Structuur, eigenschappen en functies van genen. Erfelijke ziekten en chromosoombeschadiging Gendefinitie in het kort

We weten allemaal dat het uiterlijk van een persoon, sommige gewoonten en zelfs ziekten worden geërfd. Al deze informatie over een levend wezen zit in de genen gecodeerd. Dus hoe zien deze beruchte genen eruit, hoe werken ze en waar bevinden ze zich?

Dus de drager van alle genen van een persoon of dier is DNA. Deze verbinding werd ontdekt door Johann Friedrich Miescher in 1869. Chemisch gezien is DNA deoxyribonucleïnezuur. Wat betekent dit? Hoe draagt ​​dit zuur de genetische code van al het leven op onze planeet?

Laten we beginnen met te kijken waar het DNA zich bevindt. Er zijn veel organellen in de menselijke cel die verschillende functies vervullen. DNA bevindt zich in de kern. De kern is een klein organel dat is omgeven door een speciaal membraan dat al het genetische materiaal - DNA - opslaat.

Wat is de structuur van een DNA-molecuul?

De structuur van DNA werd voor het eerst ontcijferd in 1953 door James Watson en Francis Crick.

In één DNA-molecuul zijn er twee ketens van nucleotiden die spiraalvormig om elkaar heen zijn gedraaid. Hoe plakken deze nucleotideketens aan elkaar en draaien ze in een spiraal? Dit fenomeen is te wijten aan de eigenschap van complementariteit. Complementariteit betekent dat alleen bepaalde nucleotiden (complementair) in twee ketens tegenover elkaar kunnen staan. Dus tegenovergesteld adenine is altijd thymine en tegenovergesteld guanine is altijd alleen cytosine. Zo is guanine complementair met cytosine en adenine met thymine Dergelijke paren nucleotiden tegenover elkaar in verschillende ketens worden ook wel complementair genoemd.

Schematisch kan het als volgt worden weergegeven:

G - C
T - A
T - A
C - G

Deze complementaire paren A - T en G - C vormen een chemische binding tussen de nucleotiden van het paar, en de binding tussen G en C is sterker dan tussen A en T. De binding wordt strikt gevormd tussen complementaire basen, dat wil zeggen de vorming van een binding tussen niet-complementaire G en A is onmogelijk.

De "verpakking" van DNA, hoe wordt een DNA-streng een chromosoom?

Sommige DNA-moleculen worden actief door het lichaam gebruikt, terwijl andere zelden worden gebruikt. Dergelijke zelden gebruikte DNA-moleculen ondergaan, naast helicization, een nog compactere "verpakking". Zo'n compact pakketje heet supercoiling en verkort de DNA-streng 25-30 keer!

Hoe is DNA-helix verpakt?

Als het nodig is om een ​​of ander DNA-molecuul te gebruiken, vindt het proces van "onttwisten" plaats, dat wil zeggen, de DNA-draad wordt "opgerold" van de "spoel" - het histon-eiwit (als het erop was gewikkeld) en afwikkelt van de helix in twee parallelle ketens. En als het DNA-molecuul in zo'n ongetwiste staat is, dan kan er de nodige genetische informatie uit worden afgelezen. Bovendien gebeurt het uitlezen van genetische informatie alleen van niet-gedraaide DNA-strengen!

Een set supercoiled chromosomen wordt genoemd heterochromatine, en de chromosomen die beschikbaar zijn voor het lezen van informatie - euchromatine.

Wat zijn genen, wat is hun relatie met DNA?

Een strikte nucleotidesequentie is uniek voor elk gen en strikt gedefinieerd. De AATTAATA-sequentie is bijvoorbeeld een fragment van een gen dat codeert voor insulineproductie. Om insuline te verkrijgen, wordt precies zo'n sequentie gebruikt; om bijvoorbeeld adrenaline te verkrijgen, wordt een andere combinatie van nucleotiden gebruikt. Het is belangrijk om te begrijpen dat alleen een bepaalde combinatie van nucleotiden codeert voor een bepaald "product" (adrenaline, insuline, enz.). Zo'n unieke combinatie van een bepaald aantal nucleotiden, die op "zijn plaats" staan ​​- dit is gen.

Naast genen bevinden zich in de DNA-keten de zogenaamde "niet-coderende sequenties". Dergelijke niet-coderende nucleotidesequenties reguleren het functioneren van genen, helpen chromosoomspiralisatie en markeren het begin- en eindpunt van een gen. Tot op heden blijft de rol van de meeste niet-coderende sequenties echter onduidelijk.

Wat is een chromosoom? geslachtschromosomen

Wat zijn de verschillen tussen chromosomen?

De grootte van de chromosomen fluctueert: de grootste zijn de chromosomen van paren nr. 1 en nr. 3, de kleinste chromosomen van paren nr. 17, nr. 19.

Naast vormen en maten verschillen chromosomen ook in hun functies. Van de 23 paren zijn 22 paren somatisch en 1 paar seksueel. Wat betekent het? Somatische chromosomen bepalen alle uiterlijke kenmerken van een individu, de kenmerken van zijn gedragsreacties, erfelijk psychotype, dat wil zeggen alle kenmerken en kenmerken van elke individuele persoon. Een paar geslachtschromosomen bepaalt het geslacht van een persoon: man of vrouw. Er zijn twee soorten menselijke geslachtschromosomen - X (X) en Y (Y). Als ze worden gecombineerd als XX (X - X) - dit is een vrouw, en als XY (X - Y) - hebben we een man voor ons.

Erfelijke ziekten en chromosoombeschadiging

Er zijn veel kleinere "storingen" van het genetische materiaal die niet leiden tot het ontstaan ​​van de ziekte, maar juist goede eigenschappen geven. Alle "storingen" van het genetisch materiaal worden mutaties genoemd. Mutaties die leiden tot ziekte of verslechtering van de eigenschappen van het organisme worden als negatief beschouwd, en mutaties die leiden tot de vorming van nieuwe gunstige eigenschappen worden als positief beschouwd.

Met betrekking tot de meeste ziekten waaraan mensen tegenwoordig lijden, is het echter geen erfelijke ziekte, maar slechts een aanleg. Bij de vader van een kind wordt suiker bijvoorbeeld langzaam opgenomen. Dit betekent niet dat het kind met diabetes wordt geboren, maar het kind zal een aanleg hebben. Dit betekent dat als een kind snoep en meelproducten misbruikt, hij diabetes krijgt.

Tegenwoordig is de zogenaamde predicatief het medicijn. Als onderdeel van deze medische praktijk worden predisposities bij een persoon geïdentificeerd (op basis van de identificatie van de overeenkomstige genen), en vervolgens worden aanbevelingen aan hem gegeven - welk dieet te volgen, hoe werk- en rustregimes op de juiste manier af te wisselen om niet te worden ziek.

Hoe de informatie te lezen die in DNA is gecodeerd?

Hoe vindt RNA-synthese plaats, hoe wordt eiwit gesynthetiseerd met behulp van RNA?

Hoe wordt de synthese van een eiwit gecodeerd door een bepaald gen?

Eiwit voor elk levend organisme is een genproduct. Het zijn eiwitten die alle verschillende eigenschappen, kwaliteiten en uiterlijke manifestaties van genen bepalen.

Wat is het menselijk genoom? Hoe lang wordt deze term al in de wetenschap gebruikt en, en waarom is dit concept zo belangrijk in onze tijd?

menselijk genoom- het geheel van erfelijk materiaal in de cel. Het bestaat uit 23 paren.

Genen zijn afzonderlijke delen van DNA. Elk van hen is verantwoordelijk voor een teken of een deel van het lichaam: lengte, oogkleur, enz.

Wanneer wetenschappers erin slagen om de informatie die op DNA is vastgelegd volledig te "ontcijferen", zullen mensen in staat zijn om die erfelijke ziekten te bestrijden. Bovendien is het dan misschien mogelijk om het probleem van veroudering op te lossen.

Eerder werd aangenomen dat het aantal genen in ons lichaam meer dan honderdduizend is. Recente internationale studies hebben echter bevestigd dat er ongeveer 28.000 genen in ons lichaam zijn. Tot op heden zijn er slechts enkele duizenden van onderzocht.

Genen zijn ongelijk verdeeld over chromosomen. Waarom dit zo is, weten wetenschappers nog niet.

De cellen van het lichaam lezen voortdurend de informatie die in het DNA is opgeslagen. Elk van hen doet zijn werk: het transporteert zuurstof door het lichaam, vernietigt virussen, enzovoort.

Maar er zijn ook speciale cellen - geslachtscellen. Bij mannen zijn dit spermatozoa en bij vrouwen zijn het eieren. Ze bevatten geen 46 chromosomen, maar precies de helft - 23.

Wanneer de geslachtscellen samensmelten, heeft het nieuwe organisme een complete set chromosomen: de helft van de vader en de andere helft van de moeder.

Dat is de reden waarom kinderen enigszins op elk van hun ouders lijken.

Meestal zijn meerdere genen verantwoordelijk voor dezelfde eigenschap. Onze groei hangt bijvoorbeeld af van 16 eenheden DNA. Tegelijkertijd beïnvloeden sommige genen meerdere eigenschappen tegelijk (eigenaren van roodharigen hebben bijvoorbeeld een lichte huidskleur en sproeten).

De oogkleur bij mensen wordt bepaald door twee genen, en degene die verantwoordelijk is voor bruine ogen is dominant. Dit betekent dat het eerder verschijnt wanneer het een ander gen "ontmoet".

Daarom, voor een vader met bruine ogen en een moeder met blauwe ogen, heeft de baby waarschijnlijk bruine ogen. Donker haar, dikke wenkbrauwen, kuiltjes op de wangen en kin zijn ook dominante kenmerken.

Maar het gen dat verantwoordelijk is voor blauwe ogen is recessief. Dergelijke genen komen veel minder vaak voor als beide ouders ze hebben.

We hopen dat je nu weet wat het menselijk genoom is. Natuurlijk kan de wetenschap ons in de nabije toekomst verrassen met nieuwe ontdekkingen op dit gebied. Maar dit is een zaak voor de toekomst.

Als je van interessante feiten over alles houdt, abonneer je dan op een sociaal netwerk. Bij ons is het altijd interessant!

Vond je het bericht leuk? Druk op een knop.

- (van Griekse génos - geslacht, oorsprong) een elementaire erfelijkheidseenheid, die een segment van een deoxyribonucleïnezuurmolecuul voorstelt (zie. Deoxyribonucleïnezuur) - DNA (in sommige virussen - ribonucleïnezuur (zie. Grote Sovjet Encyclopedie

8.1. Gen als een discrete eenheid van erfelijkheid

Een van de fundamentele concepten van genetica in alle stadia van haar ontwikkeling was het concept van de eenheid van erfelijkheid. In 1865 kwam de grondlegger van de genetica (de wetenschap van erfelijkheid en variabiliteit), G. Mendel, op basis van de resultaten van zijn experimenten met erwten tot de conclusie dat erfelijk materiaal discreet is, d.w.z. vertegenwoordigd door individuele eenheden van erfelijkheid. Eenheden van erfelijkheid, die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van individuele eigenschappen, noemde G. Mendel "neigingen". Mendel betoogde dat er in het lichaam voor elke eigenschap een paar allelische neigingen is (één van elk van de ouders), die niet met elkaar in wisselwerking staan, niet vermengen en niet veranderen. Daarom komt tijdens seksuele reproductie van organismen slechts één van de erfelijke neigingen in een "zuivere" onveranderde vorm de gameten binnen.

Later kregen de veronderstellingen van G. Mendel over de eenheden van erfelijkheid volledige cytologische bevestiging. In 1909 noemde de Deense geneticus W. Johansen Mendels "erfelijke neigingen" genen.

In het kader van de klassieke genetica wordt een gen beschouwd als een functioneel ondeelbare eenheid van erfelijk materiaal die de vorming van een elementaire eigenschap bepaalt.

Verschillende varianten van de toestand van een bepaald gen, als gevolg van veranderingen (mutaties), worden "allelen" (allele genen) genoemd. Het aantal allelen van een gen in een populatie kan significant zijn, maar in een bepaald organisme is het aantal allelen van een bepaald gen altijd gelijk aan twee - volgens het aantal homologe chromosomen. Als in een populatie het aantal allelen van een gen meer dan twee is, wordt dit fenomeen "multiple allelisme" genoemd.

Genen worden gekenmerkt door twee biologisch tegengestelde eigenschappen: de hoge stabiliteit van hun structurele organisatie en het vermogen tot erfelijke veranderingen (mutaties). Dankzij deze unieke eigenschappen is het verzekerd: enerzijds de stabiliteit van biologische systemen (onveranderlijkheid in een aantal generaties), en anderzijds het proces van hun historische ontwikkeling, de vorming van aanpassingen aan de omgevingsomstandigheden, d.w.z. evolutie.

8.2. Gen als een eenheid van genetische informatie. Genetische code.

Meer dan 2500 jaar geleden suggereerde Aristoteles dat gameten geenszins miniatuurversies zijn van het toekomstige organisme, maar structuren die informatie bevatten over de ontwikkeling van embryo's (hoewel hij alleen het uitzonderlijke belang van de eicel ten nadele van de zaadcel inzag). De ontwikkeling van dit idee in modern onderzoek werd echter pas mogelijk na 1953, toen J. Watson en F. Crick een driedimensionaal model van de structuur van DNA ontwikkelden en daarmee de wetenschappelijke voorwaarden creëerden voor het onthullen van de moleculaire basis van erfelijke informatie. Sinds die tijd begon het tijdperk van de moderne moleculaire genetica.

De ontwikkeling van moleculaire genetica heeft geleid tot de onthulling van de chemische aard van genetische (erfelijke) informatie en is gevuld met concrete betekenis van het idee van een gen als een eenheid van genetische informatie.

Genetische informatie is informatie over de tekenen en eigenschappen van levende organismen, ingebed in de erfelijke structuren van DNA, die in ontogenie wordt gerealiseerd door middel van eiwitsynthese. Elke nieuwe generatie ontvangt erfelijke informatie, als een programma voor de ontwikkeling van een organisme, van zijn voorouders in de vorm van een reeks genoomgenen. De eenheid van erfelijke informatie is een gen, dat een functioneel ondeelbaar stuk DNA is met een specifieke nucleotidesequentie die de aminozuursequentie van een bepaald polypeptide of RNA-nucleotiden bepaalt.

Erfelijke informatie over de primaire structuur van een eiwit wordt met behulp van de genetische code in het DNA vastgelegd.

De genetische code is een systeem voor het vastleggen van genetische informatie in een DNA (RNA)-molecuul in de vorm van een specifieke sequentie van nucleotiden. Deze code dient als een sleutel voor het vertalen van de nucleotidesequentie in mRNA naar de aminozuursequentie van de polypeptideketen tijdens de synthese ervan.

Eigenschappen van de genetische code:

1. Tripletiteit - elk aminozuur wordt gecodeerd door een reeks van drie nucleotiden (triplet of codon)

2. Degeneratie - de meeste aminozuren worden gecodeerd door meer dan één codon (van 2 tot 6). Er zijn 4 verschillende nucleotiden in DNA of RNA, die theoretisch 64 verschillende tripletten kunnen vormen (4 3 = 64) om te coderen voor 20 aminozuren die eiwitten vormen. Dit verklaart de degeneratie van de genetische code.

3. Niet-overlappend - hetzelfde nucleotide kan niet tegelijkertijd deel uitmaken van twee aangrenzende tripletten.

4. Specificiteit (uniekheid) - elk triplet codeert slechts voor één aminozuur.

5. De code heeft geen leestekens. Het lezen van informatie uit mRNA tijdens de eiwitsynthese gaat altijd in de richting van 5, - 3, in overeenstemming met de volgorde van de mRNA-codons. Als een nucleotide uitvalt, zal bij het lezen de dichtstbijzijnde nucleotide van de naburige code zijn plaats innemen, waardoor de aminozuursamenstelling in het eiwitmolecuul zal veranderen.

6. De code is universeel voor alle levende organismen en virussen: dezelfde tripletten coderen voor dezelfde aminozuren.

De universaliteit van de genetische code geeft de eenheid van de oorsprong van alle levende organismen aan

De universaliteit van de genetische code is echter niet absoluut. In mitochondriën heeft het aantal codons een andere betekenis. Daarom spreekt men soms van de quasi-universaliteit van de genetische code. Kenmerken van de genetische code van mitochondriën wijzen op de mogelijkheid van zijn evolutie in het proces van historische ontwikkeling van de levende natuur.

Van de tripletten van de universele genetische code coderen drie codons niet voor aminozuren en bepalen ze het einde van de synthese van een bepaald polypeptidemolecuul. Dit zijn de zogenaamde "nonsens"-codons (stopcodons of terminators). Deze omvatten: in DNA - ATT, ACT, ATC; in RNA - UAA, UGA, UAG.

De overeenkomst van nucleotiden in een DNA-molecuul met de volgorde van aminozuren in een polypeptidemolecuul wordt collineariteit genoemd. Experimentele bevestiging van collineariteit speelde een beslissende rol bij het ontcijferen van het mechanisme voor het realiseren van erfelijke informatie.

De betekenis van de codons van de genetische code staat in tabel 8.1.

Tabel 8.1. Genetische code (mRNA-codons voor aminozuren)

Met behulp van deze tabel kunnen mRNA-codons worden gebruikt om aminozuren te bepalen. De eerste en derde nucleotiden zijn afkomstig uit de verticale kolommen aan de rechter- en linkerkant, en de tweede - van de horizontale. De plaats waar de conditionele lijnen elkaar kruisen bevat informatie over het corresponderende aminozuur. Merk op dat de tabel mRNA-triplets vermeldt, geen DNA-triplets.

Structureel - functionele organisatie van het gen

Moleculaire biologie van het gen

Het moderne begrip van de structuur en functie van het gen werd gevormd in overeenstemming met een nieuwe richting, die J. Watson de moleculaire biologie van het gen noemde (1978)

Een belangrijke fase in de studie van de structurele en functionele organisatie van het gen was het werk van S. Benzer aan het eind van de jaren vijftig. Ze bewezen dat een gen een nucleotidesequentie is die kan veranderen als gevolg van recombinaties en mutaties. S. Benzer noemde de eenheid van recombinatie een recon, en de eenheid van mutatie een muton. Er is experimenteel vastgesteld dat de muton en recon overeenkomen met één paar nucleotiden. S. Benzer noemde de eenheid van genetische functie de cistron.

In de afgelopen jaren is bekend geworden dat het gen een complexe interne structuur heeft en dat de afzonderlijke delen verschillende functies hebben. In een gen kan de nucleotidesequentie van het gen worden onderscheiden, die de structuur van het polypeptide bepaalt. Deze reeks wordt een cistron genoemd.

Een cistron is een opeenvolging van DNA-nucleotiden die een bepaalde genetische functie van een polypeptideketen bepaalt. Een gen kan worden weergegeven door een of meer cistronen. Complexe genen die meerdere cistrons bevatten, worden polycistronisch.

Verdere ontwikkeling van de theorie van het gen hangt samen met de identificatie van verschillen in de organisatie van genetisch materiaal in organismen die taxonomisch van elkaar verwijderd zijn, namelijk pro- en eukaryoten.

Genstructuur van prokaryoten

In prokaryoten, waarvan bacteriën typische vertegenwoordigers zijn, worden de meeste genen weergegeven door continue informatieve DNA-coupes, die allemaal worden gebruikt bij de synthese van het polypeptide. In bacteriën nemen genen 80-90% van het DNA in beslag. Het belangrijkste kenmerk van prokaryotische genen is hun associatie in groepen of operons.

Een operon is een groep opeenvolgende structurele genen die worden gecontroleerd door een enkel regulerend DNA-gebied. Alle gekoppelde operon-genen coderen voor enzymen van dezelfde metabole route (bijv. lactosevertering). Zo'n algemeen mRNA-molecuul wordt polycistronisch genoemd. Slechts een paar genen in prokaryoten worden individueel getranscribeerd. Hun RNA heet monocistronisch.

Een operon-achtige organisatie stelt bacteriën in staat om snel van het ene substraat naar het andere over te schakelen. Bacteriën synthetiseren geen enzymen van een bepaalde metabole route in afwezigheid van het vereiste substraat, maar kunnen ze beginnen te synthetiseren wanneer een substraat beschikbaar is.

Structuur van eukaryote genen

De meeste eukaryote genen hebben (in tegenstelling tot prokaryotische genen) een kenmerkend kenmerk: ze bevatten niet alleen regio's die coderen voor de structuur van het polypeptide - exons, maar ook niet-coderende regio's - introns. Introns en exons wisselen elkaar af, waardoor het gen een discontinue (mozaïek) structuur krijgt. Het aantal introns in genen varieert van 2 tot tientallen. De rol van introns is niet helemaal duidelijk. Er wordt aangenomen dat ze betrokken zijn bij de processen van recombinatie van genetisch materiaal, evenals bij de regulatie van expressie (implementatie van genetische informatie) van het gen.

Dankzij de exon-intron-organisatie van genen worden de voorwaarden voor alternatieve splicing gecreëerd. Alternative splicing is het proces waarbij verschillende introns uit het primaire RNA-transcript worden ‘uitgesneden’, waardoor op basis van één gen verschillende eiwitten kunnen worden gesynthetiseerd. Het fenomeen van alternatieve splicing treedt op bij zoogdieren tijdens de synthese van verschillende antilichamen op basis van immunoglobuline-genen.

Verdere studie van de fijne structuur van het genetisch materiaal bemoeilijkte de duidelijkheid van de definitie van het begrip "gen". In het eukaryote genoom zijn uitgebreide regulerende regio's gevonden met verschillende regio's die zich buiten de transcriptie-eenheden kunnen bevinden op een afstand van tienduizenden basenparen. De structuur van een eukaryoot gen, inclusief getranscribeerde en regulerende gebieden, kan als volgt worden weergegeven.

Afb 8.1. Structuur van een eukaryoot gen

1 - versterkers; 2 - geluiddempers; 3 – promotor; 4 - exonen; 5 - intronen; 6, exon-regio's die coderen voor niet-vertaalde regio's.

Een promotor is een stukje DNA voor binding aan RNA-polymerase en de vorming van een DNA-RNA-polymerasecomplex om RNA-synthese te starten.

Enhancers zijn transcriptieversterkers.

Geluiddempers zijn transcriptieverzwakkers.

Momenteel wordt het gen (cistron) beschouwd als een functioneel ondeelbare eenheid van erfelijke beheersing, die de ontwikkeling van elke eigenschap of eigenschap van het organisme bepaalt. Vanuit het standpunt van moleculaire genetica is een gen een stukje DNA (in sommige virussen, RNA) dat informatie bevat over de primaire structuur van een polypeptide, een transportmolecuul en ribosomaal RNA.

Diploïde menselijke cellen hebben ongeveer 32.000 genenparen. De meeste genen in elke cel zijn stil. De set actieve genen hangt af van het type weefsel, de periode van ontwikkeling van het organisme en de ontvangen externe of interne signalen. Het kan worden gezegd dat in elke cel zijn eigen akkoord van genen "klinkt", bepalend voor het spectrum van gesynthetiseerd RNA, eiwitten en, dienovereenkomstig, de eigenschappen van de cel.

Genstructuur van virussen

Virussen hebben een genstructuur die de genetische structuur van de gastheercel weerspiegelt. Zo worden bacteriofaaggenen geassembleerd tot operons en hebben ze geen introns, terwijl eukaryote virussen introns hebben.

Kenmerkend voor virale genomen is het fenomeen van "overlappende" genen ("gen binnen een gen"). In "overlappende" genen behoort elk nucleotide tot één codon, maar er zijn verschillende frames voor het lezen van genetische informatie van dezelfde nucleotidesequentie. De faag φ X 174 heeft dus een segment van het DNA-molecuul, dat deel uitmaakt van drie genen tegelijk. Maar de nucleotidesequenties die overeenkomen met deze genen worden elk in hun eigen referentiekader gelezen. Daarom is het onmogelijk om te praten over het "overlappen" van de code.

Een dergelijke organisatie van het genetisch materiaal (“een gen in een gen”) vergroot de informatiemogelijkheden van een relatief klein virusgenoom. De werking van het genetisch materiaal van virussen gebeurt op verschillende manieren, afhankelijk van de structuur van het virus, maar altijd met behulp van het enzymsysteem van de gastheercel. De verschillende manieren waarop genen zijn georganiseerd in virussen, pro- en eukaryoten zijn weergegeven in figuur 8.2.

Functioneel - genetische classificatie van genen

Er zijn verschillende classificaties van genen. Zo worden bijvoorbeeld allelische en niet-allelische genen, dodelijke en semi-dodelijke genen, “huishoudelijke” genen, “luxe genen”, enz. geïsoleerd.

Huishoudelijke genen- een reeks actieve genen die nodig zijn voor het functioneren van alle cellen van het lichaam, ongeacht het type weefsel, de periode van ontwikkeling van het lichaam. Deze genen coderen voor enzymen voor transcriptie, ATP-synthese, replicatie, DNA-reparatie, enz.

"luxe" genen zijn selectief. Hun werking is specifiek en hangt af van het type weefsel, de periode van ontwikkeling van het organisme en de ontvangen externe of interne signalen.

Op basis van moderne ideeën over het gen als een functioneel ondeelbare eenheid van erfelijk materiaal en de systemische organisatie van het genotype, kunnen alle genen fundamenteel worden onderverdeeld in twee groepen: structureel en regulerend.

regulerende genen- coderen voor de synthese van specifieke eiwitten die de werking van structurele genen zodanig beïnvloeden dat de benodigde eiwitten worden gesynthetiseerd in de cellen van verschillende weefselaffiliatie en in de vereiste hoeveelheden.

Structureel genaamd genen die informatie dragen over de primaire structuur van een eiwit, rRNA of tRNA. Eiwitcoderende genen dragen informatie over de aminozuursequentie van bepaalde polypeptiden. Van deze DNA-gebieden wordt mRNA getranscribeerd, dat dient als een sjabloon voor de synthese van de primaire structuur van het eiwit.

rRNA-genen(4 varianten worden onderscheiden) bevatten informatie over de nucleotidesequentie van ribosomaal RNA en bepalen hun synthese.

tRNA-genen(meer dan 30 variëteiten) bevatten informatie over de structuur van transfer-RNA's.

structurele genen, waarvan de werking nauw verband houdt met specifieke sequenties in het DNA-molecuul, regulerende regio's genoemd, zijn onderverdeeld in:

onafhankelijke genen;

Repetitieve genen

gen clusters.

onafhankelijke genen zijn genen waarvan de transcriptie niet is geassocieerd met de transcriptie van andere genen binnen de transcriptie-eenheid. Hun activiteit kan worden gereguleerd door exogene stoffen, zoals hormonen.

Repetitieve genen aanwezig op het chromosoom als herhalingen van hetzelfde gen. Het ribosomale 5-S-RNA-gen wordt vele honderden keren herhaald en de herhalingen zijn in tandem gerangschikt, d.w.z. ze volgen elkaar op zonder gaten.

Genclusters zijn groepen van verschillende structurele genen met verwante functies gelokaliseerd in bepaalde regio's (loci) van het chromosoom. Clusters zijn ook vaak aanwezig in het chromosoom in de vorm van herhalingen. Een cluster van histongenen wordt bijvoorbeeld 10-20 keer herhaald in het menselijk genoom, waardoor een tandemgroep van herhalingen wordt gevormd (Fig. 8.3).

Afb.8.3. Cluster van histongenen

Met zeldzame uitzonderingen worden clusters als een geheel getranscribeerd, als één lang pre-mRNA. Het pre-mRNA van het histongencluster bevat dus informatie over alle vijf histoneiwitten. Dit versnelt de synthese van histoneiwitten, die betrokken zijn bij de vorming van de nucleosomale structuur van chromatine.

Er zijn ook complexe genclusters die kunnen coderen voor lange polypeptiden met meerdere enzymatische activiteiten. Een van de NeuraSpora grassa-genen codeert bijvoorbeeld voor een polypeptide met een molecuulgewicht van 150.000 dalton, dat verantwoordelijk is voor 5 opeenvolgende stappen in de biosynthese van aromatische aminozuren. Er wordt aangenomen dat polyfunctionele eiwitten een verschillende domeinen - conformationeel beperkte semi-autonome formaties in de polypeptideketen die specifieke functies vervullen. De ontdekking van semi-functionele eiwitten gaf reden om aan te nemen dat ze een van de mechanismen zijn van het pleiotrope effect van één gen op de vorming van verschillende eigenschappen.

In de coderende sequentie van deze genen kunnen niet-coderende genen, introns genaamd, worden ingeklemd. Bovendien kunnen er tussen de genen secties van spacer- en satelliet-DNA zijn (Fig. 8.4).

Afb.8.4. Structurele organisatie van nucleotidesequenties (genen) in DNA.

Spacer-DNA bevindt zich tussen genen en wordt niet altijd getranscribeerd. Soms bevat het gebied van dergelijk DNA tussen genen (de zogenaamde spacer) enige informatie met betrekking tot de regulatie van transcriptie, maar het kan ook gewoon korte repetitieve sequenties van overtollig DNA zijn, waarvan de rol onduidelijk blijft.

Satelliet-DNA bevat een groot aantal groepen herhalende nucleotiden die niet logisch zijn en niet worden getranscribeerd. Dit DNA bevindt zich vaak in het heterochromatinegebied van de centromeren van mitotische chromosomen. Enkele genen tussen satelliet-DNA hebben een regulerend en versterkend effect op structurele genen.

Micro- en minisatelliet-DNA zijn van groot theoretisch en praktisch belang voor moleculaire biologie en medische genetica.

microsatelliet DNA- korte tandemherhalingen van 2-6 (meestal 2-4) nucleotiden, die STR worden genoemd. De meest voorkomende zijn nucleotide CA-herhalingen. Het aantal herhalingen kan van persoon tot persoon aanzienlijk verschillen. Microsatellieten komen voornamelijk voor in bepaalde delen van het DNA en worden geërfd volgens de wetten van Mendel. Kinderen krijgen één chromosoom van hun moeder, met een bepaald aantal herhalingen, een ander van hun vader, met een ander aantal herhalingen. Als zo'n cluster van microsatellieten zich naast het gen bevindt dat verantwoordelijk is voor een monogene ziekte, of in het gen, dan kan een bepaald aantal herhalingen langs de lengte van het cluster een marker zijn van het pathologische gen. Deze functie wordt gebruikt bij de indirecte diagnose van genziekten.

Minisatelliet-DNA- tandemherhalingen van 15-100 nucleotiden. Ze werden VNTR genoemd - tandemherhalingen variabel in aantal. De lengte van deze loci is ook significant variabel bij verschillende mensen en kan een marker (label) zijn van een pathologisch gen.

Micro- en macrosatelliet DNA-gebruik:

1. Voor de diagnose van genziekten;

2. Bij forensisch medisch onderzoek voor persoonlijke identificatie;

3. Om het vaderschap vast te stellen en in andere situaties.

Naast structurele en regulerende herhalende sequenties, waarvan de functies onbekend zijn, zijn migrerende nucleotidesequenties (transposons, mobiele genen), evenals de zogenaamde pseudogenen in eukaryoten gevonden.

Pseudogenen zijn niet-functionerende DNA-sequenties die vergelijkbaar zijn met functionerende genen.

Ze zijn waarschijnlijk ontstaan ​​door duplicatie en de kopieën werden inactief als gevolg van mutaties die elk stadium van expressie schonden.

Volgens één versie zijn pseudogenen een "evolutionaire reserve"; op een andere manier vertegenwoordigen ze "doodlopende wegen van evolutie", een neveneffect van herschikkingen van eens functionerende genen.

Transposons zijn structureel en genetisch afzonderlijke DNA-fragmenten die van het ene DNA-molecuul naar het andere kunnen gaan. Voor het eerst voorspeld door B. McClintock (Fig. 8) in de late jaren 40 van de twintigste eeuw op basis van genetische experimenten op maïs. Ze bestudeerde de aard van de kleur van maïskorrels en ging ervan uit dat er zogenaamde mobiele ("springende") genen zijn die zich door het celgenoom kunnen verplaatsen. Naast het gen dat verantwoordelijk is voor de pigmentatie van maïskorrels, blokkeren mobiele genen zijn werk. Vervolgens werden transposons in bacteriën geïdentificeerd en werd gevonden dat ze verantwoordelijk zijn voor de resistentie van bacteriën tegen verschillende toxische verbindingen.

Rijst. 8.5. Barbara McClintock was de eerste die het bestaan ​​voorspelde van mobiele ("springende") genen die in staat zijn zich door het genoom van cellen te verplaatsen.

Mobiele genetische elementen voeren de volgende functies uit:

1. coderen voor eiwitten die verantwoordelijk zijn voor hun beweging en replicatie.

2. veel erfelijke veranderingen in cellen veroorzaken, waardoor een nieuw genetisch materiaal wordt gevormd.

3. leidt tot de vorming van kankercellen.

4. integreren in verschillende delen van chromosomen, ze inactiveren of versterken de expressie van cellulaire genen,

5. is een belangrijke factor in biologische evolutie.

Huidige stand van de gentheorie

De moderne gentheorie werd gevormd door de overgang van genetica naar het moleculaire analyseniveau en weerspiegelt de fijne structurele en functionele organisatie van erfelijkheidseenheden. De belangrijkste bepalingen van deze theorie zijn als volgt:

1) gen (cistron) - een functionele ondeelbare eenheid van erfelijk materiaal (DNA in organismen en RNA in sommige virussen), die de manifestatie van een erfelijke eigenschap of eigenschap van een organisme bepaalt.

2) De meeste genen bestaan ​​in de vorm van twee of meer alternatieve (elkaar uitsluitende) varianten van allelen. Alle allelen van een bepaald gen zijn gelokaliseerd op hetzelfde chromosoom in een bepaald deel ervan, dat een locus wordt genoemd.

3) Veranderingen in de vorm van mutaties en recombinaties kunnen optreden binnen het gen; de minimale afmetingen van een muton en een recon zijn gelijk aan één paar nucleotiden.

4) Er zijn structurele en regulerende genen.

5) Structurele genen dragen informatie over de volgorde van aminozuren in een bepaald polypeptide en nucleotiden in rRNA, tRNA

6) Regulerende genen controleren en sturen de robot van structurele genen.

7) Het gen is niet direct betrokken bij eiwitsynthese, het is een sjabloon voor de synthese van verschillende soorten RNA die direct betrokken zijn bij eiwitsynthese.

8) Er is een overeenkomst (colineariteit) tussen de rangschikking van tripletten van nucleotiden in structurele genen en de volgorde van aminozuren in het polypeptidemolecuul.

9) De meeste genmutaties manifesteren zich niet in het fenotype, omdat DNA-moleculen in staat zijn te repareren (hun oorspronkelijke structuur herstellen)

10) Het genotype is een systeem dat bestaat uit afzonderlijke eenheden - genen.

11) De fenotypische manifestatie van een gen hangt af van de genotypische omgeving waarin het gen zich bevindt, de invloed van factoren van de externe en interne omgeving.

De principes van erfelijkheid werden voor het eerst geïdentificeerd in de jaren 1900, toen natuurlijke principes werden ontwikkeld en (met een volledige definitie) de concepten van het menselijk genoom en het gen in het bijzonder werden geïntroduceerd. Hun studie stelde wetenschappers in staat om het geheim van erfelijkheid te ontdekken en werd de aanzet voor de studie erfelijke ziekten en hun aard.

In contact met

Menselijk genoom: algemene concepten

Om te begrijpen wat genen zijn en de processen van overerving van bepaalde eigenschappen en kwaliteiten door een organisme, moet men de termen en basisbepalingen kennen en begrijpen. Een korte samenvatting van de belangrijkste concepten biedt de mogelijkheid om dieper op dit onderwerp in te gaan.

Menselijke genen zijn delen van een keten (desoxyribonucleïnezuur in de vorm van macromoleculen) die de volgorde van bepaalde polypeptiden (families van aminozuren) en bevat erfelijke basisinformatie van ouders op kinderen.

Simpel gezegd, een bepaald gen bevat informatie over de structuur van het eiwit en draagt ​​het van het ouderorganisme naar het kind, waarbij de structuur van polypeptiden wordt herhaald en erfelijkheid wordt doorgegeven.

menselijk genoom is een algemene term die verwijst naar een bepaald aantal bepaalde genen. Het werd voor het eerst geïntroduceerd door Hans Winkler in 1920, maar na een tijdje veranderde de oorspronkelijke betekenis enigszins.

Aanvankelijk duidde het op een bepaald aantal chromosomen (ongepaard en enkel), en na een tijdje bleek dat er 23 gepaarde chromosomen en mitochondriaal deoxyribonucleïnezuur in het genoom waren.

Genetische informatie is data die in het DNA zit en de volgorde draagt ​​van het bouwen van eiwitten in de vorm van een code van nucleotiden. Het is ook vermeldenswaard dat dergelijke informatie zich binnen en buiten de grenzen bevindt.

Menselijke genen zijn vele jaren bestudeerd, gedurende welke het is geïmplementeerd veel experimenten. Tot nu toe worden experimenten uitgevoerd die wetenschappers nieuwe informatie geven.

Dankzij recent onderzoek is duidelijk geworden dat in deoxyribonucleïnezuren niet altijd een duidelijke en consistente structuur wordt waargenomen.

Er zijn zogenaamde discontinue genen, waarvan de verbindingen worden onderbroken, waardoor alle eerdere theorieën over de constantheid van deze deeltjes onjuist zijn. Van tijd tot tijd treden er veranderingen in hen op, wat veranderingen in de structuur van deoxyribonucleïnezuren met zich meebrengt.

ontdekkingsgeschiedenis

Voor het eerst werd de wetenschappelijke term pas in 1909 gebruikt door de wetenschapper Wilhelm Johansen, een uitstekende botanicus in Denemarken.

Belangrijk! In 1912 verscheen het woord "genetica", dat de naam werd van een hele afdeling. Hij is het die menselijke genen bestudeert.

Onderzoek naar deeltjes is begonnen lang voor de 20e eeuw(gegevens waarvan het exacte jaartal niet beschikbaar is), en bestond uit verschillende fasen:

1. In 1868 bracht de beroemde wetenschapper Darwin de hypothese van pangenese naar voren. Daarin beschreef hij de tak van de gemmula. Darwin geloofde dat de gemmule een bepaald deel van de cel is, waaruit vervolgens kiemcellen worden gevormd.
2. Een paar jaar later vormde Hugh de Vries zijn eigen theorie, anders dan die van Darwin, waarin hij het proces van pangenese in cellen beschreef. Hij geloofde dat elke cel een deeltje heeft en dat het verantwoordelijk is voor enkele overervingseigenschappen van de soort. Hij noemde deze deeltjes "pangens". Verschillen tussen de twee hypothesen is dat Darwin gemmules beschouwde als delen van weefsels en inwendige organen, ongeacht het soort dier, en dat De Vries zijn pangens presenteerde als tekenen van overerving binnen een bepaalde soort.
3. W. Johansen definieerde in 1900 de erfelijke factor als een gen en nam het tweede deel van de term die door De Vries werd gebruikt. Hij gebruikte het woord om 'rudiment' te definiëren, dat deeltje dat erfelijk is. Tegelijkertijd benadrukte de wetenschapper de onafhankelijkheid van de term van eerder naar voren gebrachte theorieën.

Biologen en zoölogen bestuderen de erfelijke factor al heel lang, maar pas sinds het begin van de 20e eeuw begon de genetica zich met een enorme snelheid te ontwikkelen, waardoor de geheimen van overerving aan mensen werden onthuld.

Het menselijk genoom ontcijferen

Vanaf het moment dat wetenschappers de aanwezigheid van een gen in het menselijk lichaam ontdekten, begonnen ze de kwestie van de informatie die het bevat te onderzoeken. Al meer dan 80 jaar proberen wetenschappers het te ontcijferen. Tot op heden hebben ze hierin aanzienlijk succes geboekt, wat heeft geleid tot: mogelijkheid om invloed uit te oefenen op erfelijke processen en verander de structuur van cellen in de volgende generatie.

De geschiedenis van DNA-decodering bestaat uit verschillende bepalende momenten:

1. 19e eeuw - het begin van de studie van nucleïnezuren.
2. 1868 - F. Miescher isoleert voor het eerst nucleïne of DNA uit cellen.
3. In het midden van de 20e eeuw ontdekten O. Avery en F. Griffith, met behulp van een experiment op muizen, dat nucleïnezuur verantwoordelijk is voor het proces van bacteriële transformatie.
4. De eerste persoon die DNA aan de wereld liet zien, was R. Franklin. Een paar jaar na de ontdekking van nucleïnezuur maakt hij een foto van DNA, waarbij hij willekeurig met behulp van röntgenstralen de structuur van kristallen onderzoekt.
5. In 1953 werd een nauwkeurige definitie gegeven aan het principe van de reproductie van het leven bij alle soorten.

Aandacht! Sinds de dubbele DNA-helix voor het eerst beschikbaar werd gesteld aan het publiek, zijn er veel ontdekkingen gedaan die het mogelijk hebben gemaakt om de aard van DNA en hoe het werkt te begrijpen.

Mens, wie heeft het gen ontdekt?, wordt beschouwd als Gregor Mendel, die voor het eerst bepaalde patronen in de erfelijke keten ontdekte.

Maar het decoderen van menselijk DNA vond plaats op basis van de ontdekking van een andere wetenschapper, Frederick Sanger, die methoden ontwikkelde voor het lezen van aminozuursequenties van eiwitten en de sequentie voor het bouwen van DNA zelf.

Dankzij het werk van vele wetenschappers in de afgelopen drie eeuwen zijn de vormingsprocessen, kenmerken en het aantal genen in het menselijk genoom opgehelderd.

In 1990 begon internationaal project"Human Genome" geregisseerd door James Watson. Zijn doel was om erachter te komen in welke volgorde nucleotiden in DNA liggen en om ongeveer 25.000 genen bij mensen te identificeren. Dankzij dit project moest een persoon een volledig begrip krijgen van de vorming van DNA en de locatie van al zijn samenstellende delen, evenals het mechanisme voor het bouwen van een gen.

Het is de moeite waard om te verduidelijken dat het programma niet gericht was op het bepalen van de volledige nucleïnezuursequentie in cellen, maar slechts op enkele gebieden. Het begon in 1990, maar pas in 2000 werd een concept van het werk vrijgegeven en een volledige studie voltooid - in 2003. Sequentieonderzoek is aan de gang en 8% van de heterochromatische regio's is nog steeds niet geïdentificeerd.

Doelen en doelen

Zoals elk wetenschappelijk project heeft het "Menselijk Genoom" zichzelf specifieke doelen en doelstellingen gesteld. Aanvankelijk zouden wetenschappers sequenties van 3 miljard nucleotiden of meer identificeren. Vervolgens spraken afzonderlijke groepen onderzoekers de wens uit om tegelijkertijd de volgorde van biopolymeren te bepalen, wat aminozuur of nucleotide kan zijn. Eventueel hoofddoelen van het project zag er zo uit:

1. Maak een genoomkaart;
2. Maak een kaart van menselijke chromosomen;
3. Onthul de volgorde van vorming van polypeptiden;
4. Een methodiek vormen voor het opslaan en analyseren van de verzamelde informatie;
5. Creëer een technologie die helpt om alle bovenstaande doelen te bereiken.

Deze takenlijst mist een even belangrijke, maar niet zo voor de hand liggende studie van de ethische, juridische en sociale implicaties van dergelijk onderzoek. De kwestie van erfelijkheid kan verdeeldheid onder mensen veroorzaken en tot ernstige conflicten leiden, daarom hebben wetenschappers het tot hun doel gemaakt om oplossingen te vinden voor deze conflicten voordat ze ontstaan.

prestaties

Erfelijke sequenties zijn uniek fenomeen, die in een of andere vorm in het lichaam van elke persoon wordt waargenomen.

Het project bereikte al zijn doelen eerder dan de onderzoekers hadden verwacht. Tegen het einde van het project hadden ze ongeveer 99,99% van het DNA ontcijferd, hoewel de wetenschappers zichzelf tot taak hadden gesteld om slechts 95% van de gegevens te sequencen. . Vandaag de dag, ondanks het succes van het project, zijn er nog steeds onontgonnen gebieden deoxyribonucleïnezuren.

Als resultaat van het onderzoekswerk werd bepaald hoeveel genen zich in het menselijk lichaam bevinden (ongeveer 20-25 duizend genen in het genoom), en ze worden allemaal gekenmerkt:

• hoeveelheid;
• plaats;
• structurele en functionele kenmerken.

Menselijk genoom - onderzoek, decodering

Het menselijk genoom ontcijferen

Conclusie

Alle gegevens worden gedetailleerd in de genetische kaart van het menselijk lichaam. De uitvoering van zo'n complex wetenschappelijk project leverde niet alleen kolossale theoretische kennis op voor de fundamentele wetenschappen, maar had ook een ongelooflijke impact op het begrip van erfelijkheid zelf. Dit zou op zijn beurt de processen van preventie en behandeling van erfelijke ziekten alleen maar kunnen beïnvloeden.

De gegevens die door wetenschappers zijn verkregen, hebben geholpen ander moleculair onderzoek te versnellen en hebben bijgedragen aan: effectief zoeken naar de genetische basis bij ziekten die door overerving worden overgedragen, en aanleg daarvoor. De resultaten kunnen van invloed zijn op de ontdekking van geschikte geneesmiddelen voor de preventie van vele ziekten: atherosclerose, cardiale ischemie, geestesziekten en oncologie.