetlen nem kódoló RNS-génként működnek) [38] . Ezzel szemben a növények igen nagy genomokkal rendelkezhetnek [39] , a rizs pedig több mint 46 000 fehérjét kódoló gént tartalmaz [40] . A 2007-ben 5 millió szekvenciára becsült fehérjekódoló gének ( Earth proteome ) teljes számát 2017-re 3,75 millióra csökkentették [ 42] .
A géntechnológia a genetikai anyag módosításának módszere az élő szervezet tulajdonságainak megváltoztatása érdekében. Az 1970-es évek óta számos módszert fejlesztettek ki kifejezetten vírusokban, baktériumokban, növényekben, gombákban és állatokban, köztük az emberben található gének hozzáadására, eltávolítására és szerkesztésére [43] . A közelmúltban kifejlesztett genomiális mérnöki technikák mesterséges nukleáz enzimeket használnak arra, hogy célzott DNS-javítást hozzanak létre a kromoszómán , hogy megzavarják vagy módosítsák a gént a mesterségesen bevitt DNS-törés javítása során [44] [45] [46] [47] . A kapcsolódó szintetikus biológia kifejezést néha egy organizmus géntechnológiájának széles tudományágára utalják [48] .
A géntechnológia ma már rutineszköz a modellszervezetekkel való munkavégzéshez . Például a gének könnyen hozzáadhatók a baktériumokhoz [49] , míg a „ Knockout mouse» egy adott génben károsodott működésű egereket használnak az adott gén működésének tanulmányozására [50] [51] . Sok élőlényt genetikailag módosítottak a mezőgazdaságban, az ipari biotechnológiában és az orvostudományban való felhasználás céljából .
A többsejtű élőlényekben az embrió általában módosul , amely felnőtt genetikailag módosított szervezetté nő [52] . A felnőtt sejtek genomja azonban génterápiás módszerekkel szerkeszthető genetikai betegségek kezelésére.
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Genetika | ||
---|---|---|
Kulcsfogalmak | ||
A genetika területei | ||
minták | ||
Kapcsolódó témák |