Ген как функциональная единица наследственности. Классификация, свойства и локализация генов

Первое представление о дискретных наследственных факторах было сформировано (вернее, гипотетически постулировано) Г. Менделем в
1865 году. В 1909 году датский биолог и генетик В. Иогансен назвал нас­ледственные факторы генами. Представление о гене как материальной частице, лежащей в хромосоме, способной к саморегуляции и являющейся минимальной единицей рекомбинации, мутирования и генетической функции, сложилось к концу 20-х годов ХХ века. В настоящее время ген рассматривается элементарной (неделимой) функциональной единицей генетического материала. В структурном плане ген - это часть молекулы ДНК. Классические представления о гене, сформировавшиеся к середине ХХ века, свидетельствовали о том, что гены являются локусами генома, обладающими следующими свойствами:

1) способностью к самоудвоению;

2) способностью мутировать независимо от остальных генов, дискретно изменяя своё внутреннее состояние как целое, т.е. порождая аллели;

3) неделимостью и несмешиваемостью в процессах кроссинговера и сегрегации: на рекомбинационной карте ген изображался точкой (локусом), не имеющей внутренней структуры;

4) определённой устойчивой локализацией в геноме относительно других генов;

5) способностью к гомологичному синапсису в мейозе;

6) способностью контролировать развитие некоторого признака или небольшого их числа, что отражено в названиях генов;

7) высокой устойчивостью к мутациям и другим изменениям.

Уже на уровне классической феноменологии и перечисленных свойств заметна одна ярко выраженная особенность генов - их дискретность, которая проявляется как:

а) относительная независимость мутирования;

б) частичная независимость проявления от других генов;

в) несмешиваемость с аллельными генами при образовании зигот;

г) неделимость и несмешиваемость при кроссинговере;

д) независимость синапсиса при сегрегации в мейозе;

е) разделение аллельных генов при сегрегации в мейозе;

ж) независимость сегрегации для многих неаллельных генов;

з) независимость локализации, неперекрывание и редкая зависимость функции гена от локализации;

и) независимость управления работой генов.

Полное описание структуры генов какого-либо организма подразумевает описание последовательности нуклеотидов в ДНК этого организма. Однако описание последовательности нуклеотидов в ДНК даже мельчайших вирусов составляет колоссальную проблему, практически неразрешимую для ДНК высших организмов. Геном кишечной палочки Escherichia coli состоит примерно из 3,2х10⁶ нуклеотидных пар. Для каждой нуклеотидной пары существуют четыре возможности комбинации (АТ, ТА, ГЦ, ЦГ), поэтому число возможных нуклеотидных последовательностей в генотипе E. coli составляет или . В генотипе человека их намного больше.

Из этого ясно, почему большая часть современных знаний о генах основана на генетическом анализе и их функциональных свойствах. Генетический анализ позволяет выяснить последовательность генов в хромосомах и составить подробные модели (карты) генетической структуры хромосом.

Определяя возможность развития отдельного качества, присущего данной клетке или организму, ген характеризуется дискретностью действия. Как функциональная единица он содержит информацию о первичной структуре белка определённого вида или же структуре рибосомной или транспортной РНК. Ввиду того, что в гене заключается информация об аминокислотной последовательности определённого полипептида, его действие является специфичным. Синонимом гена как единицы функции является термин «цистрон», предложенный С. Бензером в 1961 году.

Каждый ген может существовать в двух или нескольких альтернативных формах (взаимоисключающих вариантах), называемых аллелями, или аллельными генами. Аллель - это одно из возможных структурных состояний гена, которое ответственно за одну из возможных альтернативных форм проявления признака. Аллели отличаются друг от друга содержанием наследственной информации о признаке, развитие которого контролирует данный ген. Так, каждая клетка гороха содержит половину хромосом, унаследованных от материнского организма, половину - от отцовского растения. Материнская и отцовская хромосомы образуют пару гомологичных (одинаковых по морфологии) хромосом. Аллели, как альтернативные формы одного и того же гена, расположены в одних и тех же (строго определённых) участках этих хромосом, называемых локусами.

Если в обеих гомологичных хромосомах находятся идентичные аллели (кодирующие одинаковые проявления признака, например, гладкость семян гороха), то такой организм называется гомозиготным. В случае, когда в гомологичных хромосомах находятся различные аллели (кодирующие различные проявления признака, например, аллель жёлтого цвета и аллель зелёного цвета), то такая особь называется гетерозиготной. Если в организме присутствует только один аллель данного гена, то он называется гемизиготным. В норме гемизиготное состояние характерно для генов, локализованных в половых хромосомах гетерозиготного (ХУ) пола, или возникает при перестройке (потере участков) соматических хромосом.

Аллель, функциональная активность которого не зависит от присутствия в организме другого аллеля (проявляется как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состояниях), называется доминантным. Аллель, функционирующая активность которого проявляется только в отсутствие других аллелей данного гена (проявляется только в гомозиготном состоянии), называется рецессивным. Например, аллель, вызывающий синтез пигмента меланина, обусловливающего пигментацию радужной оболочки глаза, кожи, волос человека - доминантный. Аллель альбинизма, исключающий синтез меланина, проявляет себя лишь в отсутствие первого. Он является рецессивным. Доминантные аллели принято обозначать прописными буквами (А, В …), а рецессивные - строчными (а, в …).

Определяя возможность транскрибирования мРНК для синтеза конкретной полипептидной цепи, ген характеризуется дозированностью действия, т.е. количественной зависимостью результата его экспрессии от дозы (удельного содержания в генотипе) соответствующего аллеля этого гена. Примером может служить зависимость степени нарушения транспортных свойств гемоглобина от дозы аллеля HbS у человека при серповидно-клеточной анемии. Наличие в генотипе человека двойной дозы этого аллеля, приводящего к изменению структуры β-глобиновых цепей гемоглобина, сопровождается грубым нарушением формы эритроцитов и развитием клинически выраженной анемии вплоть до гибели. У носителей только одного аллеля HbS (при нормальном втором аллеле) форма эритроцитов изменяется лишь незначительно и анемия не развивается, а организм характеризуется нормальной жизнеспособностью.

По расположению гены подразделяются на аллельные гены (расположенные в одних и тех же локусах) и неаллельные гены (расположенные в различных локусах одной и той же хромосомы или в различных парах гомологичных хромосом). Наиболее распространена функциональная классификация генов:

Структурные гены подразделяются на: 1) независимые гены, транскрипция которых не связана с другими генами, однако их активность может регулироваться, например, гормонами; 2) повторяющиеся гены, которые в хромосомах находятся в виде повторов: ген вплотную следует за таким же геном, образуя тандемы, или повторяется много сотен раз (например, гены, кодирующие рРНК); 3) кластеры генов - группы различных генов, находящиеся в определённых участках или локусах хромосом, объединённые общими функциями. Так, в геноме человека кластеры гистоновых генов повторяются до 10-20 раз, образуя тандемные группы повторов. Между генами, объединёнными в кластере общими функциями, находятся спейсерные участки. Спейсерная ДНК не всегда транскрибируется. Иногда эти участки несут информацию о регуляции или инициации транскрипции, но в основном это просто короткие повторы избыточной ДНК, роль которой остаётся невыясненной.

Структурные гены контролируют развитие конкретных признаков. Каждый ген контролирует синтез фермента, регулирующего определённый этап метаболизма. Многоэтапность и разветвлённость метаболических путей в организме (в клетке) приводит к тому, что нарушение метаболизма на одном этапе (вследствие нарушения структуры гена мутагенными факторами) сказывается на последующих этапах, а, следовательно, на нескольких элементарных признаках. Кроме того, один и тот же фермент может участвовать в нескольких биохимических реакциях. Результатом всего этого является множественное действиегена, или плейотропия. Так, замена одного аминокислотного остатка в молекуле гемоглобина человека из-за нарушения структуры гена одновременно вызывает серповидность эритроцитов, нарушения в сердечно-сосудистой, пищеварительной, нервной и выделительной системах.

Гены-модуляторы смещают в ту или другую сторону процесс развития признака, кодируемого структурным геном (цистроном). Их разновидность - гены-ингибиторы могут тормозить развитие отдельных признаков, обусловливаемых плейотропным действием структурных генов, или даже целиком подавлять функции других генов обусловливаемого расположенным в другом локусе структурным геном. У мышей, например, площадь белого пятна варьирует от очень небольшой до занимающей всю шкурку, что является результатом модификаций проявления гена пятнистой окраски S.

Гены-регуляторы координируют активность генов, регулируя «вклю­чение-выключение функции» различных генов во времени в процессе онтогенеза.

Как уже отмечалось, ген - это участок молекулы ДНК. Молекулы ДНК в клетках эукариот очень велики (длина ДНК-молекулы, выделенной из клеток дрозофилы, достигает 1,2 см). В настоящее время принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну молекулу ДНК. Упаковка длинных молекул в ядрах клеток является функцией белков-гистонов.

Молекула ДНК (следовательно и хромосома) включает множество генов. Эти гены, учитывая непрерывность ДНК, образуют группу сцепления генов. Локализованные в одной хромосоме гены расположены последовательно в линейном порядке. Входящие в группу сцепления гены находятся в различных локусах и являются неаллельными.

У каждого вида число групп сцепления равняется гаплоидному (1n) набору хромосом (1n + 1, если в генотипе содержатся две различные половые хромосомы); у дрозофилы - 5 групп сцепления (4 пары хромосом), у человека – 24 (23 пары хромосом), у томатов - 12 (11 пар хромосом), у кукурузы - 10 групп сцепления (9 пар хромосом).

Оказалось, что сцепление генов, находящихся в одной хромосоме, не является абсолютным: при конъюгации хромосом во время мейоза гомологичные хромосомы обмениваются частями. Этот процесс получил название перекрёста хромосом или кроссинговера. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы и даже в нескольких местах одной и той же хромосомы. Причём, чем дальше расположены друг от друга локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними происходит перекрест и обмен участками при мейозе. Установление этой закономерности позволило научной школе Т. Моргана в 1911-1914 гг. разработать принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать расстояние между генами, частота кроссинговера между которыми составляет 1%. Эту единицу назвали в честь Т. Моргана морганидой.

Морганида соответствует расстоянию между генами, при котором результат кроссинговера обнаруживается у 1% гамет. Процент кроссинговера в опытах колеблется от долей единицы, не превышая однако 50. При расстоянии в 50 морганид и более информация о признаках наследуется независимо, несмотря на то, что гены локализуются в одной хромосоме. При частоте кроссинговера 50%, половина генов попадает в одни гаметы, половина - в другие, т.е. по сути имеет место независимое комбинирование.

Если, например, гены А, В и С относятся к одной группе сцепления, а частота перекрёста между генами А и В равна 10%, между генами А и С - 3%, между В и С - 7%, то гены расположены следующим образом:

А С В

3% 7%

Самые подробные генетические карты составлены для дрозофилы (рис. 53) (изучено более 1000 мутантных генов), а также для кукурузы, имеющей в 10 группах сцепления свыше 400 генов, из которых изучены далеко не все.

Учёными разработан способ построения генетических карт не только описанным выше гибридологическим, но и цитологическим методом. У дрозофилы клетки слюнных желез личинок имеют гигантские хромосомы, содержащие 1000 и более хроматид. Изменения генов здесь можно наблюдать с помощью микроскопа, сопоставляя микроскопическое изображение с

	Рис. 53. Генетическая карта одной плодовой мушки Drosophila melanogaster. Показано расположение мутантных генов, два из которых (Star eye, Jammed wing) доминантны

генетическими картами. Результаты световой микроскопии представляют в виде цитологических карт. На основе генетических и цитологических карт создают единые цитогенетические карты структуры хромосом.