Гени, својства на гени, интеракција на гени

Што се гени?

Гени се функционални единици на наследството кои содржат информација за производство на протеини и други молекули неопходни за живот. Тие се делови од молекулата ДНК (дезоксирибонуклеинска киселина) што се наоѓаат на хромозомите во јадрото на клетката. Секој ген е составен од низа нуклеотиди - органските молекули што го сочинуваат ДНК. Гените содржат кодирана информација во форма на редослед на нуклеотиди, позната како генетски код, која ја одредува редоследот на аминокиселините во белките.

Гените функционираат како „инструкции“ за организмот. Во процесот на генска експресија, информацијата од ДНК се препишува во РНК (рибонуклеинска киселина), а потоа се преведува во протеини. Гените не функционираат само за време на развојот на организмот, туку постојано влијаат на физиолошките и морфолошките карактеристики на организмот во текот на целиот живот. Важно е да се напомене дека гените не се директно одговорни за одредено својство, туку нивниот производ - протеините - го утврдуваат фенотипот на организмот во интеракција со животната средина.

Својства на гените

Гените поседуваат неколку карактеристични своја која ги дефинираат и разликуваат од други генетски елементи.

Специфичност е едно од основните свojства на гените. Секој ген има специфична локација на хромозомот, позната како локус, и кодира за специфичен блок или РНК молекула. Оваа специфичност осигурува дека генетската информација се пренесува со прецизност.

Репликабилност значи дека гените може да бидат копирани и да се пренесат на следните генерации. Во процесот на ДНК репликација, кој се одвива пред клеточно делење, целата генетска информација, вклучувајќи ја и информацијата во гените, се копира на нова ДНК молекула. Овој процес е екстремно точен, со механизми за поправање на грешките кои го минимизираат бројот на мутации.

Мутабилност означува способност на гените да се променат. Мутациите се случајни промени во редоследот на нуклеотиди во ДНК. Иако повеќето мутации се неутрални или штетни, некои може да бидат корисни и да придонесат кон еволуцијата. Мутациите может да бидат предизвикани од надворешни фактори како радијација или хемикалии, или да се јават спонтано како грешка при репликација на ДНК.

Трансмисивност значи дека гените се преносат од родителот на потомствата. Во сексуално размножување, потомствата добиваат копија од гените од двата родитела, што резултира со комбинација на наследни информации од двајцата родители.

Плејотропија е свojство каде еден ген влијае на повеќе од една карактеристика на организмот. Генот кодира за еден протеин, но овој протеин може да делува во различни ткива или во различни развојни стадиуми, што резултира со влијание на повеќе особини. На пример, ген за производство на пигмент може истовремено да влијае на боја на кожа, очи и коса.

Алелна интеракција на гени

Алелите се различни верзии или варијанти на ист ген. Секој организам кој има два комплета хромозоми (диплоидни организми) поседува два алела за секој ген - еден од секој родител. Алелната интеракција се однесува на начинот на кој различни алели на истиот ген влијаат еден на други и се манифестираат во феносипот.

Доминантност и рецесивност се основните типови на алелна интеракција. Кога два алела се различни, доминантниот алел ја маскира експресијата на рецесивниот алел. Во генотипот Аа (каде А е доминантен алел, а а је рецесиван), организмот ќе покаже фенотип на доминантниот алел. Рецесивниот алел се манифестира само кога е присутен во хомозигозна состојба (аа). На пример, кај луѓето, алелот за кафеави очи е доминантен во однос на алелот за сини очи.

Кодоминантност е пojава каде двата алела се еднакво изразени во хетерозиготот. За разлика од доминантност, каде еден алел го маскира другиот, при кодоминантност се манифестуваат двата алела истовремено. Класичен пример е АБ0 систем за крвни групи кај луѓето. Ако организмот има алели I^A и I^B, неговата крвна група ќе биде АБ, што значи дека антигените од обата алела се присутни на црвените крвни клетки.

Непотполна доминантност (или делумна доминантност) е состојба каде доминантниот алел не целосно ја маскира експресијата на рецесивниот алел, туку создава мешан фенотип. На пример, кај некои видови на цвеќе, растение со алели за црвена боја (AA) и растение со алели за бела боја (aa) ќе даде F1 потомство со розева боја (Aa). Непотполна доминантност се јавува кога еден алел не произведува доволно протеински производ за целосна доминантност.

Мултипен алелизам или полиморфизам се однесува на ситуација каде повеќе од два алела за исти ген постојат во популацијата. Иако секој индивидуален организам поседува максимум два алела за еден ген, популацијата може да содржи три или повеќе различни верзии на тој ген. АБ0 систем за крвни групи е добар пример, каде постојат три алела (I^A, I^B, и i) кои создаваат четири различни фенотипи.

Неалелна интеракција на гени

Неалелната интеракција се однесува на начинот на кој гении на различни локуса (различни гени) влијаат еден на други и го утврдуваат фенотипот на организмот. Овие интеракции се среќаваат кога производите на два или повеќе гена делуваат заедно во исти биолошки патеки.

Епистаза е една од најчестите форми на неалелна интеракција. Епистаза се јавува кога алелот на еден ген го маскира или го подавува ефектот на алелите на друг ген. Организмот со доминантниот епистатски алел ќе покаже фенотип независно од алелите на другиот ген. На пример, кај кокошките, бојата на перјата зависи од два гена. Ако птицата има доминантен алел на епистатскиот ген, таа ќе биде бела, без разлика на алелите од вториот ген. Ако не го поседува доминантниот епистатски алел, тогаш алелите на вториот ген ќе детерминираат боја.

Комплементарна интеракција (генска комплементација) се јавува кога доминантни алели на два различни гена работат заедно да произведат одреден фенотип. Кога организмот е хомозигозен рецесиван за било кој од двата гена, фенотипот ќе биде различен. На пример, во некои растенија, производството на пигмент за боја зависи од ензими произведени од два различни гена. Ако растението нема функционален алел на кој било од двата гена, нема пигмент и растението е безбојно, иако цвеќето е нормално по други карактеристики.

Дупликатна интеракција (или кооперативна интеракција) се јавува како доминантен алел на еден ген или доминентен алел на другиот ген (или двата) создава одреден фенотип, додека рецесивните алели на двата гена создаваат различен фенотип. На пример, во некои растенија, способноста да растат на неутрална почва зависи од алели на два гена. Ако растението има доминентен алел на било кој од двата гена, тоа може да расте на неутрална почва. Само кога организмот има рецесивни алели на обата гена, тоа не може да расте на неутрална почва.

Полиморфна интеракција се однесува на ситуација каде фенотипот зависи од специфичната комбинација на алели на два или повеќе гена, создавајќи повеќе од четирите основни фенотипови што би се очекувале врз основа на Менделовите закони. На пример, во пченица, боја на зрно е одредена од неколку гени, кои делуваат адитивно, создавајќи континуум од светли до темни бои.

Адитивна интеракција (полиморфизам) се јавува кога алели на два или повеќе различни гена адитивно придонесуваат во феносипот. Секој доминентен алел го зголемува износот на протеин или карактеристика, создавајќи градација на фенотипови наместо дискретни категории. Висина кај луѓето е пример на адитивна интеракција на повеќе гени.

Дејство на гени

Дејство на гени (експресија на гени) е процес преку кој генетската информација кодирана во ДНК се преведува во функционални протеини или РНК молекули. Овој процес е централен за биологијата и се состои од две основни фази: транскрипција и транслација.

Транскрипција е прва фаза на ген експресија. Во овој процес, ензимот РНК полимераза го препишува ДНК во РНК позната како информативна РНА (мРНА). Полимеразата се врзува на промоторниот реґион на ДНК пред генот, и почнува да чита ДНК секвенца во 5' до 3' насока. За секој нуклеотид во ДНК, РНК полимеразата додава соодветен комплементарен нуклеотид во РНА веќа синтетизирана. Кога полимеразата го достигнува терминаторот, регионот на ДНК кој сигнализира крај на генот, таа се одделува и транскрипцијата е завршена. Новосинтетизираната мРНА се вака позната и мора да се обработи пред да биде користена.

Обработка на мРНА е критичен чекор во еукариотите. По транскрипцијата, примарната транскрипт (позната како примарна-мРНА или хет-РНА) е обработена. Прво, 5' капче (7-метилгуанозин) се додава на почетокот на мРНА, а поли-А опашка (серија на аденински нуклеотиди) се додава на крајот. Овие структури го штитат мРНА од деградација и го олеснуваат преносот низ јадрото. Втора, и можеби најважна, интроните се отстрануваат од мРНА преку процес наречен сплајсинг, а егзоните се спојуваат заедно. Ова резултира со зрела мРНА која е подготвена за превод.

Транслација е втора фаза на генската експресија. Зрела мРНА го напушта јадро и оди во цитоплазма каде се наоѓаат рибозомите. Рибозомот се врзува на почетниот кодон (обично AUG) на мРНА и почнува да чита редоследот на кодони. Секој кодон е триплет нуклеотиди кој кодира за една аминокиселина. Молекулите на транспортна РНА (тРНА) кои носат аминокиселини се врзуваат на комплементарните антикодони на мРНА, и рибозомот ги спојува аминокиселините во растечката полипептидна верига. Кога рибозомот го достигнува стоп кодонот, транслацијата е завршена и новосинтетизираната белковина се ослободува.

Регулација на генската експресија е процес преку кој клетката го контролира којa гените се експресираат, кога и во каков степен. Регулацијата може да се јави на различни нивоа: на нивото на транскрипција (дали генот воопшто се препишува), на нивото на обработка на мРНА (кои егзони се вклучуваат), на нивото на транслација (колку често мРНА се преведува), и на нивото на протеинска активност (дали протеинот е активен или неактивен).

На прокариотите (бактерии), регулацијата на транскрипција често вклучува оператор реґиони каде репресорни протеини се врзуваат и ја блокираат РНК полимеразата. На пример, lac оперонот  во бактеријата Escherichia coli е репресиран кога нема лактоза во средината. Кога лактозата е присутна, таа служи како индуктор кој го инактивира репресорот, дозволувајќи РНК полимеразата да го  експримира оперонот.

Кај еукариотите, регулацијата е покомплексна. Транскрипциските фактори, кои се протеини кои се врзуваат на специфични ДНК секвенци во промотерите и енхансерите, контролираат дали генот е активен или неактивен. Хроматинската структура исто така игра улога - генот е повеќе активен кога хроматинот е лабав (еухроматин) и помалку активен кога е кондензиран (хетерохроматин). Ово ја назначува важноста на епигенетските модификации, како метилирање на ДНК и хистонски модификации, во регулацијата на генската експресија.

Егзони

Егзоните се делови на генот кои остануваат во конечната мРНА молекула и кои кодираат за аминокиселините на протеинот. Етимологијата на зборот „егзон“ потекнува од "expressed region" (експресирана регија), рефлектирајќи факт дека овие делови на генот се експресираат во финалниот протеински производ.

Структура на егзони е разновидна. Во простите гени, постојат само еден егзон кој содржи целата генетска информација за белката. Во повеќе сложени гени, особено кај еукариотските организми, може да постојат десетици или дури стотици егзони разделени со интрони. Секој егзон обично почнува со динуклеотидот GT (гуанин-тимин) и завршува со AC (аденин-цитозин) на границата со интронот, иако постојат исклучоци.

Егзон-интрон граници се критични за правилниот сплајсинг. Машинеријата за сплајсинг препознава дали деликатни консензус секвенци што ги обиколуваат интроните кои треба да бидат отстранети. Без правилните граници, сплајсингот не би се одвивал правилно и би могла да резултира со неправилен белок.

Функционална анализа на егзони покажува дека различни егзони често кодираат за различни домени или функционални делови на белката. На пример, еден егзон може да кодира за доменот одговорен за врзување на други молекули, додека друг егзон кодира за доменот одговорен за каталитичка активност. Оваа организирана структура овозможува еволуциона флексибилност, каде целите домени може да бидат поместувани или комбинирани на различни начини.

Интрони

Интроните се делови на генот кои се отстрануваат од пречната РНА за време на сплајсинг и не се вклучуваат во конечната мРНА или белката. Зборот „интрон“ потекнува од "intervening sequence" (интервенирачка секвенца), рефлектирајќи факт дека овие делови "интервенираат" меѓу егзоните.

Значење на интрони преначинава разбирање на геномската организација. За долго време, интроните биле сетани како "ѓубре ДНК" без функција. Меѓутоа, современите истражувања покажуваат дека интроните имаат неколку важни улоги. Прво, интроните содржат регулаторни елементи кои контролираат генската експресија. Второ, интроните овозможуваат алтернативен сплајсинг, процес каде различни комбинации на егзони се спојуваат заедно, произведувајќи различни верзии на исти протеини од ист ген. Трето, интроните може да содржат шифри за мали РНА молекули кои имаат регулаторни функции.

Процес на сплајсинг е компликуван и точен процес. После транскрипцијата, сплајсосом - огромен рибонуклеопротеински комплекс - се собира на пречната РНА. Сплајсосомот содржи неколку мали јадрени РНА молекули (снРНА) и десеци протеини. Сплајсосомот препознава дали се дели на мали нуклеотидни секвенци: 5' границата на интронот (GU), 3' границата (AG), и локусот на разделување. Сплајсосомот потоа го отсекува интронот точно на овие граници и ги спојува егзоните заедно. 

Алтернативен сплајсинг е механизам преку кој еден ген може да произведе повеќе различни протеини. За време на сплајсинг, различни комбинации на егзони може да бидат вклучени или исклучени. На пример, ген може имам пет егзони, а преку алтернативен сплајсинг, една верзија на протеинот може да содржи егзони 1, 2, 3, и 5 (прескокнува 4), додека друга верзија содржи егзони 1, 2, 4, и 5 (прескокнува 3). Ова овозможува организмот да произведе различни протеини со различни функции од ист генетски локус. Алтернативниот сплајсинг е така распространет кај човечките гени кој малку гени производат само една верзија на белката.

Величината на интроните варира. Некои интрони се веќе долги од егзоните кои ги опкружуваат. Во човечките гени, просечниот интрон е многу поголем од просечниот егзон. Оваа организирана структура значи дека човечката ДНК содржи огромни количини на редови кои не кодираат за аминокиселини, иако многу од овие редови имаат регулаторни функции.

Гените без интрони, како во бактериите и многу вирусите, обично содржат мај мали регулаторни можности и се нешто во своја експресија. Појавата на интроните во еукариотските геноми дозволила еволуциона флексибилност, вклучувајќи развој на софистицирана регулација и алтернативен сплајсинг.