Ген - основная единица наследственности - представляет собой участок ДНК, содержащий всю информацию, необходимую для синтеза полипептида (белка) или функциональной молекулы РНК. Синтез белка, образование складок, третичной и четвертичной структуры, в конечном итоге, во многом определяют структуру и функции организма.
Структура
В организме человека содержится около 20 000-23 000 генов, в зависимости от кого как определяется ген. Гены содержатся в хромосомах в ядре клетки и митохондриях. У человека ядра соматических (не половых) клеток, как правило, содержат 46 хромосом, организованных в 23 пары. Каждая пара состоит из 1 хромосомы от матери и 1 от отца. 22 из этих 23 пар, с 1-й по 22-ю хромосомы – аутосомы – в норме гомологичны (идентичны по размеру, форме, расположению и количеству генов). 23-я пара хромосом половые (X и Y); она определяет пол человека и содержит ряд других функционально значимых генов. У женщин в ядрах соматических клеток имеются 2 Х-хромосомы (которые гомологичны); у мужчин 1 Х и 1 Y-хромосома (которые гетерологичны).
Х-хромосома несет гены, ответственные за многие наследственные черты; меньшая Y-хромосома несет гены, которые инициируют мужскую половую дифференциацию, а также несколько других генов. Поскольку генов в Х-хромосоме гораздо больше, чем в Y-хромосоме, многие гены Х-хромосомы у мужчин не имеют пары; чтобы баланс генетического материала между мужчинами и женщинами сохранялся, одна из Х-хромосом в каждой женской клетке случайным образом инактивируется в начале внутриутробной жизни (ионизация). В некоторых клетках инактивируется Х-хромосома матери, а в других – Х-хромосома отца. Как только в клетке произошла инактивация, все потомки этой клетки имеют одинаковую инактивацию Х-хромосомы. Кариотип отображает полный набор хромосом в клетках человека.
Эмбриональные клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) делятся мейозом, который сокращает число хромосом до 23 – это половина от числа в соматических клетках. При мейозе генетическая информация, унаследованная человеком от матери и отца, воссоединяется посредством кроссинговера (обмена между гомологическими хромосомами). Когда яйцеклетка оплодотворяется спермой при зачатии, нормальное количество 46 хромосом восстанавливается.
Гены в ДНК хромосом расположены линейно. Каждый ген имеет собственное расположение, совершенно идентичное в каждой из 2 гомологичных хромосом. Гены, которые занимают те же локусы на каждой хромосоме из пары (1 наследуется от матери и 1 от отца), называются аллелями. Каждый ген состоит из определенной последовательности ДНК; 2 аллели могут иметь несколько различных или же одинаковых ДНК-последовательностей. Обладание парой идентичных аллелей для конкретного гена означает гомозиготность; обладание парой неидентичных аллелей является гетерозиготностью. Некоторые гены существуют в виде множества копий, расположенных рядом друг с другом или в разных участках одних и тех же или разных хромосом.
Структура ДНК
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это генетический материал клетки, который содержится в хромосомах в ядре клетки и митохондриях. За исключением определенных клеток (например, сперматозоидов, яйцеклеток и эритроцитов), ядро клетки содержит 23 пары хромосом. Хромосома содержит много генов. Ген - это участок ДНК, содержащий код для построения молекулы белка или РНК. Молекула ДНК представляет собой длинную закрученную двойную спираль, напоминающую спиральную лестницу. В ней две нити, состоящие из молекул углевода (дезоксирибозы) и фосфата, соединены парами из четырех молекул, называемых основаниями, которые образуют ступеньки лестницы. На этих ступеньках аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. Каждая пара оснований удерживается вместе водородной связью. Ген состоит из последовательности оснований. Последовательность трех оснований кодирует определенную аминокислоту (аминокислоты являются строительными кирпичиками белков) или другую информацию. |
Функции генов
Гены состоят из ДНК. Длина гена определяет длину белка или РНК, синтезируемых на основе генного кода. ДНК – это двойная спираль, в которой нуклеотиды (основания) являются парными:
Аденин (А) соединен с тимином (Т)
Гуанин (G) соединен с цитозином (C)
ДНК в процессе синтеза белка транскрибируется, при этом одна из нитей ДНК используется в качестве матрицы, по которой синтезируется матричная РНК (мРНК). РНК обладает теми же основными парами, как и ДНК, за исключением того, что урацил (U) заменяет тимин (Т). Молекулы мРНК перемещаются из ядра в цитоплазму, затем на рибосому, где происходит синтез белка. Транспортная РНК (тРНК) доставляет каждую аминокислоту к рибосоме, где ее добавляют к растущей полипептидной цепи в последовательности, определяемой мРНК. Как только цепочка аминокислот собрана, она складывается для создания сложной 3–мерной структуры под влиянием соседних молекул шаперона.
Код ДНК записан триплетами, содержащими 3 из 4 возможных нуклеотидов. Конкретные аминокислоты кодируются конкретными триплетами, которые называются кодоны. Поскольку есть 4 нуклеотида, число возможных триплетов 43 (64). Так как имеется только 20 аминокислот, существуют избыточные (дополнительные) комбинации триплетов. Некоторые триплеты кодируют те же аминокислоты, как и другие триплеты. Другие триплеты могут кодировать такие элементы, как указание начать или прекратить синтез белка, а также порядок соединения и выстраивания аминокислот.
Гены состоят из экзонов и интронов. Для белок-кодирующих генов экзоны кодируют аминокислотные компоненты конечного белка. Интроны содержат и другую информацию, которая регулирует скорость производства белка и его тип. Экзоны и интроны вместе транскрибируются в мРНК, но сегменты, транскрибированные из интронов, позже вырезаются. Транскрипция также контролируется рядом факторов, в том числе антисмысловой РНК, которая синтезируется из нитей ДНК, не транскрибируемой в мРНК. Кроме ДНК, хромосомы содержат гистоны и другие белки, которые влияют на экспрессию генов (то есть, определяют вид и количество белков, синтезируемых из данного гена).
Состав и последовательность генов в организме называют генотипом; он определяет, какие белки закодированы для синтеза.
Геномом называют весь набор гаплоидных хромосом (одинарный набор), включая содержащиеся в них гены.
Фенотип относится ко всему физическому, биохимическому и физиологическому составу человека, т.е., описывает функции клетки (и, таким образом, всего организма). Фенотип определяется сложным взаимодействием множества факторов, включая генотип, факторы окружающей среды, а также типы и количество синтезируемых белков, т.е. то, как экспрессируются гены. Определённые генотипы могут как хорошо, так и плохо коррелировать с фенотипом.
Экспрессией называют процесс использования информации, закодированной в гене, для управления сборкой определенной молекулы (обычно белка или РНК). Экспрессия генов зависит от множества факторов, например, является ли признак доминантным или рецессивным, от пенетрантности и экспрессивности гена (см. Факторы, влияющие на экспрессию гена), от степени дифференцировки тканей (определяемой типом и возрастом тканей), от факторов окружающей среды, ограничена ли экспрессия в зависимости от пола или является результатом хромосомной инактивации или геномного импринтинга, и от других не известных пока факторов.
Эпигенетические факторы
Факторы, влияющие на экспрессию генов без изменения последовательности генома, называются эпигенетическими факторами.
В последнее время быстро накапливаются данные о множестве биохимических механизмов, обеспечивающих экспрессию генов. Одним из механизмов является изменчивость сплайсинга интронов (так называемый альтернативный сплайсинг). В процессе сплайсинга интроны вырезаются, а оставшиеся экзоны могут собираться в различных комбинациях, в результате чего образуется множество различных мРНК, способных кодировать сходные, но различные белки. Количество белков, которые могут быть синтезированы в организме человека, превышает 100 000, хотя человеческий геном содержит только около 20 000+ генов.
Другие механизмы, медиирующие экспрессию гена, включают метилирование ДНК и взаимодействие гистонов, включая метилирование и ацетилирование. Метилирование ДНК приводит к подавлению экспрессии генов. Гистоны напоминают катушки, вокруг которых закручивается ДНК. Модификации гистонов, такие как ацетилирование или метилирование, могут увеличивать или уменьшать экспрессию того или иного гена. Нить ДНК, которая не транскрибируется с образованием мРНК, может быть также использована в качестве матрицы для синтеза РНК, которая контролирует транскрипцию противоположной цепи.
Еще один важный механизм включает микроРНК (миРНК). МиРНК - это короткие РНК, происходящие из шпилечных РНК, которые подавляют экспрессию гена-мишени после транскрипции (форма шпильки - это форма, которую принимают последовательности РНК при их связывании). МикроРНК могут участвовать в регуляции до 60% транскрибируемых белков.
Признаки и модели наследования
Признак может быть таким же простым, как цвет глаз, так и сложным, как восприимчивость к диабету. Дефект одного гена может породить аномалии в системах многочисленных органов. Некоторые моногенные дефекты вызывают нарушения во многих тканях; так называемая плейотропия. К примеру, остеогенезис имперфекта (патология соединительной ткани, часто вызываемая аномалиями в генах, кодирующих синтез коллагена) может вызвать слабость кости, глухоту, синеватость глазных белков, дисплазию зубов, сверхподвижность суставов и аномалии сердечных клапанов.
Строительство семейной генеалогии
Семейную родословную (генеалогическое древо) используют для графического изображения моделей наследования. Родословные широко используются в генетических консультациях. В родословной используются условные символы, обозначающие членов семьи и соответствующую медицинскую информацию о них (см. рисунок Символы для составления семейной родословной). Некоторые семейные расстройства с одинаковыми фенотипами наследуются в виде множества вариантов.
Символы для создания семейной генеалогии
В генеалогии символы для каждого поколения семьи размещаются в ряд и нумеруются римскими цифрами, начиная со старшего поколения в верхней и заканчивая самыми последними в нижней части. В каждом поколении, люди нумеруются слева направо арабскими цифрами. Братья и сестры перечислены по возрасту, старший слева. Таким образом, каждого члена генеалогического древа можно определить по двум числам (например, II, 4). Супругам также присваиваются идентификационные номера. |
Основные положения
Фенотип определяется сложным взаимодействием нескольких факторов, включая генотип, экспрессию генов и факторы окружающей среды.
В настоящее время выясняются механизмы, регулирующие экспрессию генов, которые включают в себя сплайсинг интронов, метилирование ДНК, модификации гистонов, микроРНК и трехмерную организацию генома.
