У даній статті ми представляємо Вашій увазі дуже дохідливо і докладний виклад сучасних уявлень про генах, їх ролі в житті тваринного і рослинного світу. Нам видався цікавим даний матеріал. Першоджерелом цього матеріалу є блог користувача progenes.
Пішла декада нового тисячоліття ознаменувався новими (черговими) спробами сформулювати поняття ген і воно виявилося вельми заплутаним. Спробуємо розібратися з генами там, де це ще можливо.
Якщо мене запитати, що таке ген, то я трохи невиразно помичу, закочуючи очі, почешу потилицю, а потім скажу щось на кшталт, що ген - це «комплекс причинно-наслідкових молекулярних подій, де певну ділянку дезоксирибонуклеїнової кислоти грає ключову роль». Але це моя особиста інтерпретація.
Трохи історії
Освіжимо то, що ми вже знаємо. У класичній генетиці ген - абстрактне поняття, одиниця успадкування, яка передає якісь якості від батьків до дитини. Біохімія додала в цю картину першу конкретику: ці якості пов'язані з ферментами або білками, по одному на кожен ген. А з приходом молекулярної біології, гени остаточно втілилися в матеріальну субстанцію - послідовність ДНК, яка при конвертації в інформаційну РНК може бути використана як основа для створення білків.
Довгі спіральні молекули ДНК хромосом представлялися як довгі нитки, на які «нанизані» послідовності генів немов бісер. Ця струнка картина все ще існує в умах багатьох молекулярщиків, хоча і з цілим рядом поправок до центральної догми молекулярної біології. Не те, щоб ніхто не цікавився, що таке ген насправді. Просто часто чисто технічно такого уявлення цілком достатньо, щоб виділити дискретний ділянка ДНК, який кодує якийсь ген, який можна розшифрувати, переписати в РНК, а потім в білок. Тримаємо в голові найпростішу схему ДНК - РНК - білок ознака. Це одна з можливих схем, але поки і її досить, щоб зрозуміти, що з геном все не так просто. Звідси ми зараз почнемо танцювати.
Якщо в геномі зовсім немає ділянки ДНК, що кодує якийсь продукт, то тут ми з упевненістю можемо стверджувати, що гена теж немає. Це, мабуть, єдине, в чому ми можемо бути впевненими на сто відсотків.
Ген-який кодує ділянку ДНК?
Якщо є ділянка ДНК, який зчитується в вигляді РНК, на якій може синтезуватися білок, це вже ген чи ні? Питання починаються вже з моменту зчитування РНК. Перед геном як правило завжди є послідовність, яку називають промотором. На ній розташований цілий ряд регуляторних послідовностей, на які сідає молекулярна машина зчитування РНК.
Перевіряємо гіпотезу. Беремо послідовність ДНК, в якій «записаний» кінцевий продукт і переносимо її в інший геном. Якщо промотора у неї немає, то вона «не увімкнеться", не буде зчитування РНК, відповідно, кінцевого продукту також не буде. Виходить ситуація - ділянку, що кодує білок у нас є, а продукту немає. Для клітини і цілого організму ця ситуація розглядається як відсутність ознаки. Отже, ген це не тільки кодує послідовність, але і промотор - кнопка, її «включає». Ось так.
Ген - кодує ділянку ДНК плюс промотор?
Припустимо, тепер у нас є ДНК, що складається як мінімум з двох частин - кодує продукт і промотора. Це ген? Щоб перевірити гіпотезу, промутіруем в промоторі ряд важливих регуляторних послідовностей так, щоб їх НЕ дізнавалася та сама Транскрипційні машина. В результаті синтезу РНК знову не відбувається, білка немає. Для організму це знову ситуація рівна «відсутності ознаки». Таким чином, важливо ті тільки, щоб фізично присутня кодує послідовність і промотор, важливо також, щоб в промоторі всі регулюючі елементи були в повному здоров'ї.
Ось як звучить остаточне формулювання гена- «A locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions and / or other functional sequence regions.»
Ген плюс чинники транскрипції
Фактори транскрипції визначають коли і де саме включити або заблокувати синтез РНК з тієї чи іншої ділянки ДНК, який ми вважаємо геном. Ні факторів транскрипції, немає роботи гена, немає ознаки, який він кодує.
І ось як це виглядає на картинці. І з цієї Байдою ми спробуємо злетіти.
Тому, для прикладу, наступна ситуація. Беремо ділянку ДНК, з кодує частиною і промотором-кнопкою в цілості й схоронності (ми думаємо, що це вже нарешті ген, який кодує білок і кодує якусь ознаку) і переносимо в геном якихось клітин. Для кращого розуміння трохи спростимо ситуацію. Припустимо, що ген з рослин, а ми переносимо його в геном клітин шкіри, які ростуть на живильному середовищі. Ви не сильно здивуєтеся, якщо дізнаєтеся, що може трапитися так, що там ген не "включиться»? Найбільш вірогідне пояснення таке, що в тваринних клітинах Транскрипційні машина не дізнається рослинні регуляторні послідовності. Для тварин клітин це ситуація відсутності гена і відсутність його продукту, отже, відсутність ознаки.
Я вже руки розкинула так далеко, що виходить, що щоб ген (ділянку ДНК) здійснив те, що в класичній генетиці вважається реалізація якогось успадкованого ознаки, то в цю картину просто необхідно додати ще й умови його роботи.
Фактори транскрипції (кулі на картинці) - це білки. І раз це білки, значить вони теж кодуються якимись генами. І точно також зчитуються у вигляді РНК і теж за допомогою інших чинників транскрипції, які теж гени і так далі. Для кожного гена свій індивідуальний набір транскрипционной машини, яка збирається в залежності від зовнішніх сигналів.
Таким чином, щоб запрацював один ген в конкретний момент часу, в конкретному місці в організмі треба, щоб перед цим там включилися інші гени і підготували все до його включенню. Від чого це залежить? Саме в цьому місці в цю епічну картину ми додаємо самого ключового гравця - зовнішню і внутрішню середу.
Синтез, локалізація і робота факторів транскрипції часто регулюється прийняттям молекулярних сигналів ззовні. Наприклад, в клітку надійшов сигнал - атака патогена або гормон. Він сприймається якимись рецепторами на поверхні клітини (які теж гени). Далі, на кшталт падаючих доміно-фішок, сигнал передається молекулярному каскаду (які теж гени) до ядра і включає синтез потрібних факторів транскрипції (нагадую, це теж гени), які потім включають ген Х, продукт якого може безпосередньо впливати на патоген.
Виходить, що включенню (роботі) завжди гена що передує події, які відбулися в минулому хоча б на мить раніше і підготували ґрунт для його роботи.
Для тих, хто дочитав до кінця. Про все це ви можете спокійно забути. Тому що промотори бувають не тільки спереду гена, але і в його хвості. Регуляторні ділянки наставлені і всередині кодує частини і взагалі де-попало. Не всі лічені РНК кодують якийсь білок, а є регуляторами роботи інших генів. Але і в цьому випадку вони можуть вважатися генами. Один кодує ділянку ДНК може розшифровувати в різні продукти. І поки молекулярщиків зійшлися з горем навпіл на загальному знаменнику, що з купою застережень, ознакою працюючого гена можна вважати функціональний транскрипт (РНК), кодує він білок, чи ні, деякі бактерії можуть синтезувати білок прямо на ДНК. При цьому ми ще не торкалися епігенетичної регуляції, яка теж причому.
І на закінчення, навіщо нам це все знати? Розгортання генетичної програми відбувається в часі в вигляді комплексної взаємодії генів між собою при тісній взаємодії з навколишнім середовищем. Факторів, що впливають на це, велика кількість. Наприклад, широко відомий приклад незакриття нервової трубки під час внутрішньоутробного розвитку при дефіциті фолієвої кислоти: у мишей цей феномен кодується більш ніж 200 генами. У людини поки з відносною точністю визначили всього кілька ключових генів, задіяних у метаболізмі фолієвої кислоти. Але їх напевно більше.
Будь ласка, оцініть цю статтю: