Відкриття екзон-інтронів організації еукаріотичних генів і можливості альтернативного сплайсингу показали, що одна і та ж нуклеотидних послідовність первинного транскрипту може забезпечити синтез декількох поліпептидних ланцюгів з різними функціями або їх модифікованих аналогів. Наприклад, в мітохондріях дріжджів є ген box (або cob), що кодує дихальний фермент цитохром b. Він може існувати в двох формах (рис. 3.42). «Довгий» ген, що складається з 6400 п. Н., Має 6 екзонів загальною протяжністю тисячі сто п'ятьдесят п'ять пар основ і 5 интронов. Коротка форма гена складається з 3300 пар основ і має 2 інтрона. Вона фактично є позбавлений перших трьох інтронів «довгий» ген. Обидві форми гена однаково добре експресуються.

Після видалення першого інтрони «довгого» гена box на основі об'єднаної нуклеотидноїпослідовності двох перших екзонів і частини нуклеотидів другого інтрона утворюється матриця для самостійного білка - РНК-матурази (рис. 3.43). Функцією РНК-матурази є забезпечення наступного етапу сплайсингу - видалення другого інтрона з первинного транскрипту і в кінцевому рахунку утворення матриці для цитохрому b.

Іншим прикладом може служити зміна схеми сплайсингу первинного транскрипту, що кодує структуру молекул антитіл у лімфоцитах. Мембранна форма антитіл має на С-кінці довгий «хвіст» амінокислот, який забезпечує фіксацію білка на мембрані. У секретируемой форми антитіл такого хвоста немає, що пояснюється видаленням в ході сплайсингу з первинного транскрипту кодують цю ділянку нуклеотидів.

У вірусів і бактерій описана ситуація, коли один ген може одночасно бути частиною іншого гена або деяка нуклеотидних послідовність ДНК може бути складовою частиною двох різних перекриваються генів. Наприклад, на фізичній карті генома фага ФХ174 (рис. 3.44) видно, що послідовність гена В розташовується всередині гена А, а ген Е є частиною послідовності гена D. Цією особливістю організації генома фага вдалося пояснити існуючу невідповідність між відносно невеликим його розміром (він складається з 5386 нуклеотидів) і числом амінокислотних залишків у всіх білках, що синтезуються, яке перевищує теоретично припустиме при даній ємності генома. Можливість складання різних пептидних ланцюгів на мРНК, синтезованої з перекриваються генів (А і В або Е і D), забезпечується наявністю всередині цієї мРНК ділянок зв'язування з рибосомами. Це дозволяє почати трансляцію іншого пептиду з нової точки відліку.

Нуклеотидная послідовність гена В є одночасно частиною гена А, а ген Е становить частину гена D

У геномі фага λ були також виявлені перекриваються гени, що транслюються як із зсувом рамки, так і в тій же рамці зчитування. Передбачається також можливість транскрибування двох різних мРНК з обох комплементарних ланцюгів однієї ділянки ДНК. Це вимагає наявності промоторних областей, Визначається рух РНК-полімерази в різних напрямках уздовж молекули ДНК.

Описані ситуації, що свідчать про допустимість зчитування різної інформації з однієї і тієї ж послідовності ДНК, дозволяють припустити, що перекриваються гени являють собою досить поширений елемент організації генома вірусів і, можливо, прокаріотів. У еукаріот уривчастість генів також забезпечує можливість синтезу різноманітних пептидів на основі однієї і тієї ж послідовності ДНК.

Маючи на увазі все сказане, необхідно внести поправку в визначення гена. Очевидно, не можна більше говорити про гені як про безперервну послідовності ДНК, однозначно кодує певний білок. Мабуть, в даний час найбільш прийнятною все ж слід вважати формулу «Один ген - один поліпептид», хоча деякі автори пропонують її переінакшити: «Один поліпептид - один ген». У всякому разі, під терміном ген треба розуміти функціональну одиницю спадкового матеріалу, по хімічній природі що є полінуклеотидом і визначальну можливість синтезу поліпептидного ланцюга, тРНК або рРНК.

Один ген один фермент.

У 1940 р Дж. Бідл і Едвард Татум використовували новий підхід для вивчення того, як гени забезпечують метаболізм у більш зручного об'єкта досліджень - у мікроскопічного грибка Neurospora crassa .. Ними були отримані мутації, у яких; була відсутня активність того-чи іншого ферменту метаболізму. А це призводило до того, що мутантний гриб бьл не здатний сам синтезувати певний метаболіт (наприклад, амінокислоту лейцин) і міг жити тільки тоді, коли лейцин був доданий в живильне середовище. Сформульована Дж.Бідлом і Е.Татумом теорія "один ген - один фермент" - швидко отримала широке визнання у генетиків, а самі вони були нагороджені Нобелівською Премією.

Методи. селекції так званих "біохімічних мутацій", що призводять до порушень дії ферментів, що забезпечують різні шляхи метаболізму, виявилися дуже плідними не тільки для науки, але й для практики. Спочатку вони привели до виникнення генетики та селекції промислових мікроорганізмів, а потім і до мікробіологічної промисловості, яка використовує штами мікроорганізмів, понад продукують такі стратегічно важливі речовини, як антибіотики, вітаміни, амінокислоти та ін .. В основі принципів селекції та генної інженерії штамів сверхпродуцентов лежить уявлення, що "один ген кодує один фермент". І хоча це подання відмінно практиці приносить багатомільйонні прибутки і рятує мільйони життів (антибіотики) - воно не є остаточним. Один ген - це не тільки один фермент.

Перші дослідження.Після того як в 1902 р Геррод вказав на зв'язок генетичного дефекту при алкаптонуріі з нездатністю організму розщеплювати гомогентизинової кислоту, важливо було з'ясувати специфічний механізм, що лежить в основі цього порушення. Оскільки тоді вже було відомо, що метаболічні реакції каталізується ферментами, можна було припустити, що саме порушення якогось ферменту призводить до алкаптонуріі. Така гіпотеза обговорювалася Дріш (в 1896 р). Її висловлювали також Холдейн (1920 р, см.) І Геррод (1923 р). Важливими етапами в розвитку біохімічної генетики стали роботи Кюхна і Бутенандт по вивченню забарвлення очей у млинової вогнівки Ephestia kuhniellaі аналогічні дослідження Бідла і Ефруссі на Drosophila(1936). У цих піонерських роботах для з'ясування механізмів дії генів були обрані мутанти комах, вивчені раніше генетичними методами. Однак такий підхід не привів до успіху. Проблема виявилася занадто складною, і щоб розв'язати цю проблему, необхідно було:

1) підібрати простий модельний організм, зручний для експериментального вивчення;

2) шукати генетичну основу біохімічних ознак, а не біохімічну основу генетично детермінованих ознак. Обидва умови були виконані в роботі Бідла і Татум у 1941 році (див. Також Бидл, 1945).

Модель Бідла і Татум. Стаття цих дослідників починалася так:

«З точки зору фізіологічної генетики - розвиток і функціонування організму може бути зведене до складної системи хімічних реакцій, які якимось чином контролюються генами. Цілком логічно припустити, що ці гени ... або самі виступають у ролі ферментів, або визначають їх специфічність. Відомо, що генетики-фізіологи зазвичай намагаються дослідити фізіологічні та біохімічні основи вже відомих спадкових ознак. Цей підхід дозволив встановити, що багато біохімічні реакції контролюються специфічними генами. Такі дослідження показали, що ферменти і гени володіють специфічністю одного порядку. Однак можливості цього підходу обмежені. Найбільш серйозне обмеження полягає в тому, що при цьому в поле зору дослідників потрапляють спадкові ознаки, які не мають летального ефекту і, отже, пов'язані з реакціями, які не дуже істотні для життєдіяльності організму. Друге утруднення ... полягає в тому, що традиційний підхід до проблеми передбачає використання зовні проявляються ознак. Багато з них є морфологічні варіації, засновані на системах біохімічних реакцій, настільки складних, що їх аналіз надзвичайно утруднений.

Подібні міркування привели нас до наступного висновку. вивчення загальної проблеми генетичного контролю біохімічних реакцій, що визначають розвиток і метаболізм, має проводитися за допомогою процедури, протилежної загальноприйнятою:замість того щоб намагатися з'ясувати хімічні основи відомих спадкових ознак, необхідно встановити, забезпечують гени контроль відомих біохімічних реакцій і як вони це роблять.Нейроспори, що відноситься до аскомицетов, має властивості, що дозволяють реалізувати такий підхід і одночасно служить зручним об'єктом для генетичних досліджень. Ось чому наша програма була побудована на використанні саме цього організму. Ми виходили з того, що опромінення рентгеном викликає мутації в генах, що контролюють певні хімічні реакції. Нехай для виживання в даному середовищі організм повинен здійснювати якусь хімічну реакцію, Тоді мутант, позбавлений такої можливості, в цих умовах виявиться нежиттєздатним. Однак його можна підтримувати і вивчати, якщо вирощувати в середовищі, до якої доданий життєво необхідний продукт генетично блокованої реакції ».

4 Дія генів 9

Далі Бидл і Татум призводять опис схеми експерименту (рис. 4.1). До складу повної середовища входив агар, неорганічні солі, солодовий екстракт, дріжджовий екстракт і глюкоза. Мінімальному середовищі містила тільки агар, солі, біотин і джерело вуглецю. Найбільш докладно були досліджені мутанти, які росли на повній середовищі і не росли на мінімальної. Щоб встановити з'єднання, синтез якого порушений у кожного з мутантів, в мінімальний агар вносили окремі компоненти повної середовища.

Таким способом були виділені штами, нездатні синтезувати певні фактори росту: піридоксин, тіамін і парааминобензойную кислоту. Було показано, що ці дефекти обумовлені мутаціями в специфічних локусах. Робота поклала початок численним дослідженням на нейроспори, бактеріях і дріжджах, в яких було встановлено відповідність «генетичних блоків», відповідальних за окремі метаболічні етапи, і специфічних порушень ферментів. Цей підхід дуже швидко перетворився в інструмент, що дозволяє дослідникам розкривати метаболічні шляхи.

Гіпотеза «один ген - один фермент» отримала міцне експериментальне підтвердження. Як показали роботи наступних десятиліть, вона виявилася напрочуд плідною. Аналіз дефектних ферментів і їх нормальних варіантів дозволив незабаром виявити такий клас генетичних порушень, які приводили до зміни функції ферменту, хоча сам білок і раніше виявлявся і зберігав імунологічні властивості. В інших випадках змінювався температурний оптимум активності ферменту. Деякі варіанти можна було пояснити мутацією, що впливає на загальний регуляторний механізм і змінює в результаті активність цілої групи ферментів. Подібні дослідження привели до створення концепції регуляції активності генів у бактерій, яка включала і концепцію оперона.

10 4. Дія генів

Перші приклади ферментативних порушень у людини.Першим спадковим захворюванням людини, для якого вдалося показати ферментативне порушення, була метгемоглобінемія з рецесивним типом успадкування (Гібсон і Харрісон, 1947; Гібсон, 1948) (25080). В цьому випадку пошкодженим ферментом є NADH - залежна метгемоглобін-редуктаза. Перша спроба систематичного вивчення групи захворювань людини, пов'язаних з дефектами метаболізму, була зроблена в 1951 році. При дослідженні хвороби накопичення глікогену подружжя Корі показали, що у восьми з десяти випадків патологічного стану, яке діагностувалося як хвороба Гірке (23220), структура глікогену печінки представляла собою нормальний варіант, а в двох випадках була явно порушена. Було також очевидно, що глікоген печінки, накопичуючись в надлишку, не може бути безпосередньо перетворений в цукор, оскільки у хворих проявляється тенденція до гіпоглікемії. Для розщеплення глікогену з утворенням глюкози в печінці необхідні багато ферментів. Два з них-амило-1,6-глюкозидази та глюкозо6-фосфатаза-були обрані для вивчення як можливі дефектні елементи ферментної системи. У гомогенатах печінки при різних значеннях рН було виміряно звільнення фосфату з глюкозо-6фосфата. Результати представлені на рис. 4.2. У нормальній печінки виявлялася висока активність з оптимумом при рН 6-7. Сильне порушення функції печінки при цирозі корелювало з незначним зменшенням активності. З іншого боку, в разі хвороби Гірке з летальним результатом, активність ферменту виявити взагалі не вдалося; такий же результат був отриманий при обстеженні другого подібного хворого. У двох пацієнтів з менш вираженими симптомами спостерігалося значне зменшення активності.

Було зроблено висновок, що в зазначених випадках хвороби Гірке з летальним результатом мав місце дефект глюкозо-6-фосфатази. Однак в більшості легших випадків активність цього ферменту виявилася не нижче, ніж при цирозі печінки, і лише у двох хворих вона була дещо меншою (рис. 4.2).

На думку подружжя Корі, аномальне накопичення глікогену в м'язовій тканині можна пов'язувати з недоліком глюкозо-6-фосфатази, оскільки в м'язах цей фермент відсутній і в нормі. В якості можливого пояснення глікогенозу м'язів вони припустили порушення активності амило-1,6-глюкозидази. Це пророцтво незабаром підтвердилося: Форбс виявив такий дефект при одному з клінічно виражених випадків хвороби накопичення глікогену з залученням серцевої і скелетних м'язів. зараз нам

4. Дія генів 11

відомо велика кількість ферментативних дефектів при хвороби накопичення глікогену.

Хоча за ступенем прояву різні форми цього захворювання не однакові, в клінічному відношенні між ними багато спільного. За одним винятком, усі вони успадковуються по аутосомнорецессівному типу. Якби ферментативні дефекти не були розкриті, патологія накопичення глікогену розглядалася б як одне захворювання з характерними внутрісімейними корреляциями по тяжкості перебігу, деталей симптоматики і термінів летального результату. Таким чином, перед нами приклад, коли генетична гетерогенність, яку можна було лише припускати на підставі вивчення фенотипу (розд. 3.3.5), підтвердилася при аналізі на біохімічному рівні: дослідження ферментативної активності дозволило ідентифікувати специфічні гени.

У наступні роки темп досліджень в області ферментативних дефектів наростав, і для 588 ідентифікованих рецесивних аутосомних генів, які Мак-Кьюсік описує в шостому виданні своєї книги «Менделівська успадкування у людини» (1983), більш ніж в 170 випадках виявлені специфічні ферментативні порушення. Наші успіхи в цій галузі безпосередньо пов'язані з розвитком концепцій і методів молекулярної генетики.

Деякі етапи вивчення ферментативних порушень у людини.Ми наводимо лише найбільш важливі віхи цього триваючого процесу: 1934 Фёллінг відкрив фенілкетонурію

Тисяча дев'ятсот сорок одна Бидл і Татум сформулювали гіпотезу «один ген - один фермент» +1948 Гібсон описав перший випадок ферментативного порушення при захворюванні у людини (рецесивна метгемоглобінемія)

1 952 Подружжя Корі виявили недостатність глюкозо-6-фосфатази при хворобі Гірке

1953 Джервіс продемонстрував відсутність фенілаланінгідроксилази при фенілкетонурії. Бікеле повідомив про першу спробу пом'якшити ферментативне порушення, застосувавши дієту з низьким вмістом фенілаланіну

1955 Смітіс розробив методику електрофорезу в крохмальної гелі

1956 Карсон і ін. Виявили дефект глюкозо-6-фосфат дегідрогенази (G6PD) в разі індукованої гемолітичної анемії

+1957 Калькар і ін. Описали ферментативну недостатність при галактоземії, показавши, що у людини і бактерій спостерігається ідентичне порушення ферментативної активності

1961 Крут і Вайнберг продемонстрували дефект ферменту при галактоземії in vitro в культурі фібробластів

1 967 Сігміллер і ін. Виявили дефект гипоксантин-гуанін-фосфорібозілтрансферази (HPRT) при синдромі Леша -Найхана

1968 Клівер описав порушення ексцизійної репарації при пігментного ксеродерма

1970 Нейфельд виявив ферментативні дефекти при мукополісахарідозов, що дозволило ідентифікувати шляхи розщеплення мукополісахаридів

Тисяча дев'ятсот сімдесят чотири Браун і Голдстейн довели, що генетично детермінована Суперпродукція гідроксіметілглютарілСоА-редуктази при сімейної гіперхолестеринемії обумовлена \u200b\u200bдефектом локалізованого в мембрані рецептора ліпопротеїнів низької щільності, який модулює активність цього ферменту (HMG)

1 977 Слай і ін. Продемонстрували, що манозу-6-фосфат (як компонент лізосомальнихферментів) впізнається рецепторами фібробластів. Генетичний дефект процесингу перешкоджає зв'язуванню лізосомних ферментів, в результаті порушується їх вихід в цитоплазму і подальша секреція в плазму (I-клітинна хвороба)

12 4. Дія генів

1980 При псевдогіпопаратиреоз виявлений дефект білка, що забезпечує сполучення рецептора і циклази.

»,» Один ген-один фермент

Один ген-один фермент

& Nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp92
Дата публікації: Липень 24, 2018

& Nbsp & nbsp & nbsp & nbsp

Гіпотеза один ген-один фермент - ідея, висунута на початку 1940-х років, що кожен ген контролює синтез або активність одного ферменту. Концепцію, яка об'єднує галузі генетики і біохімії, запропонував американський генетик Джордж Уеллс Бидл і американський біохімік Едвард Л. Татум, які проводили дослідження на Neurospora crassa. Їх експерименти включали в себе спочатку візуалізацію форми до мутационно-индуцирующим рентгенівським променям, А потім її культивування в мінімальному середовищі росту, яка містила тільки основні поживні речовини, необхідні для виживання штаму дикого типу. Вони виявили, що для свого росту мутантні штами цвілі вимагають додавання певних амінокислот. Використовуючи цю інформацію, дослідники змогли зв'язати мутації в певних генах з порушенням окремих ферментів в метаболічних шляхах, Які зазвичай продукували відсутні амінокислоти. Сьогодні відомо, що не всі гени кодують фермент і що деякі ферменти складаються з декількох коротких поліпептидів, що кодуються двома або більше генами.

Це сталося в 1941 році. "Першим генетиком" виявився грибок з романтичною назвою - нейроспори. Правда, красиво звучить? Більше того, нейроспори і на вигляд дуже приваблива. Помістіть міцелій грибка під сильну лупу і милуйтеся: тонке прозоре мереживо ... Можна годинами розглядати виріс в пробірці грибок, захоплюючись досконалим створенням природи. Тільки американські генетики Бидл і Татум дивилися на нього як дослідники, а не як домашні натурфілософи. Вчені в тонкощах дізналися будова грибка, щоб змусити його працювати на генетику. І ось що радувало. Нейроспори - гаплоїдний організм. У неї всього 7 хромосом, і в звичайному житті в міцелії грибка немає клітин з подвійним набором. Це означає, що якщо у грибка виникне мутантний ген, то наслідки цього проявляться дуже скоро - адже другого-то гена, домінантного, у нейроспори немає!

Але це ще не все. У нейроспори можна виявити ... статеву стадію розвитку. У якийсь момент життя в міцелії грибка з'являються особливі, "жіночі" клітини. Вони, подібно до всіх клітин міцелію, гаплоидни, але на відміну від них здатні зливатися з будь-якою іншою клітиною, яка таким чином грає роль "чоловічий". Так виникає диплоидная клітина з подвійним набором хромосом. Їх тепер - 14.

Спочатку ядра у такий клітини не зливаються, і вона кілька разів ділиться мітотично, утворюючи в міцелії острівець диплоїдних клітин. До речі, може бути, цей острівець і є "чорновий варіант" природи при створенні багатоклітинного диплоидного організму тварин і рослин?

Але ось в одній з диплоїдних клітин ядра зливаються. При цьому в ядрі відбувається процес кросинговеру і редукційний розподіл. Словом, клітка здійснює два ділення мейозу, після чого утворюються чотири гаплоїдні клітини. Вони розташовуються в оболонці точно в ряд, як солдати в строю. Потім кожна клітина ділиться мітотично ще раз, і на цьому справа закінчується. В результаті утворюється 8 клітин (їх називають аскоспори), які одягаються оболонкою.

А тепер уявімо собі, що з одним з генів материнської клітини трапилася "біда" - він став мутантом. Після кросинговеру, який відбудеться слідом за злиттям ядер, розвинуться дві гібридні клітини, і в одну з них потрапить мутантний ген. Така клітина теж дасть потомство-чотири аскоспори. У сумці будуть два генетично різних типи аскоспор. Як же дізнатися, чи є серед них мутантів? Саме цим займалися Бидл і Татум. Вони навчилися вибирати аскоспори з сумки і садити їх по одній на живильне середовище. З кожної аскоспори після цілого циклу мітотичних поділів виростає міцелій - прямий її нащадок. Якщо порівняти властивості мицелиев від різних аскоспор, можна виділити серед них мутантів і нормальні.

Тут треба сказати ще про одне чудове як нейроспори.

Вона - вкрай невибаглива і прекрасно росте на бідній живильними речовинами, так званої "мінімальної", або "голодною" середовищі (кілька неорганічних солей, глюкоза, нітрат амонію і вітамін біотин). З цих продуктів нормальний грибок синтезує всі потрібні йому амінокислоти, білки, вуглеводи і вітаміни, крім біотину.

Але ось по одному з генів вчені "вдарили" ультрафіолетовими або рентгеновимі променями, і він став мутантом. Якщо з ним була пов'язана здатність синтезувати будь-яку життєво важливу амінокислоту, це негайно виявиться: деякі аскоспори - нащадки жіночої клітини перестануть рости на голодної середовищі. І не треба чекати сотень поколінь грибка. Адже другого-то гена, компенсуючого порушену функцію, у аскоспори немає: її потомство, як ми вже говорили, гаплоидное, тобто містить тільки один набір хромосом.

Залишилося дізнатися, яка саме життєво необхідна функція вражена. Бідл і Татум вирішили додавати до голодної середовищі різні амінокислоти, вітаміни, солі і т. Д. Черзі і садити туди цілі стада аскоспор. Нарешті! Одна з аскоспор проросла на голодної середовищі з аргініном, інша - на середовищі з триптофаном. Значить, перша не росла тому, що була не в змозі створити жодної молекули аргініну, друга - триптофану. Причина тільки одна - на хромосомі аскоспори вражений ген, "завідувач" синтезом триптофану. Приблизно таким шляхом Бидл і Татум знайшли 380 мутантів (!), Які несли мутацію в 100 окремих генах, що контролюють життєво важливі біохімічні реакції.

І ось що цікаво. Для кожного гена вдалося знайти по кілька мутантів. Так, на ген, відповідальний за синтез триптофану, довелося 30 мутантів. А чи всі вони однакові? У всіх чи здатність синтезувати триптофан порушена в одному місці гена? Щоб відповісти на це питання, вчені схрестили один з одним все 30 мутантів.

У цих дослідах мутанти розподілилися на дві групи. Мутанти першої групи взаємно доповнювали мутантів другої групи при кроссинговере. В результаті серед аскоспор знаходили рекомбинантов "дикого" * типу, що синтезують триптофан. Це означає, що в синтезі триптофану повинні брати участь два гена: у мутантів першої групи вражений один ген, у мутантів другої групи - інший. Але що контролюють ці гени?

* (Так називають тип, незмінений мутаціями, найбільш часто зустрічається в природних умовах.)

Мутанти обох груп росли, якщо замість триптофану додавали серії і індол, при цьому в середовищі з'являвся триптофан. Значить, все мутанти могли перетворювати індол і серії в триптофан. Звідси висновок: індол і серії - попередники триптофану в ланцюзі його біосинтезу в живій клітині.

Це припущення підтвердилося, коли виявили мутант, у якого була блокована саме ця функція. Він не виробляв ферменту триптофансинтетази, який є у дикій нейроспори.

Мутанти першої групи були також здатні синтезувати речовину, що стимулювало зростання мутантів другої групи. Цією речовиною виявилася антранілова кислота, яка, мабуть, виконує функцію попередника індолу. Значить, у мутантів першої групи порушена реакція перетворення антраниловой кислоти в індол, а мутанти другої групи не можуть синтезувати антранілову кислоту, але здатні перетворити її в індол.

На підставі цих даних був відкритий спосіб синтезу триптофану в живих клітинах: антранілова кислота перетворюється в індол. Індол з'єднується з серином і під впливом ферменту триптофансинтетази перетворюється в триптофан. У синтезі триптофану бере участь не менше трьох генів, кожен з них відповідає за вироблення ферментів. Ці гени можна картировать на хромосомі нейроспори в реакціях схрещування.

Так в 1941 році вперше в історії природознавства вчені знайшли на хромосомі гени, відповідальні за синтез білків - ферментів. Бідл і Татум сформулювали висновки своїх досліджень так: "Один ген - один фермент". Передбачається, що гени клітини контролюють синтез всіх її ферментів, які каталізують реакції обміну, причому кожен ген контролює тільки один фермент.

Якщо вдуматися, можна собі уявити, що рамки цієї гіпотези набагато ширше, ніж випливає з її назви. Справді. Ми знаємо, що все ферменти - білки. Але ж, крім ферментів, в організмі є білки-неферменти. Це гемоглобін, антитіла та інші. Де закладена інформація для їх синтезу? Теж в хромосомних генах. Ось чому гіпотеза "Один ген - один фермент" тепер звучить так: "Один ген - один білок", або навіть: "Один ген - одна гюліпептідная ланцюг".

До 1941 року генетика і біохімія були відокремленими науками, і кожна в силу своїх можливостей намагалася знайти ключ до таємниць життя: генетики відкрили гени, біохімікі- ферменти. Досліди американських вчених Бідла, Татум і Бреннера зв'язали воєдино ці дві одиниці життя і поклали початок співдружності генетики і біохімії, а разом з тим і такого прогресу знань, рівного якому не було в усій історії біології. Ген постав як конкретна одиниця, яка контролює синтез конкретного білка. Це був якісно новий рівень досліджень.

Досліди з нейроспори окрилили вчених, але все-таки ще вимагали відповіді питання: що таке ген? З якої речовини він побудований? Як він регулює синтез білка?

Генетика розгадала ці ребуси природи тільки після того, як стала вести пошук в царстві бактерій. Але перш ніж почати розповідь про нових героїв генетичних експериментів, треба, нарешті, ближче познайомитися з ними.

генетика - наука аж ніяк не молода, дослідження в ній ведуться протягом кількох століть, починаючи з Менделя в 1865 р і до наших днів. Термін «ген» для позначення одиниці спадкової характеристики вперше запропонував Johannsen в 1911 р, а в 1940-і роки був уточнений концепцією «один ген - один фермент», яку запропонували Tatum і Beadle.

Це положення визначено в експериментах на мухах-дрозофилах, але в рівній мірі поширюється і па людини; в кінцевому підсумку життя всіх істот визначається їх ДНК. Молекула ДНК у людини більше, ніж у всіх інших організмів, і вона влаштована складніше, але суть її функцій однакова у всіх живих істот.

концепція « один ген - один фермент», Що виникла на основі ідей Tatum і Beadle, може бути сформульована таким чином:
1. Всі біологічні процеси знаходяться під генетичним контролем.
2. Всі біохімічні процеси відбуваються в вигляді поетапних реакцій.
3. Кожна біохімічна реакція в кінцевому рахунку знаходиться під контролем різних окремих генів.
4. Мутація в певному гені веде до зміни здатності клітини до здійснення певної хімічної реакції.

З тих пір концепція «один ген - один фермент» кілька розширилася, і звучить тепер як « один ген - один білок». Крім того, останні дослідження свідчать, що деякі гени діють в співдружності з іншими, в результаті чого утворюються унікальні білки, т. Е. Деякі гени можуть кодувати більше одного білка.

геном людини містить близько 3 млрд нуклеотидних пар; вважають, що в ньому міститься від 50 000 до 100 000. Після розшифровки генома з'ясувалося, що генів всього близько 30 000. Взаємодія цих генів набагато складніше, ніж передбачалося. Гени зашифровані в нитках ДНК, які в комплексі з певними ядерними білками формують хромосоми.

гени - не просто відрізки ДНК: їх утворюють кодують послідовності - екзонів, що перемежовуються з некодуючими послідовностями - нітроном. Екзонів як експресуються частину ДНК складають лише малу частину найголовнішою молекули організму; велика частина її НЕ експресується, утворена нітроном і часто називається «мовчить» ДНК.

Зразкові розмір і структура людського генома представлені на малюнку нижче. Функціональна довжина людської хромосоми виражається в сантіморганідах. Сантіморганіда (сМ) - відстань, на протязі якого ймовірність кросинговеру протягом мейозу становить 1%. Аналіз зчеплення генів показав, що тривалість людського генома близько 3000 сМ.

Середня хромосома містить приблизно 1500 генів, зашифрованих в 130 млн пар нуклеотидних основ. На малюнку нижче схематично представлені фізичний і функціональний розміри генома: перший розрахований в нуклеотидних парах, а другий - в сМ. Велика частина людського генома представлена \u200b\u200b«мовчить» ДНК і не експресується.

на матриці ДНК в результаті процесу транскрипції синтезується РНК, а потім - білок. Отже, послідовність ДНК повністю визначає послідовність функціональних білків клітини. Всі білки синтезуються в такий спосіб:
ДНК \u003d\u003e РНК \u003d\u003e білок

Генетичний апарат людини та інших ссавців влаштовано складніше, ніж у інших живих організмів, т. К. Ділянки деяких генів у ссавців можуть об'єднуватися з частинами інших генів, В результаті чого синтезується абсолютно новий білок чи контролюється окрема клітинна функція.

Отже, у людини можливе підвищення числа експресуються генів без дійсного збільшення обсягу Експресується ДНК або абсолютного числа генів.
В цілому близько 70% всього генетичного матеріалу не експресуються.