Презентация "Что представляет из себя ген?"

ГенГен Что представляет из себя ген? Что представляет из себя ген?

ГЕНГЕН ГЕН (от греч. genos — род, происхождение), участок  ГЕН (от греч. genos — род, происхождение), участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфической для него характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов, последовательностью нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться функций других генов, и способный изменяться путем мутирования. От гипотетических дискретных путем мутирования. От гипотетических дискретных наследственных факторов до материализованных в наследственных факторов до материализованных в хромосомах и молекулах ДНК генов хромосомах и молекулах ДНК генов Термин ген предложен В. Иогансеном в 1909, однако  Термин ген предложен В. Иогансеном в 1909, однако проникновение в его сущность связано с именем Г. проникновение в его сущность связано с именем Г. Менделя, который еще в 1860-х годах ввел термин Менделя, который еще в 1860-х годах ввел термин «наследственный фактор» и на основе точных «наследственный фактор» и на основе точных экспериментов сделал гениальные обобщения экспериментов сделал гениальные обобщения относительно свойств и поведения наследственных относительно свойств и поведения наследственных факторов при передаче от родителей потомкам, факторов при передаче от родителей потомкам, которые в последующем легли в основу теории гена. которые в последующем легли в основу теории гена.

фундаментальные свойства фундаментальные свойства наследственных факторов — наследственных факторов — генов: генов:  1) наличие альтернативных наследственных факторов для  1) наличие альтернативных наследственных факторов для  развития каждого конкретного признака организма (в  развития каждого конкретного признака организма (в  современном представлении доминантный и рецессивный  современном представлении доминантный и рецессивный  аллели гена). аллели гена).  2) Парность наследственных факторов, определяющих  2) Парность наследственных факторов, определяющих  развитие признака (у диплоидного организма). Существенный  развитие признака (у диплоидного организма). Существенный  вывод: наследуются не признаки, а от родителей к потомкам  вывод: наследуются не признаки, а от родителей к потомкам  передаются вместе с гаметами гены. Из этих двух положений  передаются вместе с гаметами гены. Из этих двух положений  был развит принцип аллелизма. был развит принцип аллелизма.  3) Дискретность и относительное постоянство гена (в  3) Дискретность и относительное постоянство гена (в  гибридной зиготе рецессивный аллель не сливается и не  гибридной зиготе рецессивный аллель не сливается и не  смешивается с доминантным аллелем и поступает в гамету F1  смешивается с доминантным аллелем и поступает в гамету F1  в чистом виде и, объединяясь с подобным аллелем при  в чистом виде и, объединяясь с подобным аллелем при  оплодотворении, проявляется как рецессивный признак в F2).  оплодотворении, проявляется как рецессивный признак в F2).  Этот феномен в последующем получил название закон  Этот феномен в последующем получил название закон  чистоты гамет. чистоты гамет.

 Мендель не имел никаких сведений о местонахождении наследственных факторов в  Мендель не имел никаких сведений о местонахождении наследственных факторов в  клетке, и тем более об их химической природе и механизме влияния на признак, т. е.  клетке, и тем более об их химической природе и механизме влияния на признак, т. е.  наследственный фактор в начале 20 века выступал как условная единица  наследственный фактор в начале 20 века выступал как условная единица  наследственности. наследственности.  Дальнейшая конкретизация представлений о гене связана с работами школы  Дальнейшая конкретизация представлений о гене связана с работами школы  американского биолога Т. Х. Моргана. Введя в генетические исследования плодовую  американского биолога Т. Х. Моргана. Введя в генетические исследования плодовую  мушку­дрозофилу, удалось существенно увеличить разрешающую способность  мушку­дрозофилу, удалось существенно увеличить разрешающую способность  генетического анализа и на основе синтеза генетических и цитологических  генетического анализа и на основе синтеза генетических и цитологических  представлений доказать существование материальной структуры наследственности —  представлений доказать существование материальной структуры наследственности —  хромосом, в которых локализованы гены. хромосом, в которых локализованы гены.  Доказательствами хромосомной локализации генов явились: открытие генов,  Доказательствами хромосомной локализации генов явились: открытие генов,  наследующихся сцепленно с полом (локализация генов в половых хромосомах, X или Y);  наследующихся сцепленно с полом (локализация генов в половых хромосомах, X или Y);  сцепленное наследование группы признаков в отличие от правила независимого  сцепленное наследование группы признаков в отличие от правила независимого  наследования признаков Менделя. Было показано наличие определенного числа групп  наследования признаков Менделя. Было показано наличие определенного числа групп  сцепления генов, соответственно гаплоидному числу хромосом конкретного  сцепления генов, соответственно гаплоидному числу хромосом конкретного  биологического вида. Кроме того, были получены генетические и цитологические  биологического вида. Кроме того, были получены генетические и цитологические  доказательства кроссинговера — обмена генами между гомологичными хромосомами,  доказательства кроссинговера — обмена генами между гомологичными хромосомами,  приводящего к рекомбинации генов. Величина генетической рекомбинации (процент  приводящего к рекомбинации генов. Величина генетической рекомбинации (процент  кроссинговера­перекреста) отражает расстояние между генами одной группы  кроссинговера­перекреста) отражает расстояние между генами одной группы  сцепления: чем дальше отстоят друг от друга гены, тем больше процент кроссинговера. сцепления: чем дальше отстоят друг от друга гены, тем больше процент кроссинговера. Таким образом, было доказано, что гены в хромосоме располагаются в линейном  Таким образом, было доказано, что гены в хромосоме располагаются в линейном  порядке и каждый ген имеет свое определенное местоположение — локус.  порядке и каждый ген имеет свое определенное местоположение — локус.  Соответственно открылась возможность построения плана взаимного расположения в  Соответственно открылась возможность построения плана взаимного расположения в  хромосоме известных генов с указанием относительных расстояний между ними,  хромосоме известных генов с указанием относительных расстояний между ними,  выраженных в процентах перекреста (генетические карты) и идентифицировать  выраженных в процентах перекреста (генетические карты) и идентифицировать  местоположение гена в хромосоме (цитологические карты). местоположение гена в хромосоме (цитологические карты). 

Ген — единица мутации Ген — единица мутации   К 1920 ген представлялся как обособленный участок хромосомы, контролирующий один  К 1920 ген представлялся как обособленный участок хромосомы, контролирующий один  определенный признак, изменяющийся (мутирующий) как единое целое и неделимый при  определенный признак, изменяющийся (мутирующий) как единое целое и неделимый при  кроссинговере. Аллельной парой генов признавали два гена, расположенных в  кроссинговере. Аллельной парой генов признавали два гена, расположенных в  гомологичных хромосомах в строго идентичных участках и влияющих на развитие одного и  гомологичных хромосомах в строго идентичных участках и влияющих на развитие одного и  того же признака. Такое представление подчеркивало и преувеличивало дискретность  того же признака. Такое представление подчеркивало и преувеличивало дискретность  гена. гена. Гены характеризуются относительной устойчивостью, что определяет константную  Гены характеризуются относительной устойчивостью, что определяет константную  передачу признаков и свойств в поколениях и без чего не было бы устойчивых форм  передачу признаков и свойств в поколениях и без чего не было бы устойчивых форм  дифференцированной жизни. Однако в естественных условиях происходит спонтанный  дифференцированной жизни. Однако в естественных условиях происходит спонтанный  процесс изменения генов, приводящий к появлению новых измененных признаков и свойств  процесс изменения генов, приводящий к появлению новых измененных признаков и свойств  организмов, оцениваемых отбором. В результате мутации ген преобразуется и переходит в  организмов, оцениваемых отбором. В результате мутации ген преобразуется и переходит в  новое состояние. Разные состояния одного и того же гена, возникающие путем мутаций,  новое состояние. Разные состояния одного и того же гена, возникающие путем мутаций,  получили название аллелей данного гена. Группа мутантных аллелей одного гена  получили название аллелей данного гена. Группа мутантных аллелей одного гена  составляет серию множественных аллелей. Примерами множественного аллелизма  составляет серию множественных аллелей. Примерами множественного аллелизма  являются: серия аллелей окраски шерсти у кролика (5 аллелей), 3 аллеля группы крови  являются: серия аллелей окраски шерсти у кролика (5 аллелей), 3 аллеля группы крови  системы АВ0 у человека, более 10 аллелей локуса white у дрозофилы, контролирующих  системы АВ0 у человека, более 10 аллелей локуса white у дрозофилы, контролирующих  окраску глаза (темно­красный, темно­желтый, слоновой кости, абрикосовый, вишневый,  окраску глаза (темно­красный, темно­желтый, слоновой кости, абрикосовый, вишневый,  коралловый, белый и др.). коралловый, белый и др.).  Для выяснения аллельности двух мутаций, затрагивающих один и тот же признак,  Для выяснения аллельности двух мутаций, затрагивающих один и тот же признак,  Морганом были предложены два критерия: функциональный и рекомбинационный. В  Морганом были предложены два критерия: функциональный и рекомбинационный. В  функциональном тесте, если при скрещивании двух мутантных особей у потомков  функциональном тесте, если при скрещивании двух мутантных особей у потомков  проявлялся мутантный фенотип, то исходные мутантные гены являлись аллельным. Если  проявлялся мутантный фенотип, то исходные мутантные гены являлись аллельным. Если  же при скрещивании появлялся фенотип дикого типа, то признавалось, что испытуемые  же при скрещивании появлялся фенотип дикого типа, то признавалось, что испытуемые  мутации затрагивают разные (неаллельные) гены. мутации затрагивают разные (неаллельные) гены.

Сложная структура гена Сложная структура гена  В конце 1920­х годов советские генетики А. С. Серебровский и Н. П.  В конце 1920­х годов советские генетики А. С. Серебровский и Н. П.  Дубинин экспериментально показали, что ген не является единицей  Дубинин экспериментально показали, что ген не является единицей  мутации, что он имеет сложную структуру: состоит из нескольких  мутации, что он имеет сложную структуру: состоит из нескольких  субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый  субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый  аллелизм, или центровая теория гена). Весь ген (базиген) может  аллелизм, или центровая теория гена). Весь ген (базиген) может  состоять из отдельных центров, трансгенов, каждый из которых  состоять из отдельных центров, трансгенов, каждый из которых  несет сходную функцию. Мутация может нарушать деятельность  несет сходную функцию. Мутация может нарушать деятельность  одного из трансгенов, не затрагивая других. одного из трансгенов, не затрагивая других.  Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена  Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена  экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по  экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по  локусам lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.). локусам lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.).  Таким образом, к 1950 ген представлялся как участок хромосомы,  Таким образом, к 1950 ген представлялся как участок хромосомы,  контролирующий развитие определенного признака, имеющий  контролирующий развитие определенного признака, имеющий  определенную линейную протяженность и способный мутировать в  определенную линейную протяженность и способный мутировать в  разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген  разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген  комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по  комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по  функциям и в их совместной деятельности существует определенная  функциям и в их совместной деятельности существует определенная  субординация. субординация.

Ген — признак Ген — признак       Развитие любого признака организма является результатом взаимодействия или аллелей  Развитие любого признака организма является результатом взаимодействия или аллелей  одного гена (аллельное взаимодействие), или разных генов (неаллельное взаимодействие).  одного гена (аллельное взаимодействие), или разных генов (неаллельное взаимодействие).  Например, при скрещивании красноцветковых растений ночной красавицы (Mirabilis) с  Например, при скрещивании красноцветковых растений ночной красавицы (Mirabilis) с  белоцветковыми у гибрида в результате взаимодействия красного и белого аллелей  белоцветковыми у гибрида в результате взаимодействия красного и белого аллелей  проявляется розовая окраска цветов, а во втором поколении наблюдается расщепление на  проявляется розовая окраска цветов, а во втором поколении наблюдается расщепление на  красно­, розово­ и белоцветковых в соотношении 1: 2: 1. красно­, розово­ и белоцветковых в соотношении 1: 2: 1. Если признак контролируется двумя и более неаллельными генами, то в формировании его у  Если признак контролируется двумя и более неаллельными генами, то в формировании его у  потомков взаимодействуют четыре и более пар аллелей. В результате взаимодействия  потомков взаимодействуют четыре и более пар аллелей. В результате взаимодействия  неаллельных генов во втором поколении наблюдается отклонение от менделевских  неаллельных генов во втором поколении наблюдается отклонение от менделевских  расщеплений и вместо классического распределения классов фенотипов 9: 3: 3: 3: 1 могут  расщеплений и вместо классического распределения классов фенотипов 9: 3: 3: 3: 1 могут  наблюдаться 9: 7, 13: 3, 9: 3: 4, 15: 1 и другие. При скрещивании кур породы белый плимутрок  наблюдаться 9: 7, 13: 3, 9: 3: 4, 15: 1 и другие. При скрещивании кур породы белый плимутрок  с петухами белый леггорн потомство оказалось белым, при скрещивании курочек и петушков  с петухами белый леггорн потомство оказалось белым, при скрещивании курочек и петушков  F1 друг с другом во втором поколении наблюдалось расщепление на белых и черных в  F1 друг с другом во втором поколении наблюдалось расщепление на белых и черных в  соотношении 13: 3. Ничего не зная о конкретных механизмах развития признака окраски пера,  соотношении 13: 3. Ничего не зная о конкретных механизмах развития признака окраски пера,  генетик выдвигает формальную гипотезу: в развитии признака окраски могут участвовать два  генетик выдвигает формальную гипотезу: в развитии признака окраски могут участвовать два  гена: ген­пигментообразователь (С) или его альтернативный аллель — отсутствие пигмента  гена: ген­пигментообразователь (С) или его альтернативный аллель — отсутствие пигмента  (с) и ген — подавитель (ингибитор) пигмента (I) или его рецессивный аллель (i) — отсутствие  (с) и ген — подавитель (ингибитор) пигмента (I) или его рецессивный аллель (i) — отсутствие  подавления пигмента. У гибрида F2 аллели этих двух генов могут комбинироваться в разных  подавления пигмента. У гибрида F2 аллели этих двух генов могут комбинироваться в разных  сочетаниях: сочетаниях: С­I — имеется доминантный аллель (С) синтеза меланина, но он подавляется доминантным  С­I — имеется доминантный аллель (С) синтеза меланина, но он подавляется доминантным  аллелем другого гена (I). В результате 9/16 петушков и курочек F2 будут иметь белую окраску. аллелем другого гена (I). В результате 9/16 петушков и курочек F2 будут иметь белую окраску. С­ii — имеется аллель (С) синтеза меланина в сочетании с двумя рецессивными аллелями (ii)  С­ii — имеется аллель (С) синтеза меланина в сочетании с двумя рецессивными аллелями (ii)  — нет ингибирования, фенотип — черная окраска (3/16). — нет ингибирования, фенотип — черная окраска (3/16). сс — I — в генотипе имеются два рецессивных аллеля (с) — отсутствие синтеза меланина, а  сс — I — в генотипе имеются два рецессивных аллеля (с) — отсутствие синтеза меланина, а  доминантному аллелю (I) нечего ингибировать. Фенотип — белая окраска (3 / 16). доминантному аллелю (I) нечего ингибировать. Фенотип — белая окраска (3 / 16). cс — ii — двойная рецессивная гомозигота. Фенотип — белая окраска. В результате мы  cс — ii — двойная рецессивная гомозигота. Фенотип — белая окраска. В результате мы  имеем в F2 расщепление на два фенотипических класса: белые — 13 (9 + 3 + 1) и черные — 3. имеем в F2 расщепление на два фенотипических класса: белые — 13 (9 + 3 + 1) и черные — 3.

Один ген — один Один ген — один фермент фермент  Существенную роль в понимании проблемы реализации гена в  Существенную роль в понимании проблемы реализации гена в  признак сыграла концепция один ген — один фермент,  признак сыграла концепция один ген — один фермент,  выдвинутая Дж. Бидлом и Э. Тейтемом в 1940­х годах,  выдвинутая Дж. Бидлом и Э. Тейтемом в 1940­х годах,  согласно которой каждый ген определяет структуру какого­ согласно которой каждый ген определяет структуру какого­ либо белка­фермента. В последующем она была  либо белка­фермента. В последующем она была  трансформирована в концепцию один ген — одна  трансформирована в концепцию один ген — одна  полипептидная цепь. Кроме белков, имеющих в своем составе  полипептидная цепь. Кроме белков, имеющих в своем составе  один или два идентичных полипептида (специфическая  один или два идентичных полипептида (специфическая  последовательность аминокислот в макромолекуле),  последовательность аминокислот в макромолекуле),  существуют сложные белки, состоящие из двух или более  существуют сложные белки, состоящие из двух или более  полипептидных цепей, синтез которых контролируется двумя  полипептидных цепей, синтез которых контролируется двумя  или более неаллельными генами. Например, в синтезе белка  или более неаллельными генами. Например, в синтезе белка  гемоглобина участвуют два неаллельных гена a и b, один  гемоглобина участвуют два неаллельных гена a и b, один  контролирует синтез a­полипептидной цепи (141  контролирует синтез a­полипептидной цепи (141  аминокислота), а другой — синтез b­полипептидной цепи (146  аминокислота), а другой — синтез b­полипептидной цепи (146  аминокислот). В цитоплазме клетки две a­цепи объединяются с  аминокислот). В цитоплазме клетки две a­цепи объединяются с  двумя b ­цепями, образуя функциональную структуру молекулы  двумя b ­цепями, образуя функциональную структуру молекулы  гемоглобина — тетрамер. Число разных аминокислот равно 19,  гемоглобина — тетрамер. Число разных аминокислот равно 19,  а общее число аминокислот — 574. а общее число аминокислот — 574.

ДНК и гены ДНК и гены     До середины 20 века среди биологов господствовало мнение, что генетический материал в хромосомах  До середины 20 века среди биологов господствовало мнение, что генетический материал в хромосомах  представляют белки. Знаменательной вехой явилось экспериментальное доказательство генетической роли ДНК   представляют белки. Знаменательной вехой явилось экспериментальное доказательство генетической роли ДНК   О. Эйвери, К. Маклеодом и М. Маккарти и раскрытие Дж. Уотсоном и Ф. Криком трехмерной двухспиральной  О. Эйвери, К. Маклеодом и М. Маккарти и раскрытие Дж. Уотсоном и Ф. Криком трехмерной двухспиральной  структуры молекулы ДНК. Эта модель отвечала всем основным требованиям, необходимым генетическому  структуры молекулы ДНК. Эта модель отвечала всем основным требованиям, необходимым генетическому  материалу для выполнения биологических функций. Химическая структура гена, связанная с линейным  материалу для выполнения биологических функций. Химическая структура гена, связанная с линейным  расположением нуклеотидов в цепи, позволяла сохранять закодированную с помощью генетического кода  расположением нуклеотидов в цепи, позволяла сохранять закодированную с помощью генетического кода  наследственную информацию. наследственную информацию. Благодаря принципу комплементарного связывания двух цепей молекула ДНК способна к ферментативному  Благодаря принципу комплементарного связывания двух цепей молекула ДНК способна к ферментативному  матричному аутокатализу — репликации, что позволяет точно копировать генетическую информацию и  матричному аутокатализу — репликации, что позволяет точно копировать генетическую информацию и  поддерживать наследственное постоянство при делении клеток (митоз, мейоз). На основе матричного синтеза  поддерживать наследственное постоянство при делении клеток (митоз, мейоз). На основе матричного синтеза  генетическая информация может переписываться на посреднические молекулы иРНК (транскрипция).  генетическая информация может переписываться на посреднические молекулы иРНК (транскрипция).  Информация о последовательностях нуклеотидов в иРНК переводится на рибосомах в последовательность  Информация о последовательностях нуклеотидов в иРНК переводится на рибосомах в последовательность  аминокислот в полипептиде в процессе трансляции. Схематически это выглядит следующим образом: ДНК  аминокислот в полипептиде в процессе трансляции. Схематически это выглядит следующим образом: ДНК  репликация 2ДНК транскрипция иРНК трансляция полипептид. репликация 2ДНК транскрипция иРНК трансляция полипептид. Модель двойной спирали ДНК и триплетности генетического кода позволила предсказать молекулярные  Модель двойной спирали ДНК и триплетности генетического кода позволила предсказать молекулярные  механизмы возникновения спонтанных и индуцированных генных мутаций: во­первых, замена основания в одном  механизмы возникновения спонтанных и индуцированных генных мутаций: во­первых, замена основания в одном  кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке; во­вторых, вставка или выпадение одного нуклеотида  кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке; во­вторых, вставка или выпадение одного нуклеотида  в одной цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и отсутствию синтеза специфического  в одной цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и отсутствию синтеза специфического  белка, кодируемого соответствующим геном. Последствия такой мутации в гене могут быть губительными для  белка, кодируемого соответствующим геном. Последствия такой мутации в гене могут быть губительными для  клетки и целого организма. Например, в результате замены одного основания в гене, контролирующем синтез b­ клетки и целого организма. Например, в результате замены одного основания в гене, контролирующем синтез b­ цепи гемоглобина, происходит замена одной аминокислоты — глутамина — в шестом положении на валин, что  цепи гемоглобина, происходит замена одной аминокислоты — глутамина — в шестом положении на валин, что  приводит к синтезу аномальной молекулы гемоглобина, изменению формы эритроцитов и к болезни (См.  приводит к синтезу аномальной молекулы гемоглобина, изменению формы эритроцитов и к болезни (См.  Серповидноклеточная анемия). Одних лишь гемоглобинопатий насчитывается несколько десятков. На основе  Серповидноклеточная анемия). Одних лишь гемоглобинопатий насчитывается несколько десятков. На основе  подобного анализа выяснена природа многих сотен молекулярных болезней человека и разработаны методы  подобного анализа выяснена природа многих сотен молекулярных болезней человека и разработаны методы  пренатальной молекулярно­генетической диагностики (см. Наследственные болезни). пренатальной молекулярно­генетической диагностики (см. Наследственные болезни). После доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С.  После доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С.  Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются  Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются  отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было  отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было  окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких  окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких  тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально  тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально  представляющий единое целое. представляющий единое целое.

Классификация генов Классификация генов       Накопленные знания о структуре, функциях, характере взаимодействия, экспрессии, мутабильности и  Накопленные знания о структуре, функциях, характере взаимодействия, экспрессии, мутабильности и  других свойствах генов породили несколько вариантов классификации генов. других свойствах генов породили несколько вариантов классификации генов. По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра ядерные  По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра ядерные  гены и цитоплазматические гены, локализация которых связана с хлоропластами и митохондриями. гены и цитоплазматические гены, локализация которых связана с хлоропластами и митохондриями. По функциональному значению различают структурные гены, характеризующиеся уникальными  По функциональному значению различают структурные гены, характеризующиеся уникальными  последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно  последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно  идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, и регуляторные гены —  идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, и регуляторные гены —  последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию  последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию  действия гена (ингибирование, повышение активности и др.). действия гена (ингибирование, повышение активности и др.). По влиянию на физиологические процессы в клетке различают летальные, условно летальные,  По влиянию на физиологические процессы в клетке различают летальные, условно летальные,  супервитальные гены, гены­мутаторы, гены­антимутаторы и др. супервитальные гены, гены­мутаторы, гены­антимутаторы и др. Следует отметить, что любые биохимические и биологические процессы в организме находятся под генным  Следует отметить, что любые биохимические и биологические процессы в организме находятся под генным  контролем. Так, деление клеток (митоз, мейоз) контролируется несколькими десятками генов; группы генов  контролем. Так, деление клеток (митоз, мейоз) контролируется несколькими десятками генов; группы генов  осуществляют контроль восстановления генетических повреждений ДНК (репарация). Онкогены и гены —  осуществляют контроль восстановления генетических повреждений ДНК (репарация). Онкогены и гены —  супрессоры опухолей участвуют в процессах нормального деления клеток. Индивидуальное развитие  супрессоры опухолей участвуют в процессах нормального деления клеток. Индивидуальное развитие  организма (онтогенез) контролируется многими сотнями генов. Мутации в генах приводят к измененному  организма (онтогенез) контролируется многими сотнями генов. Мутации в генах приводят к измененному  синтезу белковых продуктов и нарушению биохимических или физиологических процессов. синтезу белковых продуктов и нарушению биохимических или физиологических процессов. Гомеозисные мутации у дрозофилы позволили открыть существование генов, нормальной функцией  Гомеозисные мутации у дрозофилы позволили открыть существование генов, нормальной функцией  которых является выбор или поддержание определенного пути эмбрионального развития, по которому  которых является выбор или поддержание определенного пути эмбрионального развития, по которому  следуют клетки. Каждый путь развития характеризуется экспрессией определенного набора генов,  следуют клетки. Каждый путь развития характеризуется экспрессией определенного набора генов,  действие которых приводит к появлению конечного результата: глаза, голова грудь, брюшко, крыло, ноги и  действие которых приводит к появлению конечного результата: глаза, голова грудь, брюшко, крыло, ноги и  т. д. Исследования генов комплекса bithorax (ВХ — С) дрозофилы американским генетиком Льюисом  т. д. Исследования генов комплекса bithorax (ВХ — С) дрозофилы американским генетиком Льюисом  показали, что это гигантский кластер тесно сцепленных генов, функция которых необходима для  показали, что это гигантский кластер тесно сцепленных генов, функция которых необходима для  нормальной сегментации груди (thorax) и брюшка (abdomen). Подобные гены получили название  нормальной сегментации груди (thorax) и брюшка (abdomen). Подобные гены получили название  гомеобоксных. Гомеобоксные гены расположены в ДНК группами и проявляют свое действие строго  гомеобоксных. Гомеобоксные гены расположены в ДНК группами и проявляют свое действие строго  последовательно. Такие гены обнаружены и у млекопитающих, и они имеют высокую гомологию (сходство). последовательно. Такие гены обнаружены и у млекопитающих, и они имеют высокую гомологию (сходство).

Структура генов Структура генов       Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в  Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в  которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот).  которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот).  Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество  Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество  смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и  смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и  определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК  определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК  последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует  последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует  фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех  фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех  руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета —  руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета —  УАА, УАГ, УГА — не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они  УАА, УАГ, УГА — не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они  представляют собой знаки терминации трансляции. представляют собой знаки терминации трансляции. Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как  Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как  правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система  правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система  организации нескольких генов. Гены одного оперона расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют  организации нескольких генов. Гены одного оперона расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют  ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны). ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны). Структура генов у бактеориофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом  Структура генов у бактеориофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом  хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от  хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от  метаболизма клетки­хозяина привела к появлению экзон­интронной структуры генов. метаболизма клетки­хозяина привела к появлению экзон­интронной структуры генов. Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие  Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие  последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). В результате структурные гены эукариот имеют  последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). В результате структурные гены эукариот имеют  более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая иРНК, последовательность нуклеотидов в  более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая иРНК, последовательность нуклеотидов в  которой соответствует экзонам. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК,  которой соответствует экзонам. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК,  состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты — рестриктазы — разрезают эту про­иРНК по границам  состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты — рестриктазы — разрезают эту про­иРНК по границам  экзон­интрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую иРНК (так называемый  экзон­интрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую иРНК (так называемый  сплайсинг). Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина — от нескольких пар  сплайсинг). Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина — от нескольких пар  оснований до нескольких тысяч. оснований до нескольких тысяч. Ген может кодировать различные РНК­продукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также  Ген может кодировать различные РНК­продукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также  альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний  альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний  экзонов в зрелой иРНК, причем полипептиды, синтезированные на таких иРНК, будут различаться как по количеству  экзонов в зрелой иРНК, причем полипептиды, синтезированные на таких иРНК, будут различаться как по количеству  аминокислотных остатков, так и по их составу. аминокислотных остатков, так и по их составу. Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей,  Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей,  функции которых изучены недостаточно, а также мигрирующие элементы (мобильные гены), способные перемещаться по  функции которых изучены недостаточно, а также мигрирующие элементы (мобильные гены), способные перемещаться по  геному. Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов,  геному. Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов,  расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями. расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями.

Клонирование генов Клонирование генов   Принципиально важной вехой в развитии экспериментальной генетики явилось выделение  Принципиально важной вехой в развитии экспериментальной генетики явилось выделение  в 1969 Дж. Беквитом гена, а точнее группы генов, лактозного оперона. В последующем Х.  в 1969 Дж. Беквитом гена, а точнее группы генов, лактозного оперона. В последующем Х.  Корана разработал способ химического и энзиматического синтеза генов. В настоящее  Корана разработал способ химического и энзиматического синтеза генов. В настоящее  время для нахождения местоположения или определения полной последовательности  время для нахождения местоположения или определения полной последовательности  какого­либо гена в геноме используются так называемые ДНК­зонды — небольшие, в 20­30  какого­либо гена в геноме используются так называемые ДНК­зонды — небольшие, в 20­30  пар нуклеотидов участки ДНК, которые синтезируются на основе знания какой­либо части  пар нуклеотидов участки ДНК, которые синтезируются на основе знания какой­либо части  первичной структуры интересующего нас белка. Такие зонды избирательно связываются с  первичной структуры интересующего нас белка. Такие зонды избирательно связываются с  комплементарной им иРНК. Выделенную при помощи зонда иРНК затем используют в  комплементарной им иРНК. Выделенную при помощи зонда иРНК затем используют в  качестве матрицы для синтеза так называемой кДНК (комплементарной иРНК) с помощью  качестве матрицы для синтеза так называемой кДНК (комплементарной иРНК) с помощью  фермента обратной транскриптазы. Для исследования структуры и свойств выделенных  фермента обратной транскриптазы. Для исследования структуры и свойств выделенных  (синтезированных) генов и дальнейших манипуляций с ними необходимо иметь не одну или  (синтезированных) генов и дальнейших манипуляций с ними необходимо иметь не одну или  две, а сотни и тысячи копий данного гена, которые получают путем клонирования.  две, а сотни и тысячи копий данного гена, которые получают путем клонирования.  Клонирование генов осуществляется путем встраивания гена в плазмиды — векторы,  Клонирование генов осуществляется путем встраивания гена в плазмиды — векторы,  способные при введении их в клетку автономно реплицировать свою ДНК, а заодно и  способные при введении их в клетку автономно реплицировать свою ДНК, а заодно и  последовательность нуклеотидов встроенного гена. С помощью векторов размноженный  последовательность нуклеотидов встроенного гена. С помощью векторов размноженный  ген может быть перенесен в клетки бактерий, растений или животных. Таким образом  ген может быть перенесен в клетки бактерий, растений или животных. Таким образом  осуществляется генетическая трансформация. Эти приемы лежат в основе генно­ осуществляется генетическая трансформация. Эти приемы лежат в основе генно­ инженерных манипуляций (см. Генетическая инженерия, Клонирование животных).  инженерных манипуляций (см. Генетическая инженерия, Клонирование животных).  Например, бактериальные или дрожжевые клетки­продуценты, в которые введен ген  Например, бактериальные или дрожжевые клетки­продуценты, в которые введен ген  инсулина человека, нормально функционируют и синтезируют человеческий инсулин. То  инсулина человека, нормально функционируют и синтезируют человеческий инсулин. То  же самое уже проделано с генами гормона роста, фактора свертываемости крови и др. же самое уже проделано с генами гормона роста, фактора свертываемости крови и др. Большое теоретическое и практическое значение имеют исследования по получению  Большое теоретическое и практическое значение имеют исследования по получению  трансгенных растений и животных. В будущем открываются возможности генотерапии для  трансгенных растений и животных. В будущем открываются возможности генотерапии для  коррекции тяжелых наследственных заболеваний. коррекции тяжелых наследственных заболеваний.

Строение генома Строение генома различных организмов различных организмов     Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В  Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В  него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом,  него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом,  ДНК митохондрий и хлоропластов. ДНК митохондрий и хлоропластов. Величина генома, выраженная в парах нуклеотидов (п. н.), сильно варьирует у разных  Величина генома, выраженная в парах нуклеотидов (п. н.), сильно варьирует у разных  организмов, и у эукариот значительно больше, чем у прокариот. Так, если геном  организмов, и у эукариот значительно больше, чем у прокариот. Так, если геном  микоплазмы содержит 106 п. н., то у амфибий и цветковых растений он составляет  микоплазмы содержит 106 п. н., то у амфибий и цветковых растений он составляет  1011 п. н. Однако высокая вариабельность наблюдается и между организмами одной и  1011 п. н. Однако высокая вариабельность наблюдается и между организмами одной и  той же таксономической группы. той же таксономической группы. С 1990 интенсивно разрабатывается международная генетическая программа Геном  С 1990 интенсивно разрабатывается международная генетическая программа Геном  человека. Ее основными задачами являются идентификация генов человека и  человека. Ее основными задачами являются идентификация генов человека и  выяснение первичной нуклеотидной последовательности (секвенирование)  выяснение первичной нуклеотидной последовательности (секвенирование)  человеческого генома, состоящего из 3,5∙109 п. н. Основная часть программы —  человеческого генома, состоящего из 3,5∙109 п. н. Основная часть программы —  секвенирование всего генома — в основном завершена в 2000. Однако секвенирование  секвенирование всего генома — в основном завершена в 2000. Однако секвенирование  само по себе не обеспечивает понимания функциональной значимости исследуемых  само по себе не обеспечивает понимания функциональной значимости исследуемых  последовательностей, а является предпосылкой для дальнейшего изучения  последовательностей, а является предпосылкой для дальнейшего изучения  молекулярных механизмов функционирования генов и генома в целом. Уже составлена  молекулярных механизмов функционирования генов и генома в целом. Уже составлена  генетическая и физическая карта генома человека высокого разрешения. Количество  генетическая и физическая карта генома человека высокого разрешения. Количество  картированных генетических маркеров приближается к 30 тысячам, что составляет  картированных генетических маркеров приближается к 30 тысячам, что составляет  примерно половину теоретически рассчитанного количества генов человека.  примерно половину теоретически рассчитанного количества генов человека.  Расшифрована полная структура нуклеотидных последовательностей 2­й, 7­й, 19­й,  Расшифрована полная структура нуклеотидных последовательностей 2­й, 7­й, 19­й,  21­й, 22­й хромосом и митохондриального генома человека, многих тысяч генов,  21­й, 22­й хромосом и митохондриального генома человека, многих тысяч генов,  контролирующих наследственные болезни. контролирующих наследственные болезни. Сравнительный анализ геномов организмов, относящихся к различным  Сравнительный анализ геномов организмов, относящихся к различным  таксономическим группам, способствовал созданию новой науки — геномики  таксономическим группам, способствовал созданию новой науки — геномики  (структурной, функциональной, эволюционной), открывающей принципиально новые  (структурной, функциональной, эволюционной), открывающей принципиально новые  пути в исследовании самых сокровенных тайн природы. пути в исследовании самых сокровенных тайн природы.