Строение гена у про- и эукариот
Первоначально предполагалось, что ген является неделимой, целостной единицей. В целом ген подвергается мутациям, рекомбинациям и выполняет основную функцию – кодирование белка. Однако оказалось, что ген дискретен.
Наиболее четко дискретность гена была изучена американским генетиком С. Бензером на примере исследований тонкой структуры генов фага Т4 кишечной палочки. Им было показано, что ген может быть разделен кроссинговером на множество частей. Дискретная организация генов была установлена и у эукариот.
В конце 50-х годов Бензер предполагал, что ген одновременно является целостной и дискретной единицей. При выполнении основной функции – программировании синтеза белка – ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает изменение структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал цистроном. По величине он примерно равен гену.
Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа мутоном, а единица рекомбинации – реконом. Минимальные размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются сайт. Таким образом, сайт – это структурная единица гена. Кодон – функциональная единица гена (единица генетического кода, три нуклеотидных остатка (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты в полипептид).
Размеры генов различны. Средний размер гена у человека составляет около 27 тысяч пар нуклеотидов. Самые короткие гены содержат всего два десятка нуклеотидов, например, гены эндорфинов – белков, вызывающих ощущение удовольствия. Гены интерферонов – белков, защищающих человека от вирусных инфекций, имеют размер около 700 пар нуклеотидов. Самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц – миодистрофин, содержит 2,5 миллиона пар нуклеотидов.
Вплоть до конца 70-х годов полагали, что гены существуют в виде целого отрезка ДНК. Однако в 1977 г. было показано, что у аденовируса некоторые гены существуют не в виде целого отрезка ДНК, а в виде фрагментов, распределенных вдоль генома.
Последовательность нуклеотидов, составляющая мозаичный ген, вначале переписывается в молекулу про-и-РНК, которая является своего рода предшественником и-РНК
Участки, несущие информацию, названы экзонами, а не содержащие ее – интронами. Например, ген цепи β-глобулина человека включает в себя 3 экзона и 2 интрона: ген постоянного участка тяжелой цепи иммуноглобулинов мыши содержит 4 экзона и 4 интрона.
Затем про-и-РНК подвергается процессингу и сплайсингу. После этого получается и-РНК, готовая для последующей транскрипции. Окончательного объяснения факта существования интронов пока не найдено. Допускается, что в момент образования и-РНК из про-и-РНК может иметь место различное соединение экзонов друг с другом, что приведет к синтезу различных белков. Возможно, интроны служат материалом для образования новых генов в процессе эволюции. Показано, что мутации интронов могут нарушать процесс сплайсинга, останавливать синтез белка и изменять его структуру.
Центральная догма молекулярной биологии: один ген – один фермент и ее современная трактовка.
В сороковые годы Д. Бидл и Э. Татум выдвинули гипотезу: «Один ген – один фермент». Сегодня, несколько изменив первоначальную формулировку можно сказать: «Один ген – один белок или один ген – один полипептид». Хотя эта концепция сохраняет свое значение и по сей день, она уже недостаточно современная, т.к. известно, что существуют белки, которые кодируются генами, распределенными вдоль всего генома. Молекула ДНК (гена) выполняет различные функции. В ней имеются не только нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию, но и такие, которые контролируют экспрессию (проявление) генов и репликацию.