Вопрос 63. Основы молекулярной генетики. Структура гена. Коллинеарность

/. Ген — часть хромосомы

2. Цистрон, его структура

3. Различия между функциями генов. Опероны

4. Явление коллинеарности

1. Изучение химической структуры ДНК и генетических функ­ций позволяет рассматривать гены как участки нуклеиновой кислоты, характеризующиеся определенной специфической последовательностью нуклеотидов. Расшифровка материальной сущности гена — одно из важных достижений современной биологической науки.

Первоначально считалось, что гены представляют собой часть хромосомы и являются неделимой единицей, обладающей рядом свойств:

• способностью определять признаки организма;

• способностью к рекомбинации, т. е. перемещению из одной гомологической хромосомы в другую при кроссинговере;

• способностью мутировать, давая новые аллельные гены.

В дальнейшем оказалось, что ген представляет собой сложную систему, в которой указанные способности не всегда бывают нераздельными.

Первые представления о сложной структуре гена возникли еще в 20-х гг. XX столетия. Советские генетики А. С. Серебровский и Н.П. Дубинин выдвинули предположение, что ген состоит из отдельных "ступенек". В настоящее время это блестяще под­твердилось новыми исследованиями. Ген представляет собой часть молекулы ДНК и состоит из сотен пар нуклеотидов.

2. Ген как функциональную единицу предложено называть цис-троном, который определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке. Цистрон подразделяется на предельно малые в линейном измерении единицы - реконы, способные к рекомбинации при кроссинговере.

Выделяют, кроме того, мутоны — наименьшие части гена, способные к изменению (мутированию). Размеры рекона и му­тона могут равняться одной или нескольким парам нуклеоти­дов, цистрона - сотням и тысячам нуклеотидов.

3. Оказалось, что разные функции гена связаны с отрезками цепи ДНК различной величины. Ген имеет сложную структуру, внутри которой могут осуществляться процессы мутирования и рекомбинации. Обнаружены также гены, которые не контро­лируют синтеза белков, но регулируют этот процесс. Таким об­разом, возникла необходимость разделить гены на две категории:

• структурные;

- функциональные.

Структурные гены определяют последовательность аминокис­лот в полипептидной цепи. У тех бактерий, у которых они изу­чены, структурные гены, как правило, располагаются в хромо­соме в последовательности, соответствующей кодируемым ре­акциям.

Функциональные гены, по-видимому, не образуют специфиче­ских продуктов, которые можно обнаружить в цитоплазме. Эти гены контролируют функцию других генов. Один из функ­циональных генов получил название гена-оператора. Ген-оператор и ряд структурных генов, расположенных рядом в линейной последовательности, составляют оперон — единицу считывания генетической информации, т. е. с каждого оперона снимается своя молекула информационной РНК. Функция ге­на-оператора регулируется геном-регулятором. Он кодирует синтез белка-репрессора. Наличие или отсутствие этого белка,

присоединяющегося к гену-оператору, определяет начало или прекращение считывания информации.

4. Коллинеарность — свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, колли­неарность - свойство, благодаря которому в белке воспроизво­дится та же последовательность аминокислот, в какой соответ­ствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что по­ложение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена.

Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нук­леиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.

Явление коллинеарности доказано экспериментально. Серпо­видно клеточная анемия, при которой нарушено строение мо­лекулы гемоглобина, обусловлена дефектами расположения нуклеотидов в гене, ответственном за синтез гемоглобина. Бы­ло установлено расстояние между аминокислотами, зависимы­ми от этих мутаций, и расположение мутонов на генетической карте гена триптофансинтетазы, совпадающее с расположени­ем аминокислот в этом ферменте. Аминокислоты заменялись в соответствии с изменением нуклеотидного состава соответст­вующих триплетов.

Гипотеза о том, что последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене, была высказана Г.А. Гамовым. Данные о коллинеарности полипепти­дов подтвердили ее. Благодаря концепции коллинеарности можно:

• определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и информационной РНК, если известен состав полипептидов;

• предсказать аминокислотный состав белка, определив состав нуклеотидов ДНК;

• сделать вывод, что изменение порядка нуклеотидов внутри ге­на (мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.