Dette er en utmerket artikkel som er verdt å lese.

genet

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk
Skjematisk fremstilling av et gen som en seksjon om dobbel helix av et DNA.
Vist er et eukaryotisk gen som inneholder introner og eksoner , og i bakgrunnen er DNA -dobbeltstrengen kondensert til kromosomet (faktisk har eksoner og introner flere basepar ).

Et gen er vanligvis en del av DNA som inneholder grunnleggende informasjon for utvikling av egenskaper til et individ og for produksjon av et biologisk aktivt RNA . Under denne transkripsjonsprosessen produseres en komplementær kopi i form av et RNA fra den kodogene DNA -strengseksjonen .

Det finnes forskjellige typer RNA. Under translation , en del av proteinbiosyntesen , leses aminosyresekvensen til proteinene fra mRNA . Proteinene tar på seg spesifikke funksjoner i kroppen som kan brukes til å uttrykke egenskaper . Aktivitetstilstanden til et gen eller dets uttrykk, dets uttrykk , kan reguleres annerledes i individuelle celler .

Generelt blir genene, som bare er synlige under et elektronmikroskop, også referert til som arvelige faktorer eller genetiske faktorer lokalisert på bestemte steder i kromosomene, siden de er bærere av genetisk informasjon som sendes videre til avkom gjennom reproduksjon . Forskning på geners struktur, funksjon og arv er gjenstand for genetikk . Hele den genetiske informasjonen til en celle kalles genomet .

Forskningshistorie

I 1854 begynte Johann Gregor Mendel å undersøke arven etter egenskaper hos erter. Han var den første som antydet eksistensen av faktorer som overføres fra foreldre til avkom. I sine krysningsforsøk beskrev han at trekk kan arves uavhengig av hverandre, så vel som dominerende og resessive egenskaper. Han utviklet hypotesen om at det kan være homozygote og heterozygote tilstander og la dermed grunnlaget for skillet mellom genotype og fenotype .

1900 regnes som året for "gjenoppdagelsen" av de mendelske reglene , ettersom botanikerne Hugo de Vries , Erich Tschermak og Carl Correns tok opp det faktum at det finnes kvantifiserbare regler der faktorene som var ansvarlige for uttrykk for egenskaper er gitt videre til avkommet bli gitt videre. Correns skapte begrepet “ disposisjon” eller “ arvelig disposisjon” . William Bateson husket i Mendels prinsipper for arvelighet i 1902 at det er to varianter av de arvelige faktorene i hver celle. Han oppkalte det andre elementet allelomorph etter det greske ordet for 'annet' og skapte dermed begrepet allel . Archibald Garrod , en britisk lege, hadde studert metabolske sykdommer og funnet ut at de ble arvet gjennom familier. Garrod innså at lovene også var gyldige for mennesker, og antok at den genetiske sammensetningen er grunnlaget for menneskets kjemiske individualitet . I 1902 mistenkte Walter Sutton at faktorene Mendel kalte "elementer" kan bli funnet på kromosomene.

I sine foredrag om nedstigningsteorien i 1904 presenterte August Weismann oppdagelsen av at det er en forskjell mellom kroppsceller og kimceller , og at bare de sistnevnte er i stand til å produsere nye organismer. Kimceller bør inneholde et "arvelig stoff" som består av individuelle elementer som han kalte determinanter . Disse determinantene bør for eksempel være ansvarlige for det synlige uttrykket av lemmene.

Begrepet "Gen" ble først brukt i 1909 av dansken Wilhelm Johannsen . [1] Han oppkalte objektene som genetikken angår, etter det greske substantivet γένος genos for "avkom". For ham var de imidlertid bare en regningsenhet. Allerede tre år tidligere hadde William Bateson kalt vitenskapen om arvelighet genetikk , etter det greske adjektivet γεννητικός gennetikos for å "produsere". På dette tidspunktet var genenes kjemiske natur fortsatt helt uklar.

I de første årene av 1900 -tallet så genetikere også på insekter og senere fugler etter forskjellige planter for å teste arveloven. I kombinasjon med kromosomene som ble oppdaget i 1842 og navngitt i 1888, ga dette opphav til kromosomteorien om arv . Det hadde blitt observert gjennom forbedrede fargeteknikker at kromosomer først dobles og deretter deler seg med cellene. Derfor hadde de kommet i tvil som bærere av den genetiske sminken. I løpet av denne tiden var det kontrovers mellom forkjemperne for Johannsen og Mendels hypotese om at gener er materielle og deres kritikere, som avviste en forbindelse mellom gener og kromosomer som "fysikalisme" og "mendelisme" og fortsatte å betrakte gener som abstrakte enheter.

Thomas Hunt Morgan var også overbevist om at det ikke kunne være fysiske enheter som var ansvarlige for de forskjellige egenskapene, og prøvde å tilbakevise mendelisme. Han begynte i 1910 med kryss-avlsforsøk på svart-bellied fruktfluer . Imidlertid ga arbeidet hans det motsatte: det siste beviset på at gener er på kromosomer og derfor er av materiell opprinnelse. Sammen med sine kolleger, inkludert Calvin Bridges , Alfred Sturtevant og Hermann Muller , fant han mange naturlige mutasjoner og undersøkte i utallige kryss sannsynligheten for at to egenskaper arves sammen. De var i stand til å vise at gener er plassert på visse punkter på kromosomene og er stilt opp bak hverandre. Sammen opprettet gruppen det første genkartet over mange år. Siden overgangen også kunne observeres under mikroskopet, var det kjent at kromosomer kan utveksle seksjoner. Jo nærmere to gener er hverandre på kromosomet, desto større er sannsynligheten for at de vil arves sammen og ikke skilles av en overgangshendelse. Dette gjorde det mulig å gi informasjon om fjerning av to gener som ifølge Morgan er gitt i centiMorgan .

En stund senere begynte Hermann Muller å eksperimentere med røntgenstråler og kunne vise at bestråling av fluer øker mutasjonshastigheten deres sterkt. Denne oppdagelsen fra 1927 var en sensasjon fordi det faktisk ble vist for første gang at gener er fysiske objekter som kan påvirkes utenfra.

I 1928 demonstrerte Frederick Griffith for første gang i det som ble kjent som " Griffiths -eksperimentet " at gener kan overføres fra organismer til andre. Prosessen han demonstrerte var transformasjon . I 1941 viste George Wells Beadle og Edward Lawrie Tatum at mutasjoner i gener er ansvarlige for defekter i metabolske veier, og viser at spesifikke gener koder for spesifikke proteiner. Disse funnene førte til " en-gen-ett-enzymhypotesen ", som senere ble foredlet til å bli " ett-gen-ett-polypeptidhypotesen ". Oswald Avery , Colin MacLeod og Maclyn McCarty viste i 1944 at DNA inneholder genetisk informasjon. I 1953 ble DNA -strukturen dechiffrert av James D. Watson og Francis Crick , basert på arbeidet til Rosalind Franklin og Erwin Chargaff , og modellen til DNA -dobbelheliksen ble designet. I 1969 var Jonathan Beckwith den første som isolerte et enkelt gen.

Definisjonen på hva et gen er, har endret seg konstant og er tilpasset nye funn. For å prøve en nåværende definisjon, tok det 25 forskere fra Sequence Ontology Consortium ved University of Berkeley to dager i begynnelsen av 2006 for å oppnå en versjon som alle kunne leve med. Et gen er derfor " en lokaliserbar region med genomisk sekvens, som tilsvarer en arvsenhet, som er assosiert med regulatoriske regioner, transkriberte regioner og / eller andre funksjonelle sekvensområder " (tysk: "en lokaliserbar region med genomisk DNA -sekvens som har en Tilsvarer arvelig enhet og er assosiert med regulatoriske, transkriberte og / eller funksjonelle sekvensområder ”). [2]

Og denne definisjonen er heller ikke endelig. Gjennom ENCODE ( ENCyclopedia Of DNA Elements ) -prosjektet, der transkripsjonsaktiviteten til genomet ble kartlagt, ble det funnet nye komplekse regulatoriske mønstre. Det ble funnet at transkripsjonen av ikke-kodende RNA er mye mer utbredt enn tidligere antatt. Definisjonen er derfor: " Et gen er en forening av genomiske sekvenser som koder for et sammenhengende sett med potensielt overlappende funksjonelle produkter ". [3]

konstruksjon

På molekylært nivå består et gen av to forskjellige områder:

  1. Et segment av DNA hvorfra en enkeltstrenget RNA-kopi er produsert ved transkripsjon .
  2. Alle ytterligere DNA -segmenter som er involvert i reguleringen av denne kopieringsprosessen.

Det er forskjellige særegenheter i strukturen av gener i forskjellige levende ting. Tegningen viser strukturen til et typisk eukaryotisk gen som koder for et protein.

Gen2.svg

Skjematisk struktur av et eukaryot gen

Reguleringselementer som forsterkere eller promotorer er plassert foran transkripsjonsenheten eller i eksonene ( lyseblå og mørkeblå ) og introner ( rosa og rødt ). Avhengig av sekvensen , binder forskjellige proteiner, for eksempel transkripsjonsfaktorer og RNA -polymerase, seg til dette. Pre-mRNA (umodent mRNA), som opprinnelig oppstår i cellekjernen under transkripsjon, modifiseres til modent mRNA i modningsprosessen. I tillegg til den direkte proteinkodende åpne leserammen , inneholder mRNA også ikke-oversatte områder, dvs. ikke-kodende områder, 5 'utranslaterte område (5' UTR) og 3 'utranslaterte område (3' UTR). Disse områdene tjener til å regulere initiering av translasjon og til å regulere aktiviteten til ribonukleasene , som bryter ned RNA igjen.

Strukturen til de prokaryote genene skiller seg fra eukaryote gener ved at de ikke har introner. I tillegg kan flere forskjellige RNA-dannende gensegmenter kobles veldig tett sammen (man snakker da om polykistroniske gener) og deres aktivitet kan reguleres av et felles regulatorisk element. Disse genklyngene er transkribert sammen, men oversatt til forskjellige proteiner. Denne enheten med regulatorisk element og polykistroniske gener kalles en operon . Operoner er typiske for prokaryoter.

Gener koder ikke bare mRNA som proteinene translateres fra , men også rRNA og tRNA samt andre ribonukleinsyrer som har andre oppgaver i cellen, for eksempel i proteinbiosyntese eller genregulering . Et gen som koder for et protein inneholder en beskrivelse av aminosyresekvensen til det proteinet. Denne beskrivelsen er på et kjemisk språk, nemlig i den genetiske koden i form av nukleotidsekvensen til DNA. De individuelle "kjedeleddene" (nukleotider) i DNA - oppsummert i grupper på tre ( trillinger , kodon) - representerer "bokstavene" i den genetiske koden som kalles åpen leseramme . Et nukleotid består av en del fosfat , en del deoksyribose (sukker) og en base. En base er enten adenin , tymin , guanin eller cytosin .

Gener kan mutere , dvs. endres spontant eller gjennom ytre påvirkninger (for eksempel gjennom radioaktivitet ). Disse endringene kan skje på forskjellige punkter i genet. Som et resultat, etter en rekke mutasjoner, kan et gen eksistere i forskjellige tilstander som kalles alleler . En DNA -sekvens kan også inneholde flere overlappende gener. Gener som dupliseres ved gentuplisering kan være sekvensidentiske, men likevel reguleres annerledes og dermed føre til forskjellige aminosyresekvenser uten å være alleler.

Forholdet mellom introner og eksoner

Generelt varierer forholdet mellom introner og eksoner sterkt fra gen til gen. Det er noen gener uten introner, mens andre består av over 95% introner. [4] Når det gjelder dystrofingenet - med 2,5 millioner basepar det største menneskelige genet [5] - består proteinet som er kodet av det av 3685 aminosyrer. [6] Andelen kodende basepar er dermed 0,44%.

Tabellen nedenfor viser noen proteiner og det respektive kodende genet.

protein antall
aminosyrer
genet antall
Basepar
Antall koding
Basepar
Andel koding
sekvens
referanse
Dystrofin 3685 DMD 2.500.000 11 055 0,44% [5] [6]
FOXP2 715 FOXP2 603 000 2145 0,36% [7]
Neurofibromin 2838 NF1 280 000 8514 3,0% [Åttende]
BRCA2 3418 BRCA2 84 000 10 254 12,2% [9]
BRCA1 1863 BRCA1 81 000 5589 6,9% [9]
Survivin 142 BIRC5 15.000 426 2,9% [10] [11]

Genaktivitet og regulering

Gener er "aktive" når informasjonen deres skrives om i RNA, det vil si når transkripsjon finner sted. Avhengig av genets funksjon produseres mRNA , tRNA eller rRNA . Som et resultat kan et protein, men trenger ikke å, bli oversatt fra denne aktiviteten når det gjelder mRNA. Artiklene Gene Expression and Protein Biosynthesis gir en oversikt over prosessene.

Aktiviteten til individuelle gener er regulert og kontrollert av et stort antall mekanismer. En måte er å kontrollere hastigheten på transkripsjonen til hnRNA . En annen måte er å bryte ned mRNA før det for eksempel blir oversatt via siRNA . På kort sikt skjer genregulering gjennom binding og løsrivelse av proteiner, såkalte transkripsjonsfaktorer , til spesifikke områder av DNA, de såkalte "regulatoriske elementene". På lang sikt oppnås dette gjennom metylering eller "pakking" av DNA -segmenter i histonkomplekser . De regulatoriske elementene i DNA er også gjenstand for variasjon. Påvirkningen av endringer i genregulering inkludert kontroll av alternativ spleising bør være sammenlignbar med påvirkning av mutasjoner i proteinkodende sekvenser. Med tradisjonelle genetiske metoder - ved å analysere arvsmønstre og fenotyper - kan disse effektene normalt ikke skilles fra hverandre i arv. Bare molekylærbiologi kan gi informasjon her. En oversikt over de regulerende prosessene for gener er presentert i artikkelen genregulering.

Organisering av gener

I alle levende ting koder bare en del av DNA for definerte RNA. Resten av DNA kalles ikke-kodende DNA . Den har funksjoner i genregulering , for eksempel for regulering av alternativ spleising , og har innflytelse på kromosomers arkitektur.

Plasseringen på et kromosom der genet er plassert kalles genplasseringen . I tillegg er gener ikke jevnt fordelt på kromosomene, men forekommer noen ganger i såkalte klynger. Genklynger kan bestå av gener som tilfeldigvis er i nærheten av hverandre, eller de kan være grupper av gener som koder for proteiner som er funksjonelt beslektede. Imidlertid kan gener hvis proteiner har en lignende funksjon også være lokalisert på forskjellige kromosomer.

Det er deler av DNA som koder for flere forskjellige proteiner. Dette er på grunn av overlappende åpne leserammer .

Genetisk variasjon og genetisk variasjon

Genetisk variasjon er forekomsten av genetiske varianter (alleler, gener eller genotyper ) i individuelle levende vesener. Det oppstår gjennom mutasjoner , men også gjennom prosesser i meiose ( " krysset over "), hvorigjennom foreldrenes genetisk sammensetning fordeles ulikt på kjønnscellene. Mutasjoner eller de novo -fremvekst kan også være årsaken til opprettelsen av nye gener. [12]

Genetisk variabilitet , derimot, er evnen til en hel befolkning til å produsere individer med forskjellige gener. Ikke bare genetiske prosesser spiller en rolle her, men også mekanismer for valg av partner . Genetisk variabilitet spiller en avgjørende rolle i befolkningens evne til å overleve under endrede miljøforhold og er en viktig faktor i evolusjonen .

Spesielle gener

RNA -gener i virus

Selv om gener er tilstede som DNA-segmenter i alle cellebaserte livsformer, er det noen virus hvis genetiske informasjon er i form av RNA. RNA -virus infiserer en celle, som deretter umiddelbart begynner å produsere proteiner som anvist av RNA; transkripsjon fra DNA til RNA er ikke nødvendig. Retrovirus, på den annen side, oversetter sitt RNA til DNA når de er infisert, ved hjelp av enzymet revers transkriptase .

Pseudogenes

Et gen i smalere forstand er vanligvis en nukleotidsekvens som inneholder informasjonen for et protein som er umiddelbart funksjonelt. I kontrast er pseudogener kopier av gener som ikke koder for et funksjonelt protein i full lengde. Disse er ofte et resultat av gentuplikasjoner og / eller mutasjoner som senere akkumuleres i pseudogenet uten seleksjon og har mistet sin opprinnelige funksjon. Noen ser imidlertid ut til å spille en rolle i reguleringen av genaktivitet. Det menneskelige genomet inneholder rundt 20 000 pseudogener. Prosjektet for menneskelig genom ble grunnlagt med det formål å dechiffrere det menneskelige genomet fullt ut.

Hoppende gener

De er også kjent som transposoner og er mobile deler av genetisk materiale som kan bevege seg fritt i DNA -en til en celle. De kutter seg ut av sin forfedres plassering i genomet og kan settes inn igjen når som helst. Biologer som jobber med Fred Gage fraSalk Institute for Biological Studies i La Jolla (USA) har vist at disse hoppegenene ikke bare forekommer i cellene i kimlinjen, som tidligere antatt, men også er aktive i nerveforfedrerceller. Forskning av Eric Lander et al. (2007) viser at transposoner har en viktig funksjon ved at de som en kreativ faktor i genomet raskt kan spre viktige genetiske innovasjoner i genomet. [1. 3]

Orphangene

Foreldreløse gener er gener uten påviselige homologer i andre linjer. De kalles også ORFans, spesielt i den mikrobielle litteraturen (med ORF som et akronym for engelsk åpen leseramme ' åpen leseramme ' , en generalisering av begrepet 'gen'). Foreldreløse gener er en undergruppe av taksonomisk begrensede gener som er unike på et bestemt taksonomisk nivå (f.eks. Plantespesifikt). De regnes vanligvis som unike for en veldig smal takson , selv for en art . Foreldreløse gener er forskjellige ved at de er linjespesifikke og ikke har noen kjent historie med vanlig duplisering og omorganisering utenfor deres spesifikke art eller gruppe. For eksempel er det hos mennesker 634 gener som sjimpansen mangler. Motsatt mangler mennesker 780 sjimpansegener. [14]

Typiske genomstørrelser og antall gener

Organisme / biologisk system Antall gener Totalt basepar
Vanlig vannloppe [15] 30 907 2 · 10 8
Markkarse ( Arabidopsis thaliana , modellplante ) > 25.000 10 8 -10 11
Menneskelig [16] ~ 22 500 3 · 10 9
Drosophila melanogaster (fly) 12.000 1.6 · 10 8
Bakerens gjær ( Saccharomyces cerevisiae ) 6000 1.3 · 10 7
bakterie 180-7.000 10 5 -10 7
Escherichia coli ~ 5000 4,65 · 10 6
Carsonella Ruddii 182 160 000
DNA -virus 10-300 5.000-200.000
Rna -virus 1-25 1.000-23.000
Viroid 0 246-401

litteratur

weblenker

Wiktionary: Gen - forklaringer på betydninger, ordopprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ^ Wilhelm Ludwig Johannsen: Elementer av den eksakte arvelighetsteorien med grunnleggende trekk ved den biologiske variasjonen . 1913 ( online versjon ).
  2. ^ Helen Pearson: Hva er et gen? I: Naturen . Bind 441, mai 2006, s. 398-401, PMID 16724031 .
  3. ^ M. Gerstein, C. Bruce, J. Rozowsky, D. Zheng, J. Du, J. Korbel, O. Emanuelsson, Z. Zhang, S. Weissman, M. Snyder: Hva er et gen, etter-KODING? Historie og oppdatert definisjon. I: Genomforskning . Bind 17, nr. 6, juni 2007, s. 669-681, PMID 17567988 .
  4. EH McConekey: Hvordan Human Genome fungerer. Jones & Bartlett, 2004, ISBN 0-7637-2384-3 , s.   5 (engelsk).
  5. a b N. Shiga et al.: Disruption of the Splicing Enhancer Sequence within Exon 27 of the Dystrophin Gene by a Nonsense Mutation induces Partial Hopp over Exon og er ansvarlig for Becker muskeldystrofi . I: J. Clin. Investere. teip   100 , 1997, s.   2204-2210 , PMID 9410897 (engelsk).
  6. a b M. Matsuo: Duchenne muskeldystrofi . I: Sørøstasiatisk J Trop Med Public Health . teip   26 , 1995, s.   166-171 , PMID 8629099 (engelsk).
  7. ^ AF Wright, N. Hastie: gener og vanlige sykdommer. Genetikk i moderne medisin . Cambridge University Press, 2007, ISBN 0-521-83339-6 (engelsk).
  8. I. Bottillo et al .: Funksjonell analyse av spleisemutasjoner i ekson 7 av NF1 -genet . I: BMC Medical Genetics . teip   8 , 2007, PMID 17295913 (engelsk, biomedcentral.com ).
  9. a b B. Górski et al.: Nyttighet av polymorfe markører ved ekskludering av BRCA1 / BRCA2 -mutasjoner i familier med aggregering av bryst- / eggstokkreft . I: J. Appl. Genet. teip   44 , 2003, s.   419-423 , PMID 12923317 (engelsk, poznan.pl [PDF; 43   kB ]).
  10. UniProt O15392
  11. ^ M. Kappler: Molekylær karakterisering av IAP -overlevelsen i bløtvevssarkom. Betydning for prognose og etablering av nye terapistrategier . University of Halle-Wittenberg, 2005 ( uni-halle.de [PDF; 1.4   MB ] avhandling).
  12. AR Carvunis, T. Rolland et al .: Proto-gener og de novo-genet fødsel. I: Naturen. Bind 487, nummer 7407, juli 2012, s. 370-374. doi: 10.1038 / nature11184 , PMID 22722833 , PMC 3401362 (gratis fulltekst).
  13. ^ Eric Lander et al: Genome of the pungdyr Monodelphis domestica avslører innovasjon i ikke-kodende sekvenser , Nature 447, 167-177 (10. mai 2007).
  14. Jorge Ruiz-Orera, Jessica Hernandez-Rodriguez, Cristina Chiva, Eduard Sabidó, Ivanela Kondova: Origins of De Novo Genes in Human and Chimpanzee . I: PLOS Genetics . teip   11 , nei.   12. 31. desember 2015, ISSN 1553-7404 , s.   e1005721 , doi : 10.1371 / journal.pgen.1005721 , PMID 26720152 , PMC 4697840 (gratis tekst) - ( plos.org [åpnet 23. september 2019]).
  15. John K. Colbourne et al.: The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex . In: Science . Vol. 331, Nr.   6017 , 4. Februar 2011, S.   555–561 , doi : 10.1126/science.1197761 .
  16. Mihaela Pertea and Steven L Salzberg (2010): Between a chicken and a grape: estimating the number of human genes . Genome Biology 11:206