ГЕН (от греч. genos-род, происхождение), участок молекулы ДНК (в нек-рых случаях РНК), в к-ром закодирована информация о биосинтезе одной полипептидной цепи с определенной аминокислотной последовательностью. Ген-единица наследств. материала, обеспечивающая формирование к.-л. признака организма и его передачу в ряду поколений. Контролируют все клеточные процессы на молекулярном уровне, обеспечивая биосинтез белков, в первую очередь ферментов. Если белок состоит из более чем одной полипептидной цепи, синтез каждой из них контролируется самостоятельным геном.

Для гена характерна определенная последовательность нуклеотидов, образующих набор триплетов (см. Генетический код). Последние определяют порядок расположения аминокислот в молекуле белка. Сам ген не принимает непосредств. участия в его синтезе. ДНК служит лишь матрицей для построения (транскрибирования) молекулы матричной, или информационной, РНК (соотв. мРНК, или иРНК), в к-рую передается код гена (см. Транскрипция). В рибосомах осуществляется "перевод" кода мРНК в аминокислотную последовательность синтезируемого на них белка (трансляция). Благодаря биол. действию синтезируемых белков осуществляется экспрессия гена, т.е. развитие определяемого им признака.

Между геном и признаком организма не существует простого соотношения. Все сложные признаки (напр., способность слышать) контролируются многими генами. Вместе с тем один ген способен оказывать влияние на развитие сразу неск. признаков.

Ген может существовать в неск. формах (аллелях), определяющих разл. варианты контролируемого им признака, напр. цвет глаз. Аллели обусловливают явление доминирования, когда качеств. выражение признака у потомства соответствует аллельной форме только одного из родителей. Такая аллель отражает доминантное состояние гена. Альтернативная форма, проявление к-рой подавляется в потомстве, наз. рецессивной.

Разные аллели одного и того же гена возникают благодаря мутациям-наследуемым изменениям в структуре исходного гена. В норме ген чрезвычайно стабилен и при удвоении хромосом во время репликации ДНК воспроизводится совершенно точно; вероятность ошибки не превышает 10^-8. Мутации происходят редко и обычно влекут за собой неблагоприятные последствия для организма, т. к. нарушается его способность синтезировать нормальный белок. Однако в целом это явление играет положит. роль: накопление редких полезных мутаций создает основу генетич. изменчивости, необходимой для эволюции.

Гены, контролирующие разные признаки, иногда передаются потомству независимо друг от друга. Это происходит в том случае, если они находятся в разных хромосомах. Когда гены находятся в одной хромосоме, они обычно передаются потомству вместе (т. наз. сцепление генов). Это правило может нарушаться из-за кроссинговера (см. Рекомбинация генетическая), когда при образовании половых клеток отцовские и материнские хромосомы разрываются и образовавшиеся концы соединяются крест-накрест. После рекомбинации гены, первоначально находившиеся в одной хромосоме, оказываются в разных. Существование кроссинговера между гомологичными хромосомами позволяет определять относительное расположение гена на хромосоме, т.е. составлять генные карты; чем дальше друг от друга в цепи ДНК отстоят к.-н. два гена, тем чаще между ними происходит кроссинговер. Последний возможен не только между хромосомами, но и внутри одного гена. Это явление используется для изучения внутригенной топографии.

Ген функционирует в клетке в составе генной регуляторной системы. В зависимости от выполняемой ф-ции различают структурные гены, кодирующие б. ч. белков клетки, и регуляторные, ответственные за синтез белков-регуляторов, контролирующих активность структурных генов. Механизм генетич. контроля синтеза белка окончательно не выяснен. Предполагают, что у бактерий значит. часть генов объединена в группы, контролирующие отдельные метаболич. пути (серии взаимосвязанных обменных р-ций) и образующие единые функциональные блоки.

Не все гены хромосомы функционируют одновременно. Существуют механизмы, "включающие" или "выключающие" гены в соответствии с потребностями клетки, к-рые контролируются особыми соед.-репрессорами и индукторами. Их способность одновременно регулировать синтез неск. белков связывают с тем, что соответствующие гены примыкают друг к другу.

У эукариот кроме ядерных генов, локализованных в хромосомах, существуют внехромосомные гены, находящиеся в некоторых клеточных органеллах, напр. в митохондриях и пластидах. Эти гены несут информацию для синтеза важных ферментов, ответственных за энергетич. обмен клетки.

У бактерий гены содержатся в одной хромосоме и автономных генетич. элементах - плазмидах и эписомах, представляющих собой замкнутые кольцевые молекулы ДНК. В отличие от плазмид, эписомы могут встраиваться в хромосомы и покидать их. Размер плазмид необычайно широко варьирует. Нек-рые из них содержат 1-3 гена, тогда как размеры других составляют 10-20% от величины хромосомы и содержат сотни генов. В плазмидах расположены гены, обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам.

Бактериальные гены состоят в среднем из 900-1500 нуклеотидов, расположенных линейно. Мол. масса среднего по размеру гена для разл. микроорганизмов колеблется в пределах от 0,5*10⁶ до 1*10⁶.

Гены эукариот принципиально отличаются от бактериальных. Внутри них последовательности нуклеотидов ДНК, несущие информацию для синтеза белка, не непрерывны, а разделены в одном или неск. местах участками, не кодирующими последовательность аминокислот. Такой прерывистый ген транскрибируется весь подряд, а из образовавшейся РНК удаляются некодирующие участки. Области, соответствующие кодирующей части гена, сшиваются с образованием мРНК (т. наз. сплайсинг).

Моноцистронная модель гена:

Транскриптон – участок ДНК эукариот, кодирующий один полипептид. Строение: ССР(сенсорный сайт рестрикции)-разделение транскрптонов; промотор( ЦААТ-блок, ТАТА-блок)-узнавание и присоединение РНК-полимеразы; структурный белок, состоящий из экзонов(участки,несущие онфо о белке) и интронов(не несущие инфо), которые разделяются между собой ДСС(донорный сайт сплайсинга), по которым идет вырезание интронов в процессе сплайсинга. Первый экзон-стратовая точка (метионин ТАЦ). В последнем экзоне-триплет стопкодон.

Полицистронная модель гена:

Оперон – участок молекулы ДНК прокариот, несущий информацию о нескольких структурно-функционально объединенных белках. Строение: Промотор-узнавание и присоединение РНК-полимеразы;Оператор-с него начинается синтез и-РНК и с ним взаимодействует особый белок-репрессор или индуктор; Структурный белок (метионин)-X,Y,Z. Терминатор-прекращается рост цепи РНК(нулкеотидная последовательности поли-А).

Этапы синтеза белка:

1. Транскрипция — это процесс синтеза и-РНК на матрице ДНК. Цепи ДНК в области активного гена освобождаются от гистонов. Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрываются. Основной фермент транскрипции РНК-полимераза присоединяется к промотору — специальному участку ДНК. Транскрипция проходит только с одной (кодогенной) цепи ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по кодогенной цепи ДНК рибонуклеотиды по принципу комплементарности присоединяются к цепочке ДНК, в результате образуется незрелая про-и-РНК, содержащая как кодирующие, так и некодирующие нуклеотидные последовательности. 2. Затем происходит процессинг — созревание молекулы РНК. На 5-конце и-РНК формируется участок (КЭП), через который она соединяется с рибосомой. Ген, т. е. участок ДНК, кодирую­щий один белок, содержит как кодирующие последовательности нуклеотидов — экзоны, так и некодирующие — интроны. При процессинге интроны вырезаются, а экзоны сшиваются. В результате на 5-конце зрелой и-РНК находится кодон-инициатор, который первым войдет в рибосому, затем следуют кодоны, кодирующие аминокислоты полипептида, а на 3-конце — кодоны-терминаторы, определяющие конец трансляции. Цифрами 3 и 5 обозначаются соответствующие углеродные атомы рибозы. Кодоном называется последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая какую-либо аминокислоту — триплет. Рамка считывания нуклеи­новых кислот предполагает «слова»-триплеты (кодоны), состоя­щие из трех «букв»-нуклеотидов. Транскрипция и процессинг происходят в ядре клетки. Затем зрелая и-РНК через поры в мембране ядра выходит в цитоплазму, и начинается трансляция. 3. Трансляция — это процесс синтеза белка на матрице и-РНК. В начале и-РНК 3-концом присоединяется к рибосоме. Т-РНК доставляют к акцепторному участку рибосомы аминокислоты, ко­торые соединяются в полипептидную цепь в соответствии с шиф­рующими их кодонами. Растущая полипептидная цепь перемеща­ется в донорный участок рибосомы, а на акцепторный участок приходит новая т-РНК с аминокислотой. Трансляция прекращает­ся на кодонах-терминаторах.

Работа лактозного оперона(пример регуляции экспрессии генов) см с. 47 этой же тетради.

Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.

Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме.

Регуляция экспрессии генов

Гены делятся на:

1. структурные( гены «домашнего хозяйства» - необходимые для жизнедеятельности клеток,плюс сюда же входят так называемые «гены роскоши»,т.е. гены индивидуальности.Различают:независимые(уникальные) гены,кластер генов(группа генов,ответственных за синтез разных белков,выполняющих одну функцию),тандем генов(группа одинаковых генов,образующихся в результате амплификации(многократного копирования) этих же генов)

2. регуляторные(неспецифичекие – участки промотора; специфические: 1)энхансеры – усиливают транскрипцию, 2)инсуляторы – ингибируют транскрипцию, 3)сайленсоры – отключают работу гена.

Из всего генома действует только 3-5-7% генов! Остальные в закрытом состоянии (гетерохроматин).Гены, находящиеся в спокойном состоянии – репрессированные, которые в активном – дерепрессированные.

Роль регуляции: чтобы в клетках разной принадлежности в определенное время в процессе онтогенеза обеспечивать синтез специфичных белков в необходимом количестве. Активность тех или иных генов зависит от тканевой принадлежности клетки, периода ее жизненного цикла, стадии онтогенеза.

Виды контроля экспрессии генов: негативный и позитивный.

При негативном контроле экспрессии генов белок-репрессор кодируется регуляторным геном и взаимодействует с оператором, расположенном между промотором и структурной частью гена, что не дает возможности РНК-полимеразе соединиться с промотором и осуществить транскрипцию. При постулении индуктора(активатора) он связывается с белком-репрессором, последний превращается в неактивную форму и структурные гены начинают синтезировать нужную им мРНК.

При позитивном контроле регуляторный белок присоединяется перед промотором ДНК, это облегчает соединение РНК-полимеразы с промотором, после чего следует транскрипция.

Регуляция экспрессии генов у прокариот:

Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований.

Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.

Примером участия генетических и негенетических факторов в регуляции экспрессии генов у прокариот может служить функционирование лактозного оперона у кишечной палочки Е. colt . При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, А.

Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.

Биологическое значение: адаптация к меняющимся условиям существования.