Gen - Gene

Výše uvedený obrázek obsahuje odkazy, na které lze kliknout
Gen je oblast DNA, která kóduje funkci. Chromozomu se skládá z dlouhého řetězce DNA, který obsahuje mnoho genů. Lidský chromozom může mít až 500 milionů párů bází DNA s tisíci geny.

V biologii , je gen (od genos ( řecký ) znamenat generování nebo narození nebo pohlaví ) je základní jednotka dědičnosti a sekvence nukleotidů v DNA, která kóduje na syntézu o produktu genu , a to buď RNA nebo protein .

Během genové exprese je DNA nejprve zkopírována do RNA . RNA může být přímo funkční nebo může být přechodným templátem pro protein, který vykonává funkci. Přenos genů na potomstvo organismu je základem dědičnosti fenotypových vlastností . Tyto geny tvoří různé sekvence DNA nazývané genotypy . Genotypy spolu s environmentálními a vývojovými faktory určují, jaké fenotypy budou. Většina biologických vlastností je pod vlivem polygenů (mnoho různých genů) a také interakcí gen -prostředí . Některé genetické rysy jsou okamžitě viditelné, například barva očí nebo počet končetin, a některé nikoli, například krevní skupina , riziko specifických chorob nebo tisíce základních biochemických procesů, které tvoří život .

Geny mohou ve své sekvenci získat mutace , což vede k různým variantám, známým jako alely , v populaci . Tyto alely kódují mírně odlišné verze proteinu, které způsobují různé fenotypové znaky. Použití výrazu „mající gen“ (např. „Dobré geny“, „gen barvy vlasů“) se typicky vztahuje k obsahu jiné alely stejného sdíleného genu. Geny se vyvíjejí v důsledku přirozeného výběru / přežití nejschopnějších a genetického driftu alel.

Koncept genu se stále zdokonaluje, jak jsou objevovány nové jevy. Například regulační oblasti genu mohou být daleko od jeho kódujících oblastí a kódující oblasti mohou být rozděleny do několika exonů . Některé viry ukládají svůj genom do RNA místo DNA a některé genové produkty jsou funkční nekódující RNA . Široká, moderní pracovní definice genu je tedy jakýkoli diskrétní lokus dědičné, genomové sekvence, který ovlivňuje rysy organismu tím, že je exprimován jako funkční produkt nebo regulací genové exprese .

Termín gen zavedl dánský botanik , fyziolog rostlin a genetik Wilhelm Johannsen v roce 1909. Je inspirován starověkým Řekem : γόνος, gonos , což znamená potomstvo a plození.

Dějiny

Fotografie Gregora Mendela
Gregor Mendel

Objev diskrétních zděděných jednotek

Existenci diskrétních dědičných jednotek poprvé navrhl Gregor Mendel (1822–1884). Od roku 1857 do roku 1864 studoval v Brně , Rakouské říši (dnešní Česká republika), dědičnost v 8000 rostlinách jedlého hrachu a sledoval odlišné rysy od rodičů po potomky. Matematicky je popsal jako 2 n  kombinací, kde n je počet odlišných charakteristik v původním hrachu. Ačkoli nepoužíval termín gen , vysvětlil své výsledky pomocí diskrétních zděděných jednotek, které vedou k pozorovatelným fyzickým vlastnostem. Tento popis předznamenal rozlišení Wilhelma Johannsena mezi genotypem (genetickým materiálem organismu) a fenotypem (pozorovatelné rysy tohoto organismu). Mendel byl také prvním, kdo prokázal nezávislý sortiment , rozdíl mezi dominantními a recesivními rysy, rozdíl mezi heterozygotem a homozygotem a fenomén diskontinuální dědičnosti.

Před Mendelovou prací byla dominantní teorií dědičnosti teorie míchání dědičnosti , která naznačovala, že každý rodič přispíval tekutinami do procesu oplodnění a že rysy rodičů se mísily a mísily a vytvářely potomstvo. Charles Darwin vyvinul teorii dědičnosti, kterou nazval pangenesis , z řecké pan („vše, celé“) a genesis („narození“) / genos („původ“). Darwin použil termín gemmule k popisu hypotetických částic, které by se během reprodukce mísily .

Mendelova práce zůstala po první publikaci v roce 1866 do značné míry bez povšimnutí, ale na konci 19. století ji znovu objevili Hugo de Vries , Carl Correns a Erich von Tschermak , kteří (tvrdili, že měli) ve svém vlastním výzkumu dospěli k podobným závěrům. Konkrétně v roce 1889 vydal Hugo de Vries svou knihu Intracelulární pangenesis , ve které postuloval, že různé postavy mají jednotlivé dědičné nosiče a že dědičnost specifických rysů v organismech přichází v částicích. De Vries nazval tyto jednotky „pangenes“ ( německy Pangens ) podle Darwinovy ​​teorie pangeneze z roku 1868.

O dvacet let později, v roce 1909, zavedl Wilhelm Johannsen termín „gen“ a v roce 1906 William Bateson jako „ genetika “, zatímco Eduard Strasburger mimo jiné stále používal termín „pangene“ pro základní fyzickou a funkční jednotku dědičnosti .

Objev DNA

Pokroky v porozumění genům a dědičnosti pokračovaly po celé 20. století. Experimenty ve 40. až 50. letech minulého století ukázaly, že deoxyribonukleová kyselina (DNA) je molekulárním úložištěm genetické informace. Strukturu DNA studovali Rosalind Franklin a Maurice Wilkins pomocí rentgenové krystalografie , což vedlo Jamese D. Watsona a Francise Cricka k vydání modelu dvojvláknové molekuly DNA, jejíž spárované nukleotidové báze naznačovaly přesvědčivou hypotézu mechanismu genetická replikace.

Na počátku padesátých let převládal názor, že geny v chromozomu fungovaly jako diskrétní entity, nerozdělitelné rekombinací a uspořádané jako korálky na provázku. Benzerovy experimenty s použitím mutantů defektních v rII oblasti bakteriofága T4 (1955–1959) ukázaly, že jednotlivé geny mají jednoduchou lineární strukturu a pravděpodobně budou ekvivalentní lineárnímu úseku DNA.

Souhrnně tento soubor výzkumu stanovil ústřední dogma molekulární biologie , které uvádí, že proteiny jsou překládány z RNA , která je přepisována z DNA . Od té doby se ukázalo, že toto dogma má výjimky, jako je reverzní transkripce u retrovirů . Moderní studium genetiky na úrovni DNA je známé jako molekulární genetika .

V roce 1972 Walter Fiers a jeho tým jako první určili sekvenci genu: obalového proteinu Bacteriophage MS2 . Následný vývoj sekvenování DNA s ukončením řetězce v roce 1977 Frederickem Sangerem zlepšil účinnost sekvenování a proměnil jej v rutinní laboratorní nástroj. V raných fázích projektu lidského genomu byla použita automatizovaná verze metody Sanger .

Moderní syntéza a její nástupci

Teorie vyvinuté na počátku 20. století za účelem integrace mendelovské genetiky s darwinovskou evolucí se nazývají moderní syntéza , termín zavedený Julianem Huxleym .

Evoluční biologové následně upraveny tento pojem, jako je George C. Williams " gen-centric pohled evoluce . Navrhl evoluční pojetí genu jako jednotka z přirozeného výběru s definicí: „to, segregáty a rekombinuje s patrnou frekvencí.“ V tomto pohledu se molekulární gen přepisuje jako jednotka a evoluční gen dědí jako jednotka. Související myšlenky zdůrazňující ústřednost genů v evoluci propagoval Richard Dawkins .

Molekulární základ

Diagram chemické struktury DNA ukazující, jak se dvojitá šroubovice skládá ze dvou řetězců páteře cukr-fosfát se zásadami směřujícími dovnitř a konkrétně párováním bází A až T a C až G s vodíkovými vazbami.
Chemická struktura fragmentu čtyř párů bází dvojité šroubovice DNA . Tyto cukru - fosfát páteř řetězce spustit v opačných směrech s bází směřuje dovnitř, párování bází A na T a C,G s vodíkovými vazbami .

DNA

Drtivá většina organismů kóduje své geny do dlouhých řetězců DNA (deoxyribonukleová kyselina). DNA se skládá z řetězce vyrobeného ze čtyř typů nukleotidových podjednotek, z nichž každá je složena z: pět uhlíkového cukru ( 2-deoxyribózy ), fosfátové skupiny a jedné ze čtyř bází adenin , cytosin , guanin a thymin .

Dva řetězce DNA se otočí kolem sebe a vytvoří dvojitou šroubovici DNA s páteří fosfát-cukr spirálovitě kolem vnějšku a báze směřující dovnitř s párováním adeninových bází s thyminem a guaninem s cytosinem. Specificita párování bází nastává, protože adenin a thymin se spojí za vzniku dvou vodíkových vazeb , zatímco cytosin a guanin tvoří tři vodíkové vazby. Dvě vlákna ve dvojité šroubovici proto musí být komplementární , přičemž jejich sekvence bází se shoduje tak, že adeniny jednoho vlákna jsou spárovány s thyminy druhého vlákna atd.

V důsledku chemického složení pentózových zbytků bází mají řetězce DNA směrovost. Jeden konec polymeru DNA obsahuje exponovanou hydroxylovou skupinu na deoxyribóze ; toto je známé jako 3 'konec molekuly. Druhý konec obsahuje exponovanou fosfátovou skupinu; toto je 5 'konec . Dva prameny dvoušroubovice procházejí opačnými směry. Syntéza nukleových kyselin, včetně replikace a transkripce DNA, probíhá ve směru 5 '→ 3', protože nové nukleotidy se přidávají dehydratační reakcí, která jako nukleofil využívá odhalený 3 'hydroxyl .

Exprese genů kódovaných v DNA začíná transkripce genu do RNA , druhého typu nukleové kyseliny, která je velmi podobná DNA, ale jehož monomery obsahují cukr ribóza , spíše než deoxyribózy . RNA obsahuje základní uracil namísto thyminu . Molekuly RNA jsou méně stabilní než DNA a jsou typicky jednovláknové. Geny, které kódují proteiny, se skládají ze série tří nukleotidových sekvencí nazývaných kodony , které v genetickém „jazyce“ slouží jako „slova“. Genetický kód určuje korespondenci během translace proteinu mezi kodony a aminokyselinami . Genetický kód je téměř stejný pro všechny známé organismy.

Chromozomy

Mikroskopický obraz 46 chromozomů pruhovaných červenými a zelenými pruhy
Zářivkový mikroskopický snímek lidského ženského karyotypu zobrazující 23 párů chromozomů. DNA je obarvena červeně a oblasti bohaté na geny pro domácnost jsou dále obarveny zeleně. Největší chromozomy jsou přibližně 10krát větší než ty nejmenší.

Celkový komplement genů v organismu nebo buňce je znám jako jeho genom , který může být uložen na jednom nebo více chromozomech . Chromozom se skládá z jediné velmi dlouhé šroubovice DNA, na které jsou kódovány tisíce genů. Oblast chromozomu, ve které se nachází konkrétní gen, se nazývá jeho lokus . Každý lokus obsahuje jednu alelu genu; členové populace však mohou mít v lokusu různé alely, každou s mírně odlišnou genovou sekvencí.

Většina eukaryotických genů je uložena na sadě velkých lineárních chromozomů. Chromozomy jsou zabaleny do jádra v komplexu s akumulačními proteiny nazývanými histony, aby vytvořily jednotku nazývanou nukleosom . Takto zabalená a kondenzovaná DNA se nazývá chromatin . Způsob, jakým je DNA uložena na histonech, stejně jako chemické modifikace samotného histonu, regulují, zda je konkrétní oblast DNA přístupná pro genovou expresi . Kromě genů obsahují eukaryotické chromozomy sekvence, které se podílejí na zajištění kopírování DNA bez degradace koncových oblastí a během dělení buněk jsou tříděny do dceřiných buněk: počátky replikace , telomery a centroméra . Počátky replikace jsou sekvenční oblasti, kde je zahájena replikace DNA za účelem vytvoření dvou kopií chromozomu. Telomery jsou dlouhé úseky opakujících se sekvencí, které zakrývají konce lineárních chromozomů a zabraňují degradaci kódujících a regulačních oblastí během replikace DNA . Délka telomer se snižuje pokaždé, když je genom replikován a je zapojen do procesu stárnutí . Centromera je nutná pro vazbu vřetenových vláken k oddělení sesterských chromatidů do dceřiných buněk během dělení buněk .

Prokaryoty ( bakterie a archea ) obvykle ukládají své genomy na jednom velkém kruhovém chromozomu . Podobně některé eukaryotické organely obsahují zbytkový kruhový chromozom s malým počtem genů. Prokaryoty někdy doplňují svůj chromozom dalšími malými kruhy DNA zvanými plazmidy , které obvykle kódují jen několik genů a jsou přenosné mezi jednotlivci. Například geny pro rezistenci na antibiotika jsou obvykle kódovány na bakteriálních plazmidech a mohou být přenášeny mezi jednotlivými buňkami, dokonce i těmi různých druhů, horizontálním přenosem genů .

Zatímco chromozomy prokaryot jsou relativně husté na geny, eukaryoty často obsahují oblasti DNA, které nemají žádnou zjevnou funkci. Jednoduché jednobuněčné eukaryoty mají relativně malá množství takové DNA, zatímco genomy komplexních mnohobuněčných organismů , včetně lidí, obsahují absolutní většinu DNA bez identifikované funkce. Tato DNA byla často označována jako „ nevyžádaná DNA “. Novější analýzy však naznačují, že ačkoliv DNA kódující protein tvoří sotva 2% lidského genomu , může být exprimováno asi 80% bází v genomu, takže termín „junk DNA“ může být nesprávné pojmenování.

Struktura a funkce

Struktura

Výše uvedený obrázek obsahuje odkazy, na které lze kliknout
Struktura genu kódujícího eukaryotický protein. Regulační sekvence řídí, kdy a kde dochází k expresi pro oblast kódující protein (červená). Oblasti promotoru a zesilovače (žluté) regulují transkripci genu do pre-mRNA, která je modifikována tak, aby se odstranily introny (světle šedá) a přidal se 5 'uzávěr a poly-A ocas (tmavě šedá). Netranslatované oblasti mRNA 5 ' a 3' (modré) regulují translaci do konečného proteinového produktu.

Struktura genu se skládá z mnoha prvků, z nichž skutečná protein kódující sekvence je často jen malá část. Patří sem oblasti DNA, které nejsou transkribovány, stejně jako netranslatované oblasti RNA.

Geny, které lemují otevřený čtecí rámec, obsahují regulační sekvenci, která je nezbytná pro jejich expresi. Za prvé, geny vyžadují sekvenci promotoru . Promotor je rozpoznán a vázán transkripčními faktory, které rekrutují a pomáhají RNA polymeráze vázat se do oblasti k zahájení transkripce. Rozpoznání se obvykle vyskytuje jako konsensuální sekvence jako pole TATA . Gen může mít více než jeden promotor, což má za následek posel RNA ( mRNA ), které se liší tím, jak daleko zasahují do 5 'konce. Vysoce transkribované geny mají "silné" promotorové sekvence, které vytvářejí silné asociace s transkripčními faktory, čímž iniciují transkripci vysokou rychlostí. Jiné geny mají „slabé“ promotory, které vytvářejí slabé asociace s transkripčními faktory a zahajují transkripci méně často. Oblasti eukaryotických promotorů jsou mnohem složitější a obtížněji identifikovatelné než prokaryotické promotory.

Navíc geny mohou mít regulační oblasti mnoho kilobází před nebo za otevřeným čtecím rámcem, které mění expresi. Ty působí vazbou na transkripční faktory, které pak způsobí smyčku DNA, takže regulační sekvence (a vázaný transkripční faktor) se přiblíží vazebnému místu RNA polymerázy. Například zesilovače zvyšují transkripci vazbou aktivačního proteinu, který pak pomáhá rekrutovat RNA polymerázu k promotoru; naopak tlumiče váží represorové proteiny a činí DNA méně dostupnou pro RNA polymerázu.

Přepisovaná pre-mRNA obsahuje na obou koncích netranslatované oblasti, které obsahují vazebná místa pro ribozomy , proteiny vázající RNA , miRNA , stejně jako terminátor , a startovací a stop kodony . Navíc většina eukaryotických otevřených čtecích rámců obsahuje nepřeložené introny , které jsou odstraněny, a exony , které jsou spojeny dohromady v procesu známém jako sestřih RNA . Nakonec jsou konce genových transkriptů definovány místy štěpení a polyadenylace (CPA) , kde se nově produkovaná pre-mRNA štěpí a na 3 'konec se přidá řetězec ~ 200 adenosin monofosfátů. Poly (A) ocasu chrání zralé mRNA před degradací a má další funkce, ovlivňující překlad, lokalizaci a transport transkriptu z jádra. Sestřih, následovaný CPA, generuje konečnou zralou mRNA , která kóduje protein nebo RNA produkt. Ačkoli jsou obecné mechanismy definující umístění lidských genů známé, identifikace přesných faktorů regulujících tyto buněčné procesy je oblastí aktivního výzkumu. Například známé sekvenční znaky v 3'-UTR mohou vysvětlit pouze polovinu všech lidských genových konců.

Mnoho prokaryotických genů je organizováno do operonů s více sekvencemi kódujícími proteiny, které jsou přepisovány jako jednotka. Geny v operonu jsou transkribovány jako spojitá messengerová RNA , označovaná jako polycistronická mRNA . Termín cistron je v tomto kontextu ekvivalentní genu. Transkripce operonové mRNA je často řízena represorem, který se může objevit v aktivním nebo neaktivním stavu v závislosti na přítomnosti specifických metabolitů. V aktivním represor se váže na DNA sekvence na začátku operonu, která se nazývá oblast operátor , a potlačuje transkripci z operonu ; když je represor neaktivní, může dojít k transkripci operonu (viz např. Lac operon ). Produkty genů operonu mají obvykle související funkce a jsou zapojeny do stejné regulační sítě .

Funkční definice

Je obtížné přesně určit, která část sekvence DNA obsahuje gen. Regulační oblasti genu, jako jsou zesilovače , nemusí být nutně blízké kódující sekvenci na lineární molekule, protože zasahující DNA může být smyčkována, aby se gen a jeho regulační oblast přiblížily. Podobně introny genu mohou být mnohem větší než jeho exony. Regulační oblasti mohou být dokonce na zcela odlišných chromozomech a fungovat v trans , aby regulační oblasti na jednom chromozomu mohly přijít do styku s cílovými geny na jiném chromozomu.

Počáteční práce v molekulární genetice navrhla koncept, že jeden gen vytváří jeden protein . Tento koncept (původně nazývaný hypotéza jednoho genu a jednoho enzymu ) vzešel z vlivného článku George Beadleho a Edwarda Tatuma z roku 1941 o experimentech s mutanty houby Neurospora crassa . Norman Horowitz , raný kolega z výzkumu Neurospora , si v roce 2004 vzpomněl , že „tyto experimenty založily vědu o tom, co Beadle a Tatum nazývali biochemická genetika . Ve skutečnosti se ukázaly jako úvodní zbraň molekulární genetiky a veškerého vývoje, který z toho plyne. “ Proteinový koncept jeden gen-jeden byl upřesněn od objevu genů, které mohou kódovat více proteinů alternativními sestřihovými a kódujícími sekvencemi rozdělenými v krátkém úseku napříč genomem, jehož mRNA jsou zřetězeny trans-sestřihem .

Někdy se používá široká operační definice, která zahrnuje složitost těchto různých jevů, kde je gen definován jako spojení genomových sekvencí kódujících koherentní sadu potenciálně se překrývajících funkčních produktů. Tato definice kategorizuje geny podle jejich funkčních produktů (proteiny nebo RNA) spíše než podle jejich specifických lokusů DNA, přičemž regulační prvky jsou klasifikovány jako oblasti asociované s genem .

Překrývání mezi geny

Je také možné, aby geny překrývaly stejnou sekvenci DNA a byly považovány za odlišné, ale překrývající se geny . Aktuální definice překrývajícího se genu je u eukaryot, prokaryot a virů odlišná. V eukaryotech byly nedávno definovány jako „když je alespoň jeden nukleotid sdílen mezi vnějšími hranicemi primárních transkriptů dvou nebo více genů, takže mutace DNA báze v místě překrývání by ovlivnila transkripty všech genů zapojených do překrytí." U prokaryot a virů byly nedávno definovány jako „když kódující sekvence dvou genů sdílejí nukleotid buď na stejných nebo opačných vláknech“.

Genový výraz

U všech organismů jsou nutné dva kroky ke čtení informací zakódovaných v DNA genu a produkci proteinu, který specifikuje. Nejprve je DNA genu přepsána na messenger RNA ( mRNA ). Za druhé, že mRNA je translatována na protein. Geny kódující RNA musí stále projít prvním krokem, ale nejsou translatovány do bílkovin. Proces produkce biologicky funkční molekuly buď RNA nebo proteinu se nazývá genová exprese a výsledná molekula se nazývá genový produkt .

Genetický kód

Molekula RNA sestávající z nukleotidů.  Skupiny tří nukleotidů jsou označeny jako kodony, přičemž každý odpovídá konkrétní aminokyselině.
Schéma jednovláknové molekuly RNA ilustrující sérii tříbázových kodonů . Při translaci na protein odpovídá každý třínukleotidový kodon aminokyselině

Nukleotidová sekvence DNA genu specifikuje aminokyselinovou sekvenci proteinu prostřednictvím genetického kódu . Sady tří nukleotidů, známých jako kodony , každý odpovídá konkrétní aminokyselině. Princip, že tři sekvenční báze kódu DNA pro každou aminokyselinu byl demonstrován v roce 1961 pomocí mutací posunu rámce v genu rIIB bakteriofága T4 (viz Crick, Brenner a kol. Experiment ).

Navíc „ start kodon " a tři „ stop kodony " označují začátek a konec oblasti kódující protein . Existuje 64 možných kodonů (čtyři možné nukleotidy v každé ze tří poloh, tedy 4 3  možné kodony) a pouze 20 standardních aminokyselin; proto je kód nadbytečný a více kodonů může specifikovat stejnou aminokyselinu. Korespondence mezi kodony a aminokyselinami je téměř univerzální mezi všemi známými živými organismy.

Transkripce

Transkripce produkuje jednovláknovou molekulu RNA známou jako messenger RNA , jejíž nukleotidová sekvence je komplementární k DNA, ze které byla transkribována. MRNA působí jako meziprodukt mezi genem DNA a jeho konečným proteinovým produktem. Genová DNA je použita jako templát pro generování komplementární mRNA. MRNA odpovídá sekvenci řetězce kódujícího DNA genu, protože je syntetizována jako komplement templátového řetězce . Transkripci provádí enzym nazývaný RNA polymeráza , který čte vlákno templátu ve směru 3 '5'  a syntetizuje RNA od 5 ' do 3' . K zahájení transkripce polymeráza nejprve rozpoznává a váže promotorovou oblast genu. Hlavním mechanismem genové regulace je tedy blokování nebo sekvestrace oblasti promotoru, a to buď těsnou vazbou represorovými molekulami, které fyzicky blokují polymerázu, nebo uspořádáním DNA tak, aby oblast promotoru nebyla přístupná.

U prokaryot dochází k transkripci v cytoplazmě ; u velmi dlouhých transkriptů může translace začít na 5 'konci RNA, zatímco 3' konec je stále přepisován. U eukaryot dochází k transkripci v jádru, kde je uložena DNA buňky. Molekula RNA produkovaná polymerázou je známá jako primární transkript a před exportem do cytoplazmy k translaci prochází posttranskripčními modifikacemi . Jedna z modifikací provedených je sestřih z intronů , které jsou sekvence v této oblasti transkribované, které nekódují protein. Alternativní sestřihové mechanismy mohou mít za následek zralé transkripty ze stejného genu s různými sekvencemi, a tedy kódující různé proteiny. Toto je hlavní forma regulace v eukaryotických buňkách a vyskytuje se také u některých prokaryot.

Překlad

Protein kódující gen v DNA se přepisuje a překládá na funkční protein nebo gen nekódující protein se přepisuje na funkční RNA
Proteiny kódující geny jsou transkribovány na meziprodukt mRNA , poté přeloženy na funkční protein . Geny kódující RNA jsou přepsány na funkční nekódující RNA . ( PDB : 3BSE , 1OBB , 3TRA )

Translace je proces, při kterém je zralá molekula mRNA použita jako templát pro syntézu nového proteinu . Translace se provádí ribozomy , velkými komplexy RNA a proteinů odpovědných za provádění chemických reakcí za účelem přidání nových aminokyselin do rostoucího polypeptidového řetězce tvorbou peptidových vazeb . Genetický kód se čte třemi nukleotidy najednou, v jednotkách nazývaných kodony , prostřednictvím interakcí se specializovanými molekulami RNA nazývanými transferová RNA (tRNA). Každá tRNA má tři nepárové báze známé jako antikodon, které jsou komplementární ke kodonu, který čte na mRNA. TRNA je také kovalentně připojena k aminokyselině specifikované komplementárním kodonem. Když se tRNA váže na svůj komplementární kodon v řetězci mRNA, ribozom připojí svůj náklad aminokyseliny k novému polypeptidovému řetězci, který je syntetizován z amino konce na karboxylový konec . Během a po syntéze se většina nových proteinů musí skládat do své aktivní trojrozměrné struktury, než budou moci plnit své buněčné funkce.

Nařízení

Geny jsou regulovány tak, aby byly vyjádřeny pouze v případě, že je potřeba produkt, protože výraz čerpá z omezených zdrojů. Buňka reguluje svoji genovou expresi v závislosti na svém vnějším prostředí (např. Dostupné živiny , teplota a další stresy ), svém vnitřním prostředí (např. Cyklus dělení buněk , metabolismus , stav infekce ) a na své specifické roli, pokud je součástí mnohobuněčného organismu. Genovou expresi lze regulovat v jakémkoli kroku: od iniciace transkripce , přes zpracování RNApo posttranslační modifikaci proteinu. Regulace genů metabolismu laktózy v E. coli ( lac operon ) byla prvním takovým mechanismem, který byl popsán v roce 1961.

RNA geny

Typický gen kódující protein je nejprve zkopírován do RNA jako meziprodukt při výrobě konečného proteinového produktu. V jiných případech jsou molekulami RNA skutečné funkční produkty, jako při syntéze ribozomální RNA a přenosové RNA . Některé RNA známé jako ribozymy jsou schopné enzymatické funkce a mikroRNA má regulační roli. Sekvence DNA, ze kterých jsou takové RNA transkribovány, jsou známé jako nekódující geny RNA .

Některé viry ukládají celé své genomy ve formě RNA a neobsahují vůbec žádnou DNA. Protože používají RNA k ukládání genů, jejich buněční hostitelé mohou syntetizovat jejich proteiny, jakmile jsou infikováni a bez zpoždění při čekání na transkripci. Na druhé straně RNA retroviry , jako je HIV , vyžadují před syntézou jejich proteinů reverzní transkripci jejich genomu z RNA do DNA. RNA-zprostředkovaná epigenetická dědičnost byla také pozorována u rostlin a velmi zřídka u zvířat.

Dědictví

Ilustrace autosomálně recesivní dědičnosti.  Každý rodič má jednu modrou alelu a jednu bílou alelu.  Každé ze svých 4 dětí zdědí po jednom rodiči jednu alelu tak, že jedno dítě skončí se dvěma modrými alelami, jedno dítě má dvě bílé alely a dvě děti mají po jedné z každé alely.  Pouze dítě s oběma modrými alelami ukazuje rys, protože je recesivní.
Dědičnost genu, který má dvě různé alely (modrou a bílou). Gen se nachází na autosomálním chromozomu . Bílá alela je recesivní vůči modré alele. Pravděpodobnost každého výsledku v dětské generaci je jedna čtvrtina, tedy 25 procent.

Organismy dědí své geny po rodičích. Asexuální organismy jednoduše dědí kompletní kopii genomu svých rodičů. Sexuální organismy mají dvě kopie každého chromozomu, protože zdědí jednu kompletní sadu od každého rodiče.

Mendelovská dědičnost

Podle mendelovské dědičnosti jsou variace fenotypu organismu (pozorovatelné fyzické a behaviorální charakteristiky) částečně způsobeny změnami jeho genotypu (konkrétní sady genů). Každý gen specifikuje konkrétní znak s odlišnou sekvencí genu ( alely ), což vede k vzniku různých fenotypů. Většina eukaryotických organismů (jako například hrachové rostliny, na kterých Mendel pracoval) má pro každý znak dvě alely, jednu zděděnou od každého rodiče.

Alely v místě mohou být dominantní nebo recesivní ; dominantní alely vedou ke vzniku jejich odpovídajících fenotypů, když jsou spárovány s jakoukoli jinou alelou pro stejný znak, zatímco recesivní alely vedou k jejich odpovídajícímu fenotypu pouze při spárování s jinou kopií stejné alely. Pokud znáte genotypy organismů, můžete určit, které alely jsou dominantní a které recesivní. Pokud je například alela určující vysoké stonky v rostlinách hrachu dominantní nad alelou určující krátké stonky, pak rostliny hrachu, které zdědí jednu vysokou alelu od jednoho rodiče a jednu krátkou alelu od druhého rodiče, budou mít také vysoké stonky. Mendelova práce prokázala, že se alely produkují nezávisle na produkci gamet nebo zárodečných buněk , což zajišťuje variabilitu v příští generaci. Přestože mendelovská dědičnost zůstává dobrým modelem pro mnoho znaků určených jednotlivými geny (včetně řady známých genetických poruch ), nezahrnuje fyzikální procesy replikace DNA a dělení buněk.

Replikace DNA a buněčné dělení

Růst, vývoj a reprodukce organismů závisí na buněčném dělení ; proces, při kterém se jedna buňka rozdělí na dvě obvykle identické dceřiné buňky . To vyžaduje nejprve vytvořit duplicitní kopii každého genu v genomu v procesu nazývaném replikace DNA . Kopie jsou vytvářeny specializovanými enzymy známými jako DNA polymerázy , které „čtou“ jedno vlákno dvoušroubovicové DNA, známé jako templátové vlákno, a syntetizují nové komplementární vlákno. Protože dvojitá šroubovice DNA je držena pohromadě párováním bází , sekvence jednoho vlákna zcela specifikuje sekvenci jejího komplementu; proto musí enzym přečíst pouze jeden pramen, aby vznikla věrná kopie. Proces replikace DNA je semikonzervativní ; to znamená, že kopie genomu zděděná každou dceřinou buňkou obsahuje jeden původní a jeden nově syntetizovaný řetězec DNA.

Rychlost replikace DNA v živých buňkách byla nejprve měřena jako rychlost prodloužení DNA fága T4 v E. coli infikované fágy a bylo zjištěno, že je působivě rychlá. Během období exponenciálního nárůstu DNA při 37 ° C byla rychlost prodloužení 749 nukleotidů za sekundu.

Po dokončení replikace DNA musí buňka fyzicky oddělit dvě kopie genomu a rozdělit se na dvě odlišné buňky vázané na membránu. U prokaryot  ( bakterie a archea ) k tomu obvykle dochází relativně jednoduchým procesem zvaným binární štěpení , při kterém se každý kruhový genom připojí k buněčné membráně a rozdělí se na dceřiné buňky, když se membrána invaginuje a rozdělí cytoplazmu na dvě části vázané na membránu . Binární štěpení je extrémně rychlé ve srovnání s rychlostí buněčného dělení v eukaryotech . Eukaryotické dělení buněk je složitější proces známý jako buněčný cyklus ; Replikace DNA, dochází během fáze tohoto cyklu známý jako S fázi , zatímco proces segregace chromozómů a rozložení cytoplazmy dochází v průběhu M fáze .

Molekulární dědičnost

Duplikace a přenos genetického materiálu z jedné generace buněk na další je základem molekulární dědičnosti a vazbou mezi klasickým a molekulárním obrazem genů. Organismy dědí vlastnosti svých rodičů, protože buňky potomstva obsahují kopie genů v buňkách jejich rodičů. V asexuálně se rozmnožujících organismech bude potomkem genetická kopie nebo klon mateřského organismu. V pohlavně se rozmnožujících organismech specializovaná forma buněčného dělení zvaná meióza produkuje buňky zvané gamety nebo zárodečné buňky, které jsou haploidní nebo obsahují pouze jednu kopii každého genu. Gamety produkované ženami se nazývají vajíčka nebo vajíčka a gamety produkované muži se nazývají spermie . Dvě gamety se spojí a vytvoří diploidní oplodněné vajíčko , jedinou buňku, která má dvě sady genů, s jednou kopií každého genu od matky a jednou od otce.

Během procesu dělení meiotických buněk může někdy dojít k události zvané genetická rekombinace nebo křížení , při které se délka DNA na jednom chromatidu zamění s délkou DNA na odpovídajícím homologním nesesterském chromatidu. To může mít za následek přeskupení jinak spojených alel. Mendelovský princip nezávislého sortimentu tvrdí, že každý ze dvou genů rodiče pro každý znak se roztřídí nezávisle na gamety; která alela organismus dědí pro jeden znak, nesouvisí s jakou alelou, kterou dědí pro jiný znak. To ve skutečnosti platí pouze pro geny, které nesídlí na stejném chromozomu nebo jsou na stejném chromozomu umístěny velmi daleko od sebe. Čím blíže leží dva geny na stejném chromozomu, tím těsněji budou spojeny v gametách a častěji se budou objevovat společně (známé jako genetická vazba ). Geny, které jsou si velmi blízké, se v podstatě nikdy neoddělují, protože je extrémně nepravděpodobné, že by mezi nimi došlo k bodu křížení.

Molekulární evoluce

Mutace

Replikace DNA je z velké části extrémně přesná, přesto se vyskytují chyby ( mutace ). Míra chyb v eukaryotických buňkách může být až 10–8 na nukleotid na replikaci, zatímco u některých RNA virů může být až 10–3 . To znamená, že každá generace, každý lidský genom akumuluje 1–2 nových mutací. Malé mutace mohou být způsobeny replikací DNA a následkem poškození DNA a zahrnují bodové mutace, ve kterých je změněna jedna báze, a mutace posunu rámce, do nichž je vložena nebo odstraněna jedna báze. Každá z těchto mutací může změnit gen pomocí missense (změna kodonu pro kódování jiné aminokyseliny) nebo nesmyslu (předčasný stop kodon ). Větší mutace mohou být způsobeny chybami v rekombinaci, které způsobí chromozomální abnormality včetně duplikace , delece, přeskupení nebo inverze velkých částí chromozomu. Mechanismy opravy DNA mohou navíc zavádět mutační chyby při opravě fyzického poškození molekuly. Oprava, dokonce is mutací, je pro přežití důležitější než obnovení přesné kopie, například při opravě dvouvláknových zlomů .

Pokud je v populaci druhu přítomno více různých alel pro gen, nazývá se to polymorfní . Většina různých alel je funkčně ekvivalentních, ale některé alely mohou způsobit vznik různých fenotypových znaků . Nejběžnější alela genu se nazývá divoký typ a vzácné alely se nazývají mutanti . Genetická variabilita v relativních četností různých alel v populaci je kvůli oběma přirozeným výběrem a genetického driftu . Alela divokého typu nemusí být nutně předchůdcem méně běžných alel, ani není nezbytně vhodnější .

Většina mutací v genech je neutrální a nemá žádný vliv na fenotyp organismu ( tiché mutace ). Některé mutace nemění sekvenci aminokyselin, protože více kodonů kóduje stejnou aminokyselinu ( synonymní mutace ). Jiné mutace mohou být neutrální, pokud vedou ke změnám sekvencí aminokyselin, ale protein stále funguje podobně s novou aminokyselinou (např. Konzervativní mutace ). Mnoho mutací je však škodlivých nebo dokonce smrtelných a je odstraněno z populací přirozeným výběrem. Genetické poruchy jsou důsledkem škodlivých mutací a mohou být způsobeny spontánní mutací u postiženého jedince nebo mohou být zděděny. Konečně je prospěšná malá část mutací , které zlepšují kondici organismu a jsou pro evoluci nesmírně důležité, protože jejich směrový výběr vede k adaptivní evoluci .

Sekvenční homologie

Sekvenční uspořádání, produkované ClustalO , savčích histonových proteinů

Geny s nejnovějším společným předkem , a tedy sdíleným evolučním původem, jsou známé jako homology . Tyto geny se jeví buď duplikací genu v genomu organismu, kde jsou známy jako paralogové geny, nebo jsou výsledkem divergence genů po posledním speciační případě, kde jsou známé jako orthologní geny, a často provádět stejné nebo podobné funkce v příbuzných organismech. Často se předpokládá, že funkce ortologických genů jsou si podobnější než funkce paralogních genů, i když rozdíl je minimální.

Vztah mezi geny lze měřit porovnáním seřazení sekvencí jejich DNA. Stupeň podobnosti sekvence mezi homologními geny se nazývá konzervovaná sekvence . Většina změn v sekvenci genu neovlivňuje jeho funkci, a proto geny v průběhu času akumulují mutace neutrální molekulární evolucí . Navíc jakákoli selekce na genu způsobí, že se jeho sekvence budou lišit různou rychlostí. Geny pod stabilizující selekcí jsou omezené, a proto se mění pomaleji, zatímco geny pod směrovou selekcí mění sekvenci rychleji. Sekvenční rozdíly mezi geny mohou být použity pro fylogenetické analýzy ke studiu toho, jak se tyto geny vyvinuly a jak spolu souvisí organismy, z nichž pocházejí.

Počátky nových genů

Evoluční osud duplicitních genů.

Nejběžnějším zdrojem nových genů v eukaryotických liniích je genová duplikace , která vytváří změnu počtu kopií existujícího genu v genomu. Výsledné geny (paralogy) se pak mohou rozcházet v sekvenci a ve funkci. Takto vytvořené sady genů tvoří genovou rodinu . Duplikace a ztráty genů v rodině jsou běžné a představují hlavní zdroj evoluční biologické rozmanitosti . Někdy může duplikace genu vést k nefunkční kopii genu nebo funkční kopie může podléhat mutacím, které vedou ke ztrátě funkce; takové nefunkční geny se nazývají pseudogeny .

„Sirotčí“ geny , jejichž sekvence nevykazuje žádnou podobnost se stávajícími geny, jsou méně časté než genové duplikáty. Lidský genom obsahuje odhadem 18 až 60 genů bez identifikovatelných homologů mimo člověka. Sirotčí geny vznikají primárně buď de novo vznikem z dříve nekódující sekvence , nebo duplikací genu následovanou tak rychlou změnou sekvence, že se původní vztah stane nedetekovatelným. Geny de novo mají obvykle kratší a jednodušší strukturu než většina eukaryotických genů, s několika, pokud vůbec, introny. V průběhu dlouhých evolučních časových období může být narození genu de novo zodpovědné za významnou část taxonomicky omezených genových rodin.

Horizontální genový přenos se týká přenosu genetického materiálu jiným mechanismem než reprodukcí . Tento mechanismus je běžným zdrojem nových genů v prokaryotech , někdy se předpokládá, že přispívá více ke genetickým variacím než ke genové duplikaci. Je to běžný způsob šíření rezistence na antibiotika , virulence a adaptivních metabolických funkcí. Přestože je horizontální přenos genů u eukaryotů vzácný, byly identifikovány pravděpodobné příklady genomu protistu a řasy obsahující geny bakteriálního původu.

Genom

Genom je celkový genetický materiál z organismu a zahrnuje jak geny a nekódující sekvence . Eukaryotické geny lze komentovat pomocí FINDER.

Počet genů

Znázornění počtu genů pro reprezentativní rostliny (zelené), obratlovce (modré), bezobratlé (oranžové), houby (žluté), bakterie (purpurové) a viry (šedé). Vložka na pravé straně ukazuje menší genomy rozšířené 100krát plošně.

Velikost genomu a počet genů, které kóduje, se mezi organismy velmi liší. Nejmenší genomy se vyskytují ve virech a viroidech (které fungují jako jeden nekódující gen RNA). Naopak rostliny mohou mít extrémně velké genomy, přičemž rýže obsahuje> 46 000 genů kódujících bílkoviny. Celkový počet genů kódujících proteiny ( proteom Země ) se odhaduje na 5 milionů sekvencí.

Ačkoli je počet párů bází DNA v lidském genomu znám od 60. let minulého století, odhadovaný počet genů se v průběhu času měnil v důsledku definic genů a metody jejich detekce byly upřesněny. Počáteční teoretické předpovědi počtu lidských genů byly až 2 000 000. Počáteční experimentální opatření naznačovala, že existuje 50 000–100 000 přepsaných genů ( exprimované sekvenční značky ). Následně sekvenování v projektu lidského genomu ukázalo, že mnoho z těchto transkriptů byly alternativními variantami stejných genů a celkový počet genů kódujících protein byl revidován až na ~ 20 000 s 13 geny kódovanými v mitochondriálním genomu. S projektem anotace GENCODE tento odhad nadále klesá na 19 000. Z lidského genomu tvoří pouze 1–2% sekvence kódující proteiny, přičemž zbytek tvoří „nekódující“ DNA, jako jsou introny , retrotranspozony a nekódující RNA . Každý mnohobuněčný organismus má všechny své geny v každé buňce svého těla, ale ne každý gen funguje v každé buňce.

Základní geny

Genové funkce v minimálním genomu z syntetického organismu , Syn 3 .

Esenciální geny jsou soubory genů, které jsou považovány za rozhodující pro přežití organismu. Tato definice předpokládá hojnou dostupnost všech relevantních živin a absenci environmentálního stresu. Pouze malá část genů organismu je nezbytná. U bakterií je odhadováno 250–400 genů pro Escherichia coli a Bacillus subtilis , což je méně než 10% jejich genů. Polovina těchto genů jsou ortology v obou organismech a z velké části se podílejí na syntéze proteinů . U pučících kvasinek Saccharomyces cerevisiae je počet esenciálních genů o něco vyšší, u 1000 genů (~ 20% jejich genů). Ačkoli je počet u vyšších eukaryot obtížněji měřitelný, odhaduje se, že myši a lidé mají kolem 2000 esenciálních genů (~ 10% jejich genů). Syntetický organismus, Syn 3 , má minimální genom 473 esenciálních genů a kvaziesenciálních genů (nezbytných pro rychlý růst), přestože 149 má neznámou funkci.

Mezi esenciální geny patří geny pro péči o domácnost (kritické pro základní funkce buněk) a také geny, které jsou exprimovány v různých časech ve vývoji organismů nebo v životním cyklu . Geny pro domácnost se používají jako experimentální kontroly při analýze genové exprese , protože jsou konstitutivně exprimovány na relativně konstantní úrovni.

Genetická a genomická nomenklatura

Gene nomenklatura byla zřízena Výborem HUGO Gene nomenklaturu (HGNC), výboru na Human Genome Organizace pro každý známý lidský gen ve formě schválený název genu a symbol (krátká forma zkratkou ), které mohou být přístupné přes databáze spravovaná společností HGNC. Symboly jsou vybrány tak, aby byly jedinečné, a každý gen má pouze jeden symbol (i když schválené symboly se někdy mění). Symboly jsou s výhodou udržovány v souladu s ostatními členy genové rodiny a s homology u jiných druhů, zejména myší, vzhledem k její roli jako běžného modelového organismu .

Genetické inženýrství

Porovnání konvenčního šlechtění rostlin s transgenní a cisgenní genetickou modifikací.

Genetické inženýrství je modifikace genomu organismu prostřednictvím biotechnologie . Od 70. let 20. století byla vyvinuta řada technik, které konkrétně přidávají, odebírají a upravují geny v organismu. Nedávno vyvinuté techniky genomového inženýrství používají inženýrské nukleázové enzymy k vytvoření cílené opravy DNA v chromozomu k narušení nebo úpravě genu, když je zlom opraven. Příbuzný termín syntetická biologie se někdy používá k označení rozsáhlého genetického inženýrství organismu.

Genetické inženýrství je nyní rutinním výzkumným nástrojem s modelovými organismy . Geny se například snadno přidávají do bakterií a ke zkoumání funkce tohoto genu se používají linie vyřazených myší s narušenou funkcí specifického genu. Mnoho organismů bylo geneticky modifikováno pro aplikace v zemědělství , průmyslové biotechnologii a medicíně .

U mnohobuněčných organismů je typicky vytvořeno embryo, které roste do dospělého geneticky modifikovaného organismu . Genomy buněk v dospělém organismu však lze upravovat pomocí technik genové terapie k léčbě genetických chorob.

Viz také

Reference

Citace

Prameny

Hlavní učebnice

Další čtení

externí odkazy