Тонкая структура генов

Существование дискретных наследственных факторов в половых клетках было гипотетически постулировано Г. Менделем в 1865 г. С начала формирования хромосомной теории считалось, что эти факторы являются не только единицами наследственности, но и конкретными физическими величинами, связанными с хромосомами. Для их обозначение датский генетик В. Иогансен в 1909 г. ввел термин «гены».

Первоначально, под геном понималась последовательность нуклеотидов, кодирующая синтез отдельной полипептидной цепи. Это представление было основано на концепции Дж. Бидла и Э. Тэйтема, сформулированное в 40-е г., согласно которому всякий ген определяет синтез одного фермента. Эволюция этого положения выглядит так: «один ген- один фермент» → «один ген – один белок» → «один ген – один полипепдид».

Дальнейшие исследования структуры гена, связанные с расшифровкой генетического кода и экспериментами по изучению мутаций у различных организмов привели к пониманию того, что ген не является неделимой единицей, и мутации могут происходить и внутри гена.

Больший вклад в понимание структуры гена внесли работы Маршалла У. Ниренберга по расшифровке генетического кода и его функционирования в синтезе белков, Северо Очоа, изучавшего механизмы биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот, а также эксперименты Сеймура Бензера и Френсиса Крика, которые в 1961 г. установили, что генетический код триплетен.

Схема проведенного эксперимента следующая - проводили добавление или удаление одного нуклеотида в известную последовательность: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида.

В ходе эксперимента выяснили, что:

Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген.

Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген.

Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть.

Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.

Этот эксперимент доказал, что код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, сто между соседними генами присутствуют знаки препинания.

Дальнейшее изучение структуры генов привело к формированию понятия «генетический код» и определению общих свойств генетического кода.

Под кодом ДНК, или генетическим кодом понимается отражение структуры белков в виде триплетов ДНК. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков.

Генетический код обладает следующими основными свойствами:

1.Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны ничем не отделены друг от друга (отсутствуют «запятые»).

2.Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.

3.Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).

4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.

5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

В классической генетике ген определяется не только как физическая последовательность нуклеотидов, но и как единица генетического материала, обладающая определенными свойствами: функции, мутации, рекомбинации.

За время исследований, полученные данные привели к изменению первоначальных представлений о строении и свойствах генов.

Изначально предполагалось, что ген - это функциональная единица, то есть нечто, определяющее отдельный признак. Такое представление сохранилось и до сих пор, но сейчас уже известно, что на один и тот же признак могут воздействовать различные гены и что при мутации гены могут давать один и тот же фенотип.

Кроме того, ген определяли как единицу мутации. Эксперименты Бензера показали, что так, как ген представляет собой линейную последовательность многих участков, то мутации могут затрагивать каждый их этих составляющих .

Гены изначально определялись и как единицы рекомбинаций, хотя сейчас известно, что гены не представляют собой неделимые «бусины» на цепи, а рекомбинации происходят и внутри генов. Это и следовало ожидать, если предположить, что ген представляет собой всего лишь участок ДНК, любые нуклеотидные пары которой могут изменяться, в результате мутации и рекомбинаций.