Gen ( jině řecky γένος - rod ) - v klasické genetice - dědičný faktor, který nese informaci o určitém znaku nebo funkci těla a který je strukturální a funkční jednotkou dědičnosti . Termín „gen“ jako takový zavedl v roce 1909 dánský botanik , rostlinný fyziolog a genetik Wilhelm Johannsen [1] .
Po objevení nukleových kyselin jako nositelů dědičné informace se definice genu změnila a gen začal být definován jako úsek DNA (u některých virů úsek RNA ), který specifikuje sekvenci monomerů v polypeptidu nebo ve funkční RNA [2] .
S hromaděním informací o struktuře a práci genů se definice pojmu „gen“ nadále měnila, ale v současnosti neexistuje univerzální definice genu, která by uspokojila všechny výzkumníky [3] [4] [4 ] [5] . Jedna z moderních definic genu zní takto: gen je sekvence DNA, jejíž jednotlivé segmenty nemusejí být fyzicky sousedící. Tato sekvence DNA obsahuje informace o jedné nebo více potravinách ve formě proteinu nebo RNA. Genové produkty fungují jako součást genetických regulačních sítí, jejichž výsledek je realizován na úrovni fenotypu [6] .
Genotyp tvoří souhrn genů organismu . Genotyp spolu s environmentálními a vývojovými faktory určují, jaký bude fenotyp . Přenos genů na potomstvo je základem dědičnosti fenotypových znaků. Většina biologických znaků je polygenních, to znamená, že jsou ovlivněny mnoha geny. Geny se mohou měnit v důsledku mutací , které mění sekvenci DNA. Kvůli mutacím v populaci existují geny v různých variantách, nazývaných alely . Různé alely genu mohou kódovat různé verze proteinu, což se může projevit fenotypově . Geny spolu s úseky DNA, které neobsahují geny, jsou součástí genomu , což je veškerý dědičný materiál organismu.
Experimentální důkazy o přítomnosti diskrétních faktorů dědičnosti poprvé předložil v roce 1865 Gregor Mendel ve zprávě na zasedání Společnosti přírodovědců v Brně . V roce 1866 vyšla zpráva v tištěné podobě [7] . Gregor Mendel studoval dědičnost znaků u hrachu pomocí kvantitativního sledování frekvence znaků u rodičovských rostlin a potomků. U kříženců rostlin s různými znaky analyzoval více než 8 000 rostlin. V těchto experimentech Mendel prokázal nezávislou dědičnost vlastností , rozdíl mezi dominantními a recesivními znaky, rozdíl mezi heterozygoty a homozygoty a fenomén nespojité dědičnosti . Výsledky svých experimentů matematicky popsal a interpretoval za předpokladu, že v potomstvu existují diskrétní, nemísitelné faktory dědičnosti.
Před Mendelovou prací bylo dominantním pojetím při vysvětlování vzorců dědičnosti mísení rodičovských vlastností u potomků způsobem analogickým míšení tekutin. Na tento koncept navazuje teorie pangeneze vypracovaná Charlesem Darwinem v roce 1868, dva roky po zveřejnění Mendelových výsledků [8] . V této teorii Darwin navrhl existenci velmi malých částic, které nazval „gemmuly“, které se mísí během početí.
Mendelova práce zůstala po svém vydání v roce 1866 téměř nepovšimnuta, ale podruhé se „zrodila“ na konci 19. století díky Hugovi de Vriesovi , Carlu Corrensovi a Erichu von Tschermakovi , kteří ve svých studiích dospěli k podobným závěrům [ 9] . Konkrétně v roce 1889 vydal Hugo de Vries svou knihu „Intracelulární pangeneze“ [10] , ve které předpokládal, že různé vlastnosti mají své dědičné nositele a že k dědičnosti specifických vlastností v organismech dochází pomocí částic. De Vries tyto jednotky nazval „pangens“ (německy Pangens), přičemž použil část názvu Darwinovy teorie pangeneze .
V roce 1909 zavedl Wilhelm Johannsen termín „gen“ [1] a William Bateson termín „ genetika “ [11] , zatímco Eduard Strasburger stále používal termín „pangen“ k označení základní fyzické a funkční jednotky dědičnosti [12 ] .
Experimenty provedené ve 40. letech americkými bakteriology z Rockefellerova institutu pod vedením O. Averyho ukázaly, že DNA je molekulárním úložištěm genetické informace. V pracích o genetické transformaci pneumokoků bylo prokázáno, že k přenosu vlastností z jedné bakterie na druhou dochází pouze pomocí jedné látky - DNA. Ani protein, ani jiné chemické složky buňky neměly tuto vlastnost [13] [14] [15] . V roce 1953 Rosalind Franklin a Maurice Wilkins získali vysoce kvalitní snímky struktury DNA pomocí rentgenové krystalografie . Tyto snímky pomohly Jamesi D. Watsonovi a Francisi Crickovi vytvořit model molekuly dvouvláknové šroubovice DNA a formulovat hypotézu mechanismu genetické replikace [16] [17] .
Na počátku 50. let převládal názor, že geny na chromozomu fungují jako samostatné entity, neoddělitelné rekombinací a uspořádané jako korálky na provázku. Experimenty Seymoura Benzera s použitím mutantů , defektních bakteriofágů v oblasti rII T4 (1955-1959), ukázaly, že jednotlivé geny mají jednoduchou lineární strukturu a jsou pravděpodobně ekvivalentní lineárnímu průřezu DNA [18] [19] .
Celkově vzato, tato skupina výzkumů vytvořila ústřední dogma molekulární biologie , které tvrdí, 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 v retrovirech . Moderní studium genetiky na úrovni DNA je známé jako molekulární genetika .
V roce 1972 Walter Fyers a jeho tým jako první určili sekvenci genu: sekvenci obalového proteinu Bacteriophage MS2[20] . Následný vývoj sekvenování DNA pomocí Sangerovy metody v roce 1977 Frederickem Sangerem zlepšil účinnost sekvenování a změnil jej v rutinní laboratorní nástroj [21] . V raných fázích projektu Human Genome Project byla použita automatizovaná verze Sangerovy metody [22] .
Teorie vyvinuté na počátku 20. století k integraci mendelovské genetiky s darwinovskou evolucí se nazývají moderní syntéza , termín vytvořený Julianem Huxleym [23] .
Evoluční biologové následně tento koncept upravili, například George Williamse – centrický pohled na evoluci. Navrhl evoluční koncept genu jako jednotky přirozeného výběru s definicí: „to, co se odděluje a rekombinuje se znatelnou frekvencí“ [24] :24 . Z tohoto pohledu se molekulární gen přepisuje jako celek a evoluční gen se dědí jako celek. Související myšlenky zdůrazňující ústřední roli genů v evoluci zpopularizoval Richard Dawkins [25] [26] .
Genetická informace je u naprosté většiny organismů zakódována v dlouhých molekulách DNA . DNA se skládá ze dvou spirálovitě stočených polymerních řetězců, jejichž monomery jsou čtyři nukleotidy : dAMP, dGMP, dCMP a dTMP. Nukleotidy v DNA se skládají z pětiuhlíkového cukru ( 2-deoxyribóza ), fosfátové skupiny a jedné ze čtyř dusíkatých bází : adeninu , cytosinu , guaninu a thyminu [27] :2,1 . Dusíkatá báze je vázána glykosidickou vazbou na pětiuhlíkový (pentózový) cukr v poloze 1'. Páteří řetězců DNA je střídající se sekvence pentózových cukrů a fosfátů, fosfátové skupiny jsou připojeny k cukru v polohách 5'- a 3'-. Čísla pozic pentózového kruhu jsou označena prvočíslem, aby bylo možné rozlišit mezi číslováním kruhů v cukru a dusíkaté bázi [28] .
Kvůli chemickému složení pentózových zbytků jsou řetězce DNA směrové. Jeden konec DNA polymeru obsahuje otevřenou hydroxylovou skupinu na deoxyribóze v poloze 3'; tento konec se nazývá 3' konec. Druhý konec obsahuje otevřenou fosfátovou skupinu, toto je 5' konec. Dva řetězce dvoušroubovice DNA jsou orientovány v opačných směrech. Syntéza DNA, včetně replikace DNA , probíhá ve směru 5' → 3', protože nové nukleotidy jsou přidávány prostřednictvím dehydratační reakce , která využívá exponovaný 3'-hydroxyl jako nukleofil [29] :27,2 .
Exprese genů kódovaných v DNA začíná přepisem nukleotidové sekvence DNA do nukleotidové sekvence jiného typu nukleové kyseliny - RNA . RNA je velmi podobná DNA, ale její monomery obsahují ribózu , nikoli deoxyribózu . Místo thyminu se v RNA také používá uracil . Molekuly RNA jsou jednovláknové a méně stabilní než DNA. Geny v DNA a po transkripci v tRNA jsou přirozenou šifrou (kódem) pro syntézu proteinů. Každé tři nukleotidy (triplet) kódují jednu aminokyselinu. Pokud má například gen 300 nukleotidů, pak by měl mít protein 100 aminokyselin. Proto se kód nazývá triplet. Pravidlo, podle kterého se určuje, který triplet odpovídá které aminokyselině, se nazývá genetický kód . Ke čtení genetického kódu dochází v ribozomu během translace RNA na protein . Genetický kód je téměř stejný pro všechny známé organismy [27] :4.1 .
Dědičný materiál organismu neboli genom je uložen na jednom nebo více chromozomech , jejichž počet je specifický pro daný druh . Chromozom se skládá z jedné velmi dlouhé molekuly DNA, která může obsahovat tisíce genů [27] :4,2 . Oblast chromozomu, kde se gen nachází, se nazývá lokus . Každý lokus obsahuje specifickou alelu genu. Zástupci populace se mohou lišit v alelách genu umístěných ve stejných lokusech chromozomů.
Většina eukaryotických genů je uložena na několika lineárních chromozomech. Chromozomy jsou zabaleny v jádře v komplexu s chromatinovými proteiny . Nejpočetnějšími chromatinovými proteiny jsou histony , které tvoří proteinovou globuli zvanou nukleozom . DNA se obaluje kolem nukleozomů, což je první úroveň balení DNA v chromozomu [27] :4,2 . Distribuce nukleozomů podél DNA, stejně jako chemické modifikace samotných histonů, regulují dostupnost DNA pro regulační faktory zapojené do replikace, transkripce, translace a opravy. Eukaryotické chromozomy obsahují kromě genů také servisní sekvence, které zajišťují stabilitu a reprodukci chromozomů a také jejich distribuci mezi dceřinými buňkami v mitóze. Jedná se o telomery , místa zahájení replikace a centromeru [ 27] :4,2 .
Je obtížné přesně určit, do které části sekvence DNA gen patří [5] .
V molekulární biologii bylo zjištěno, že geny jsou úseky DNA , které nesou jakoukoli integrální informaci - o struktuře jedné molekuly proteinu nebo jedné molekuly RNA , které určují vývoj, růst a fungování organismu .
Každý gen je charakterizován řadou specifických regulačních sekvencí DNA .jako jsou promotory , které se účastní regulace funkce genu. Regulační sekvence mohou být umístěny jak v těsné blízkosti otevřeného čtecího rámce kódujícího protein, tak na začátku sekvence RNA, jako je tomu v případě promotorů (tzv. cis -regulatory elements , angl. cis-regulatory elements ), a ve vzdálenosti mnoha milionů párů bází ( nukleotidů ), jako je tomu u zesilovačů , izolátorů a supresorů (někdy klasifikovaných jako trans -regulační prvky , anglicky trans-regulatory elements ). To znamená, že koncept genu není omezen na kódující oblast DNA. Gen je širší pojem, který zahrnuje regulační sekvence.
Zpočátku se termín „gen“ objevoval jako teoretická jednotka pro přenos diskrétní dědičné informace. Historie biologie pamatuje spory o to, které molekuly mohou být nositeli dědičné informace. Věřilo se, že takovými nosiči mohou být pouze proteiny , protože jejich struktura (20 aminokyselin ) umožňuje vytvořit více možností než DNA , která se skládá pouze ze čtyř typů nukleotidů . Experimentálně však bylo prokázáno, že je to DNA, která obsahuje dědičnou informaci, která byla vyjádřena jako centrální dogma molekulární biologie : DNA - RNA - protein.
Geny mohou procházet mutacemi - náhodnými nebo účelovými změnami v sekvenci nukleotidů v řetězci DNA . Mutace mohou vést ke změně sekvence, a tedy ke změně biologických charakteristik proteinu nebo RNA . Výsledkem může být změněná nebo dokonce abnormální funkce těla. Takové mutace jsou v některých případech patogenní, protože jejich výsledkem je onemocnění nebo letální na embryonální úrovni. Ne všechny změny v nukleotidové sekvenci vedou ke změně struktury proteinu (v důsledku degenerace genetického kódu ) nebo k významné změně sekvence a nejsou patogenní. Zejména lidský genom je charakterizován jednonukleotidovými polymorfismy a variacemi počtu kopií , jako jsou delece a duplikace , které tvoří asi 1 % celé lidské nukleotidové sekvence [31] . Jednonukleotidové polymorfismy zejména definují různé alely stejného genu.
Replikace DNA je z větší části extrémně přesná, ale vyskytují se chyby ( mutace ) [27] :7,6 . Chybovost v eukaryotických buňkách může být až 10 −8 na nukleotid na replikaci [32] [33] , zatímco u některých RNA virů může být až 10 −3 [34] . To znamená, že v každé generaci každý člověk v genomu nahromadí 1–2 nové mutace [34] . Malé mutace mohou být způsobeny replikací DNA a následky poškození DNA a zahrnují bodové mutace , ve kterých je změněna jedna báze, a mutace s posunem čtecího rámce , ve kterých je vložena nebo odstraněna jediná báze. Kterákoli z těchto mutací může změnit gen na missense (změnit kód pro kódování jiné aminokyseliny) nebo na nesmysl (předčasný stop kodon ) [35] . Velké mutace mohou být způsobeny chybami v rekombinaci, které způsobují chromozomální abnormality , včetně duplikace , delece, přeskupení nebo inverze velkých částí chromozomu. Kromě toho mohou mechanismy opravy DNA zavést mutační chyby při obnově fyzického poškození molekuly. Oprava, a to i s mutací, je pro přežití důležitější než oprava přesné kopie, například při opravě dvouřetězcových zlomů [27] :5,4 .
Když je v populaci určitého druhu přítomno několik různých alel genu , nazývá se to polymorfismus . Většina různých alel je funkčně ekvivalentní, nicméně některé alely mohou produkovat různé fenotypové znaky . Nejběžnější alela genu se nazývá divoký typ a vzácné alely se nazývají mutanty . Genetické rozdíly v relativních frekvencích různých alel v populaci jsou způsobeny jak přirozeným výběrem , tak genetickým driftem [36] . Alela divokého typu nemusí být nutně předchůdcem méně běžných alel a nemusí být nutně vhodnější .
Velikost genomu a počet genů, které obsahuje, se mezi taxonomickými skupinami značně liší . Nejmenší genomy se nacházejí ve virech [37] a viroidech (které fungují jako jeden nekódující RNA gen) [38] . Naopak rostliny mohou mít velmi velké genomy [39] , přičemž rýže obsahuje více než 46 000 genů kódujících protein [40] . Celkový počet genů kódujících protein ( Earth proteom ), který byl v roce 2007 odhadnut na 5 milionů sekvencí [41] , se do roku 2017 snížil na 3,75 milionu [42] .
Genetické inženýrství je metoda modifikace genetického materiálu za účelem změny vlastností živého organismu. Od 70. let 20. století bylo vyvinuto mnoho metod speciálně pro přidávání, odstraňování a editaci genů u virů, bakterií, rostlin, hub a zvířat, včetně lidí [43] . Nedávno vyvinuté techniky genomového inženýrství používají upravené nukleázové enzymy k vytvoření cílené opravy DNA na chromozomu , která buď naruší nebo upraví gen v procesu opravy uměle zavedeného zlomu DNA [44] [45] [46] [47] . Příbuzný termín syntetická biologie se někdy používá k označení široké disciplíny genetického inženýrství organismu [48] .
Genetické inženýrství je nyní rutinním nástrojem pro práci s modelovými organismy . Například geny se snadno přidávají do bakterií [49] , zatímco řádky „ Knockout mouse» ke studiu funkce tohoto genu se používají myši s narušenou funkcí určitého genu [50] [51] . Mnoho organismů bylo geneticky modifikováno pro aplikace v zemědělství, průmyslové biotechnologii a medicíně .
U mnohobuněčných organismů je obvykle modifikováno embryo , ze kterého vyroste dospělý geneticky modifikovaný organismus [52] . Genomy dospělých buněk však mohou být upravovány pomocí metod genové terapie k léčbě genetických onemocnění.
Slovníky a encyklopedie |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Genetika | ||
---|---|---|
Klíčové koncepty | ||
Obory genetiky | ||
vzory | ||
související témata |