Ген - это информационная структура, состоящая из нуклеотидов ДНК (а у вирусов и РНК), неделимая в функциональном отношении, способная к неограниченной репликации и направляющая развитие и функционирование организма, обеспечивая в том числе и транскрипцию других генов.
Обширная многолетняя (1990-2000 гг.) программа "Геном человека", заключающаяся в последовательном секвенировании участков генома чело­века, установила, что генотип человека - это всего лишь 30000 генов. Сотни генов получены человеком, вероятно, в результате горизонтальной передачи, начиная от бактерий, – у человека и бактерий одинаковы более 600 генов; геном мышей и человека совпадает на 90%; шимпанзе и человека - различается на 1% нуклеотидных последовательностей.
В геноме каждый ген может быть представлен несколькими формами – аллелями: в гаплоидном геноме - одним аллелем (любым), в диплоидном – двумя (доминантным и рецессивным), в генофонде популяции – несколькими (более, чем двумя). Если у гетерозигот оба аллеля одинаково активны и каждый участвует в синтезе 50% продукта, считается, что оба имеют равные дозы. Однако, дозы гена могут быть и разные. В крови у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии содержится 65% нормального гемоглобина и 35% аномального (НЬS).Молекулярный механизм разных доз аллельных генов до сих пор неясен.
В зависимости от выполняемой функции различают гены: структурные – транскрибируются во все виды РНК; регуляторные – регулируют процесс транскрипции; модуляторы – изменяют активность структурных генов.
Согласно хромосомной теории, каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус. Однако, существуют прыгающие или блуждающие гены, которые называются транспозоны (мобильные элементы геномов). У прокариот плазмиды способны переносить генетическую информацию между бактериями, частично или целиком встраиваясь в геном клетки-хозяина. К таким плазмидам относятся факторы F (от английского fertility-плодовитость) и гены устойчивости к лекарственным препаратам в плазмидах R.
Но если интеграция плазмиды F в геном клетки-хозяина происходит в определенных местах генома, то гены устойчивости могут встраиваться во многие места хромосомы - такие гены и называются транспозонами. Впервые явление транспозиции было описано у эукариот много лет назад Барбарой Мак-Клинток, проводившей генетические исследования на кукурузе. Сейчас известно несколько систем блуждающих контролирующих элементов эукариот. В частности, контролирующие системы у кукурузы, которые отличаются по своему воздействию на структурные гены, влияя на экспрессию генов, контролирующих окраску семян кукурузы (транспозиция регуляторных элементов осуществляется автономно); транспозоны Drosophila melanogaster, встраивающиеся в Х-хромосому и вызывающие делеции в соседних генах, что приводит к изменению цвета глаз у плодовой мушки; описаны транспозирующие элементы дрожжей.
Транспозоны про - и эукариот, по-видимому, не могут существовать вне генома. Неизвестно существует ли взаимосвязь между транспозонами разных видов и сохраняются ли функции транспозиции при перемещении мобильных элементов из одного вида в другие.
Присутствие транспозонов в геноме может индуцировать перестройки, обуславливает высокую частоту обмена генетической информацией. Эти элементы способствуют быстрому распространению генов в популяции, управляют процессами дифференцировки, ускоряют эволюцию про - и эукариот. Перемещение определенных последовательностей из одного специфического сайта в другой имеет регуляторный эффект. В случае иммуно - глобулиновых генов в результате рекомбинации меняется содержание генома, создаются активные гены в соответствующих соматических клетках.
В нуклеотидной последовательности структурных генов, транскрибируемых в и-РНК, должно быть достаточно кодирующих единиц, чтобы зашифровать 20 аминокислот. Генетический код триплетен, поэтому кодирующих единиц более, чем достаточно - их 64. Последовательность из трех нуклеотидов (триплет) соответствующая одной аминокислоте, называется кодоном, их 61. Три триплета из 64 (УАГ, УАА, УГА) это кодоны-терминаторы, которые располагаются в окончании структурного гена и и-РНК, они транскрибируются, но никогда не транслируются - на них синтез белка останавливается.
Так как кодирующих единиц больше, чем кодируемых, то почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов (кроме триптофана и метионина). Эта особенность или свойство триплетного кода называется избыточностью или вырожденность кода.
При этом генетический код универсален, т.е. любая аминокислота в любой форме жизни зашифрована одинаково; генетический код специфичен, т.е. каждый триплет кодирует только свою аминокислоту. В пределах одной рамки считывания, что означает транскрипцию информации об одном полипептиде, генетический код неперекрываем - каждый нуклеотид входит в состав только своего триплета.
Ген, как единица функции (с этой позиции он называется цистрон), неделим. Однако, в нем выделяют разные составляющие: структурная составляющая - нуклеотид; информационная - триплет (кодон); кроме того, в гене различают единицы мутации (мутон) и единицы рекомбинации (рекон), соответствующие любой паре комплементарных нуклеотидов.
В 1977 г. было обнаружено, что гены эукариот состоят из последовательностей ДНК двух типов: экзонов - информативных участков и интронов – неинформативных. Транскрибируется весь ген, но транслируется только его экзонная часть. У эукариот в процессе биосинтеза белка между транскрипцией и трансляцией происходит ряд событий, которые объединяются термином процессинг. Во время процессинга происходит преобразование проинформационной РНК (первичного транскрипта) в информационную: специфические ферменты (рестриктазы) вырезают интронные участки, оставшиеся экзоны сшиваются другими ферментами (лигазами) – это событие называется сплай­сингом; в передней части (5'-конец) про-и-РНК формируется группа нуклео­тидов, получивших название "колпачок" и предназначенных для узнавания рибо­сомой и-РНК; в хвостовой части (З'-конец) про-и-РНК формируется полиадениновый "хвост" (100-200 адениновых нуклеотидов), назначение которого пока что неизвестно.
После всех этих событий формируется и-РНК, готовая к трансляции.
Благодаря экзонно-интронной структуре гена у эукариот в пределах одной полинуклеотидной последовательности структурного гена может быть закодирована информация не об одной молекуле белка, а более. Извлекается эта разная информация из одного гена в результате альтернативного сплайсинга, когда некоторые участки про-и-РНК в одном случае ведут себя как экзоны, а при другом типе сплайсинга оказываются интронами.
Ген, являясь единицей функции, сам входит в состав единицы транс­крипции, которой после открытия Жакоба и Моно (1961) является оперон. Точнее, единицей транскрипции является последовательность нуклеотидов в опероне от промотора до терминатора включительно. Осуществление транскрипции называется экспрессией гена или его генетической активностью.
Таким образом, современное состояние теории гена включает следую­щие положения:
1.Ген - материальная единица хранения и передачи наследственной информации, является частью молекулы ДНК или у вирусов РНК.
2.Ген в хромосоме занимает определенный локус. Существуют гены с непостоянной локализацией - транспозоны.
З.Гены делятся на структурные, регуляторные, гены модуляторы.
4.Структурно-функциональной единицей гена является триплет.
5.Триплеты в гене расположены колинеарно аминокислотам в белке.
6.Гены эукариот имеют интронно-экзонную природу.
7.Единицей транскрипции в геноме является оперон.
8.Гены способны к рекомбинации (как межгенной так и внутригенной) и мутации.
9.Не всякое повреждение гена ведет к мутации, т.к. гены способны к
репарации.
10. Дискретные единицы - гены формируют целостную систему
взаимодействующих генов – генотип.