Gene - Gene

Imaginea de mai sus conține linkuri care pot fi făcute clic
O genă este o regiune a ADN-ului care codifică funcția. Un cromozom este format dintr-un fir lung de ADN care conține multe gene. Un cromozom uman poate avea până la 500 de milioane de perechi de baze de ADN cu mii de gene.

In biologie , o genă ( de la genos ( greacă ) , însemnând generație sau naștere sau gen ) este o unitate de bază a eredității și o secvență de nucleotide în ADN - ul care codifică sinteza unui produs al genei , fie ARN sau proteină .

În timpul expresiei genice , ADN-ul este copiat mai întâi în ARN . ARN-ul poate fi direct funcțional sau poate fi șablonul intermediar pentru o proteină care îndeplinește o funcție. Transmiterea genelor la descendenții unui organism este baza moștenirii trăsăturilor fenotipice . Aceste gene alcătuiesc diferite secvențe de ADN numite genotipuri . Genotipurile împreună cu factorii de mediu și de dezvoltare determină care vor fi fenotipurile. Cele mai multe trăsături biologice sunt sub influența poligenelor (multe gene diferite), precum și a interacțiunilor genă-mediu . Unele trăsături genetice sunt vizibile instantaneu, cum ar fi culoarea ochilor sau numărul de membre, iar altele nu sunt, cum ar fi grupa sanguină , riscul de boli specifice sau mii de procese biochimice de bază care constituie viața .

Genele pot dobândi mutații în secvența lor, ducând la diferite variante, cunoscute sub numele de alele , în populație . Aceste alele codifică versiuni ușor diferite ale unei proteine, care provoacă trăsături fenotipice diferite . Utilizarea termenului „având o genă” (de exemplu, „gene bune”, „genă a culorii părului”) se referă de obicei la conținerea unei alele diferite a aceleiași gene partajate. Genele evoluează datorită selecției / supraviețuirii naturale a celei mai potrivite și a derivei genetice a alelelor.

Conceptul de genă continuă să fie rafinat pe măsură ce sunt descoperite noi fenomene. De exemplu, regiunile de reglementare ale unei gene pot fi departe de regiunile sale de codificare , iar regiunile de codificare pot fi împărțite în mai mulți exoni . Unii viruși își stochează genomul în ARN în loc de ADN, iar unele produse genetice sunt ARN funcționale necodificatoare . Prin urmare, o definiție de lucru largă și modernă a unei gene este orice locus discret al secvenței genomice ereditare care afectează trăsăturile unui organism prin exprimarea ca produs funcțional sau prin reglarea expresiei genelor .

Termenul genă a fost introdus de botanistul , fiziologul și geneticianul danez Wilhelm Johannsen în 1909. Este inspirat din vechea greacă : γόνος, gonos , care înseamnă descendenți și procreație.

Istorie

Fotografie a lui Gregor Mendel
Gregor Mendel

Descoperirea unităților moștenite discrete

Existența unor unități moștenite discrete a fost sugerată pentru prima dată de Gregor Mendel (1822–1884). Din 1857 până în 1864, la Brno , Imperiul Austriei (Republica Cehă de astăzi), a studiat tiparele de moștenire la 8000 de plante de mazăre comestibile comune , urmărind trăsături distincte de la părinte la descendenți. El le-a descris matematic ca fiind 2 n  combinații unde n este numărul de caracteristici diferite din mazărea originală. Deși nu a folosit termenul de genă , el și-a explicat rezultatele în termeni de unități moștenite discrete care dau naștere la caracteristici fizice observabile. Această descriere a prefigurat distincția lui Wilhelm Johannsen între genotip (materialul genetic al unui organism) și fenotip (trăsăturile observabile ale acelui organism). Mendel a fost, de asemenea, primul care a demonstrat un sortiment independent , distincția dintre trăsăturile dominante și recesive , distincția dintre un heterozigot și homozigot și fenomenul moștenirii discontinue.

Înainte de lucrarea lui Mendel, teoria dominantă a eredității era una a amestecării moștenirii , care sugerează că fiecare părinte a contribuit cu lichide la procesul de fertilizare și că trăsăturile părinților s-au amestecat și s-au amestecat pentru a produce descendenții. Charles Darwin a dezvoltat o teorie a moștenirii pe care a numit-o pangeneză , din greaca pan („toate, întregi”) și geneză („naștere”) / genos („origine”). Darwin a folosit termenul gemmule pentru a descrie particule ipotetice care s-ar amesteca în timpul reproducerii.

Opera lui Mendel a trecut în mare parte neobservată după prima sa publicare în 1866, dar a fost redescoperită la sfârșitul secolului al XIX-lea de Hugo de Vries , Carl Correns și Erich von Tschermak , care (susțineau că au ajuns) la concluzii similare în propriile lor cercetări. Mai exact, în 1889, Hugo de Vries și-a publicat cartea Pangeneza intracelulară , în care postulează că diferite personaje au purtători ereditari individuali și că moștenirea trăsăturilor specifice din organisme vine în particule. De Vries a numit aceste unități „pangene” ( Pangens în germană), după teoria pangenezei din 1868 a lui Darwin.

Douăzeci de ani mai târziu, în 1909, Wilhelm Johannsen a introdus termenul „genă”, iar în 1906, William Bateson , cel de „ genetică ”, în timp ce Eduard Strasburger , printre altele, folosea încă termenul „pangene” pentru unitatea fizică și funcțională fundamentală a eredității. .

Descoperirea ADN-ului

Progresele în înțelegerea genelor și a moștenirii au continuat pe tot parcursul secolului al XX-lea. Acidul dezoxiribonucleic (ADN) s-a dovedit a fi depozitul molecular al informațiilor genetice prin experimente din anii 1940 - 1950. Structura ADN-ului a fost studiată de Rosalind Franklin și Maurice Wilkins folosind cristalografia cu raze X , ceea ce i-a determinat pe James D. Watson și Francis Crick să publice un model al moleculei de ADN dublu catenar ale cărui baze de nucleotide pereche indicau o ipoteză convingătoare pentru mecanismul replicarea genetică.

La începutul anilor 1950, punctul de vedere predominant era că genele unui cromozom acționau ca niște entități discrete, indivizibile prin recombinare și aranjate ca niște margele pe un șir. Experimentele lui Benzer folosind mutanți defecți în regiunea rII a bacteriofagului T4 (1955-1959) au arătat că genele individuale au o structură liniară simplă și sunt probabil să fie echivalente cu o secțiune liniară a ADN-ului.

În mod colectiv, acest corp de cercetare a stabilit dogma centrală a biologiei moleculare , care afirmă că proteinele sunt traduse din ARN , care este transcris din ADN . De atunci s-a demonstrat că această dogmă are excepții, cum ar fi transcrierea inversă în retrovirusuri . Studiul modern al geneticii la nivelul ADN-ului este cunoscut sub numele de genetică moleculară .

În 1972, Walter Fiers și echipa sa au fost primii care au determinat secvența unei gene: cea a proteinei de acoperire a bacteriofagului MS2 . Dezvoltarea ulterioară a secvențierii ADN - ului de terminare a lanțului în 1977 de către Frederick Sanger a îmbunătățit eficiența secvențierii și a transformat-o într-un instrument de laborator de rutină. O versiune automată a metodei Sanger a fost utilizată în fazele timpurii ale proiectului genomului uman .

Sinteza modernă și succesorii ei

Teoriile dezvoltate la începutul secolului al XX-lea pentru a integra genetica mendeliană cu evoluția darwiniană se numesc sinteza modernă , termen introdus de Julian Huxley .

Biologii evoluționiști au modificat ulterior acest concept, cum ar fi George C. Williams , " vedere din gena-centrică a evoluției . El a propus un concept evolutiv al genei ca unitate de selecție naturală cu definiția: „ceea ce segregează și recombină cu o frecvență apreciabilă”. În această perspectivă, gena moleculară se transcrie ca unitate, iar gena evoluționară moștenește ca unitate. Ideile conexe care subliniază centralitatea genelor în evoluție au fost popularizate de Richard Dawkins .

Baza moleculară

Diagrama structurii chimice a ADN care arată modul în care helica dublă constă din două lanțuri de coloană vertebrală zahăr-fosfat cu baze îndreptate spre interior și în mod specific asocierea bazelor A la T și C la G cu legături de hidrogen.
Structura chimică a unui fragment de perechi patru baze a unui ADN dublu helix . De zahar - fosfat Lanțurile de coloana vertebrală rula în direcții opuse cu bazele îndreptat spre interior, împerecherea de bază A la T și C la G , cu legături de hidrogen .

ADN

Marea majoritate a organismelor își codifică genele în fire lungi de ADN (acid dezoxiribonucleic). ADN-ul este format dintr-un lanț format din patru tipuri de subunități nucleotidice , fiecare compus din: un zahăr cu cinci atomi de carbon ( 2-dezoxiriboză ), o grupare fosfat și una dintre cele patru baze adenină , citozină , guanină și timină .

Două lanțuri de ADN se răsucesc unul în jurul celuilalt pentru a forma o dublă spirală ADN cu coloana vertebrală fosfat-zahăr spiralată în jurul exteriorului, iar bazele îndreptate spre interior cu asocierea bazelor adeninei la timină și guanină la citozină. Specificitatea împerecherii bazelor apare deoarece adenina și timina se aliniază pentru a forma două legături de hidrogen , în timp ce citozina și guanina formează trei legături de hidrogen. Prin urmare, cele două fire dintr-o spirală dublă trebuie să fie complementare , cu succesiunea lor de baze potrivită astfel încât adeninele unei fire să fie împerecheate cu timinele celeilalte fire și așa mai departe.

Datorită compoziției chimice a reziduurilor de pentoză a bazelor, catenele ADN au direcționalitate. Un capăt al unui polimer ADN conține o grupare hidroxil expusă pe dezoxiriboză ; aceasta este cunoscută sub numele de capătul 3 ' al moleculei. Celălalt capăt conține o grupare fosfat expusă ; acesta este sfârșitul 5 ' . Cele două fire ale unei spirale duble rulează în direcții opuse. Sinteza acidului nucleic, inclusiv replicarea și transcrierea ADN-ului are loc în direcția 5 '→ 3', deoarece noi nucleotide sunt adăugate printr-o reacție de deshidratare care folosește hidroxilul 3 'expus ca nucleofil .

Expresia genelor codificate in ADN - ul incepe prin transcriind gena in ARN , un al doilea tip de acid nucleic care este foarte similar cu ADN - ul, dar a căror monomeri conțin zahăr riboză , mai degrabă decât deoxiriboză . ARN conține, de asemenea, baza uracil în locul timinei . Moleculele de ARN sunt mai puțin stabile decât ADN-ul și sunt de obicei monocatenare. Genele care codifică proteinele sunt compuse dintr-o serie de secvențe de trei nucleotide numite codoni , care servesc drept „cuvinte” în „limbajul” genetic. Codul genetic specifica corespondenta in timpul translația proteinelor între codonii și aminoacizi . Codul genetic este aproape același pentru toate organismele cunoscute.

Cromozomi

O imagine de microscopie a 46 de cromozomi cu dungi roșii și verzi
Imagine de microscopie fluorescentă a unui cariotip feminin uman , prezentând 23 de perechi de cromozomi. ADN-ul este colorat în roșu, cu regiuni bogate în gene menajere colorate în continuare în verde. Cei mai mari cromozomi sunt de aproximativ 10 ori mai mari decât cei mai mici.

Complementul total de gene dintr-un organism sau celulă este cunoscut sub numele de genomul său , care poate fi stocat pe unul sau mai mulți cromozomi . Un cromozom este format dintr-o singură helică ADN foarte lungă pe care sunt codificate mii de gene. Regiunea cromozomului la care se află o anumită genă se numește locus . Fiecare locus conține o alelă a unei gene; cu toate acestea, membrii unei populații pot avea alele diferite la locus, fiecare cu o secvență genetică ușor diferită.

Majoritatea genelor eucariote sunt stocate pe un set de cromozomi mari, liniari. Cromozomii sunt împachetați în nucleu în complex cu proteine ​​de stocare numite histone pentru a forma o unitate numită nucleozom . ADN-ul ambalat și condensat în acest mod se numește cromatină . Modul în care ADN-ul este stocat pe histone, precum și modificările chimice ale histonei în sine, reglementează dacă o anumită regiune a ADN-ului este accesibilă pentru exprimarea genelor . În plus față de gene, cromozomii eucariote conțin secvențe implicate în asigurarea faptului că ADN-ul este copiat fără degradarea regiunilor finale și sortat în celule fiice în timpul diviziunii celulare: originile replicării , telomerii și centromerul . Originile de replicare sunt regiunile secvenței în care replicarea ADN este inițiată pentru a face două copii ale cromozomului. Telomerii sunt întinderi lungi de secvențe repetitive care acoperă capetele cromozomilor liniari și previn degradarea regiunilor de codificare și reglare în timpul replicării ADN-ului . Lungimea telomerilor scade de fiecare dată când genomul este reprodus și a fost implicat în procesul de îmbătrânire . Centromerul este necesar pentru legarea fibrelor fusului pentru a separa cromatidele surori în celule fiice în timpul diviziunii celulare .

Procariotele ( bacterii și arhee ) își depozitează genomul de obicei pe un singur cromozom circular mare . În mod similar, unele organite eucariote conțin un cromozom circular rămase cu un număr mic de gene. Procariotele își completează uneori cromozomul cu cercuri mici suplimentare de ADN numite plasmide , care de obicei codifică doar câteva gene și sunt transferabile între indivizi. De exemplu, genele pentru rezistența la antibiotice sunt de obicei codificate pe plasmide bacteriene și pot fi transmise între celule individuale, chiar și cele de specii diferite, prin transfer orizontal de gene .

În timp ce cromozomii procariotelor sunt relativ genici, cei ai eucariotelor conțin deseori regiuni ale ADN-ului care nu îndeplinesc nicio funcție evidentă. Eucariotele simple unicelulare au cantități relativ mici de astfel de ADN, în timp ce genomurile organismelor multicelulare complexe , inclusiv ale oamenilor, conțin majoritatea absolută a ADN-ului fără o funcție identificată. Acest ADN a fost adesea denumit „ ADN junk ”. Cu toate acestea, analize mai recente sugerează că, deși ADN-ul care codifică proteinele reprezintă abia 2% din genomul uman , aproximativ 80% din bazele din genom pot fi exprimate, astfel încât termenul „ADN junk” poate fi un nume greșit.

Structura și funcția

Structura

Imaginea de mai sus conține linkuri care pot fi făcute clic
Structura unei gene eucariote care codifică proteinele. Secvența de reglementare controlează când și unde apare expresia pentru regiunea de codificare a proteinelor (roșu). Regiunile promotor și amplificator (galben) reglează transcrierea genei într-un pre-ARNm care este modificat pentru a elimina intronii (gri deschis) și se adaugă un capac de 5 'și coadă poli-A (gri închis). ARNm 5 ' și 3' regiuni netraduse (albastru) reglează translația în produsul proteic final.

Structura unei gene este format din mai multe elemente ale căror efective secvența de codificare a proteinei este adesea doar o mică parte. Acestea includ regiuni ADN care nu sunt transcrise, precum și regiuni netraduse ale ARN-ului.

Flancând cadrul deschis de citire, genele conțin o secvență de reglementare care este necesară pentru exprimarea lor. În primul rând, genele necesită o secvență promotor . Promotorul este recunoscut și legat de factori de transcripție care recrutează și ajută ARN polimeraza să se lege la regiune pentru a iniția transcripția. Recunoașterea apare de obicei ca o secvență consens ca caseta TATA . O genă poate avea mai mult de un promotor, rezultând ARN-uri mesager ( ARNm ) care diferă în ce măsură se extind în capătul 5 '. Genele foarte transcrise au secvențe promotore „puternice” care formează asociații puternice cu factorii de transcripție, inițind astfel transcrierea la o rată ridicată. Alte gene au promotori „slabi” care formează asociații slabe cu factorii de transcripție și inițiază transcrierea mai rar. Regiunile promotoare eucariote sunt mult mai complexe și mai greu de identificat decât promotorii procariote .

În plus, genele pot avea regiuni de reglare, multe kilobaze în amonte sau în aval de cadrul de citire deschis, care modifică expresia. Acestea acționează prin legarea la factorii de transcripție care determină apoi ADN-ul să se bucle astfel încât secvența reglatoare (și factorul de transcripție legat) să devină aproape de situsul de legare a ARN polimerazei. De exemplu, amplificatorii cresc transcripția prin legarea unei proteine activatoare care apoi ajută la recrutarea ARN polimerazei la promotor; invers, silențioarele leagă proteinele represoare și fac ADN-ul mai puțin disponibil pentru ARN polimeraza.

Transcrise pre-ARNm conține netraduse la ambele capete , care conțin situsuri de legare pentru ribozomi , proteine ARN-legare , Mirna , precum și terminator , și începe să și codoni stop . În plus, majoritatea cadrelor de citire deschise eucariote conțin introni netraduși , care sunt eliminați și exoni , care sunt conectați împreună într-un proces cunoscut sub numele de splicing ARN . În cele din urmă, capetele transcrierilor genetice sunt definite prin situri de scindare și poliadenilare (CPA) , unde pre-ARNm nou produs se scindează și se adaugă un șir de ~ 200 adenozină monofosfați la capătul 3 '. Poli (A) coadă protejează ARNm matur de degradare și are alte funcții, care afectează traducerea, localizarea și transportul transcriptului din nucleu. Împletirea, urmată de CPA, generează ARNm matur final , care codifică proteina sau produsul ARN. Deși sunt cunoscute mecanismele generale care definesc locațiile genelor umane, identificarea factorilor exacți care reglementează aceste procese celulare este o zonă de cercetare activă. De exemplu, caracteristicile secvenței cunoscute în 3'-UTR pot explica doar jumătate din toate capetele genei umane.

Multe gene procariote sunt organizate în operoni , cu mai multe secvențe de codificare a proteinelor care sunt transcrise ca o unitate. Genele dintr-un operon sunt transcrise ca un ARN mesager continuu , denumit ARNm policistronic . Termenul cistron în acest context este echivalent cu gena. Transcrierea mARN-ului unui operon este adesea controlată de un represor care poate apărea într-o stare activă sau inactivă în funcție de prezența unor metaboliți specifici. Când activă, se leagă de represor la o secvență de ADN de la începutul operonului, numit regiunea operatorului , și supresează transcriere a operonului ; când represorul este inactiv se poate produce transcrierea operonului (vezi de exemplu operonul Lac ). Produsele genelor de operon au de obicei funcții conexe și sunt implicate în aceeași rețea de reglementare .

Definiții funcționale

Este dificil să se definească exact ce secțiune dintr-o secvență de ADN cuprinde o genă. Regiunile de reglementare ale unei gene, cum ar fi amplificatorii , nu trebuie neapărat să fie aproape de secvența de codificare a moleculei liniare, deoarece ADN-ul care intervine poate fi blocat pentru a aduce gena și regiunea sa de reglare în proximitate. În mod similar, intronii unei gene pot fi mult mai mari decât exonii săi. Regiunile de reglementare pot fi chiar pe cromozomi complet diferiți și pot funcționa în trans pentru a permite regiunilor de reglare de pe un cromozom să intre în contact cu genele țintă de pe alt cromozom.

Lucrările timpurii în genetică moleculară au sugerat conceptul că o genă produce o proteină . Acest concept (numit inițial ipoteza unei gene-o enzimă ) a apărut dintr-o influentă lucrare din 1941 a lui George Beadle și Edward Tatum privind experimentele cu mutanți ai ciupercilor Neurospora crassa . Norman Horowitz , un coleg timpuriu la cercetarea Neurospora , a amintit în 2004 că „aceste experimente au fondat știința a ceea ce Beadle și Tatum au numit genetica biochimică . În realitate, ei s-au dovedit a fi pistolul de deschidere în ceea ce a devenit genetică moleculară și toate evoluțiile care au urmat din aceasta. ” Conceptul de proteină genă-una a fost rafinat de la descoperirea genelor care pot codifica mai multe proteine ​​prin splicing alternativ și secvențe de codificare împărțite în secțiune scurtă de-a lungul genomului ale cărui ARNm sunt concatenate prin trans-splicing .

O definiție operațională largă este uneori utilizată pentru a cuprinde complexitatea acestor fenomene diverse, în care o genă este definită ca o uniune de secvențe genomice care codifică un set coerent de produse funcționale potențial suprapuse. Această definiție clasifică genele după produsele lor funcționale (proteine ​​sau ARN), mai degrabă decât locurile ADN specifice, cu elemente de reglementare clasificate ca regiuni asociate genelor .

Suprapunerea între gene

De asemenea, este posibil ca genele să se suprapună cu aceeași secvență de ADN și să fie considerate gene distincte, dar suprapuse . Definiția actuală a unei gene suprapuse este diferită între eucariote, procariote și viruși. În eucariote, acestea au fost definite recent ca „când cel puțin o nucleotidă este împărțită între limitele exterioare ale transcrierilor primare a două sau mai multe gene, astfel încât o mutație a bazei ADN la punctul de suprapunere ar afecta transcrierile tuturor genelor implicate în suprapune." În procariote și viruși, acestea au fost definite recent ca „atunci când secvențele de codificare a două gene împărtășesc o nucleotidă fie pe aceleași catene sau opuse”.

Expresia genelor

În toate organismele, sunt necesari doi pași pentru a citi informațiile codificate în ADN-ul unei gene și pentru a produce proteina pe care o specifică. În primul rând, ADN-ul genei este transcris în ARN mesager ( ARNm ). În al doilea rând, că ARNm se traduce în proteine. Genele care codifică ARN trebuie să treacă în continuare prin primul pas, dar nu sunt traduse în proteine. Procesul de producere a unei molecule funcționale din punct de vedere biologic, fie de ARN, fie de proteine, se numește expresie genetică , iar molecula rezultată este denumită produs genetic .

Cod genetic

O moleculă de ARN formată din nucleotide.  Grupurile de trei nucleotide sunt indicate ca codoni, fiecare corespunzând unui aminoacid specific.
Schema unei molecule de ARN monocatenar care ilustrează o serie de codoni cu trei baze . Fiecare codon cu trei nucleotide corespunde unui aminoacid atunci când este tradus în proteină

Secvența nucleotidică a ADN-ului unei gene specifică secvența de aminoacizi a unei proteine ​​prin codul genetic . Seturile de trei nucleotide, cunoscute sub numele de codoni , corespund fiecare unui aminoacid specific. Principiul conform căruia trei baze secvențiale ale codului ADN pentru fiecare aminoacid a fost demonstrat în 1961 folosind mutații framehift în gena rIIB a bacteriofagului T4 (a se vedea experimentul Crick, Brenner și colab. ).

În plus, un „ codon de pornire ” și trei „ codoni de oprire ” indică începutul și sfârșitul regiunii de codificare a proteinelor . Există 64 de codoni posibili (patru nucleotide posibile la fiecare dintre cele trei poziții, deci 4 3  codoni posibili) și doar 20 de aminoacizi standard; prin urmare, codul este redundant și mai mulți codoni pot specifica același aminoacid. Corespondența dintre codoni și aminoacizi este aproape universală în rândul tuturor organismelor vii cunoscute.

Transcriere

Transcrierea produce o moleculă de ARN monocatenar cunoscută sub numele de ARN mesager , a cărei secvență de nucleotide este complementară ADN-ului din care a fost transcrisă. ARNm acționează ca un intermediar între gena ADN și produsul său proteic final. ADN-ul genei este folosit ca șablon pentru a genera un ARNm complementar . ARNm se potrivește cu secvența catenei de codare a ADN-ului genei, deoarece este sintetizată ca complement al catenei șablon . Transcrierea este efectuată de o enzimă numită ARN polimerază , care citește șablonul șablon în direcția 3 ' până la 5'  și sintetizează ARN de la 5 ' la 3' . Pentru a iniția transcripția, polimeraza recunoaște și leagă mai întâi o regiune promotoră a genei. Astfel, un mecanism major de reglare a genei este blocarea sau sechestrarea regiunii promotor, fie prin legarea strânsă de către moleculele represoare care blochează fizic polimeraza, fie prin organizarea ADN-ului astfel încât regiunea promotorului să nu fie accesibilă.

La procariote , transcripția are loc în citoplasmă ; pentru transcrieri foarte lungi, traducerea poate începe la capătul 5 'al ARN în timp ce capătul 3' este încă transcris. În eucariote , transcripția are loc în nucleu, unde este stocat ADN-ul celulei. Molecula de ARN produsă de polimerază este cunoscută ca transcript primar și suferă modificări post-transcripționale înainte de a fi exportată în citoplasmă pentru traducere. Una dintre modificările efectuate este despicare de introni , care sunt secvențe din regiunea transcrisă , care nu codifică o proteină. Mecanismele alternative de îmbinare pot duce la transcrieri mature din aceeași genă având secvențe diferite și astfel codificând diferite proteine. Aceasta este o formă majoră de reglare în celulele eucariote și apare și în unele procariote.

Traducere

O genă care codifică proteinele din ADN fiind transcrisă și tradusă într-o proteină funcțională sau o genă care nu codifică proteinele fiind transcrisă într-un ARN funcțional
Genele care codifică proteinele sunt transcrise într-un intermediar mARN , apoi traduse într-o proteină funcțională . Genele care codifică ARN sunt transcrise într-un ARN funcțional necodificator . ( PDB : 3BSE , 1OBB , 3TRA )

Traducerea este procesul prin care o moleculă de mARN matură este utilizată ca șablon pentru sintetizarea unei noi proteine . Traducerea este realizată de ribozomi , complexe mari de ARN și proteine ​​responsabile de efectuarea reacțiilor chimice pentru a adăuga noi aminoacizi la un lanț polipeptidic în creștere prin formarea de legături peptidice . Codul genetic este citit trei nucleotide la un moment dat, în unități numite codoni , prin interacțiuni cu molecule de ARN specializate numite ARN de transfer (ARNt). Fiecare ARNt are trei baze nepereche cunoscute sub numele de anticodon care sunt complementare codonului pe care îl citește pe ARNm. ARNt este, de asemenea, atașat covalent la aminoacidul specificat de codonul complementar. Când ARNt se leagă de codonul său complementar într-o catenă de ARNm, ribozomul își atașează încărcătura de aminoacizi la noul lanț polipeptidic, care este sintetizat de la capătul amino capăt la capătul carboxil . În timpul și după sinteză, majoritatea proteinelor noi trebuie să se plieze la structura lor tridimensională activă înainte de a-și putea îndeplini funcțiile celulare.

Regulament

Genele sunt reglementate astfel încât să fie exprimate numai atunci când produsul este necesar, deoarece expresia se bazează pe resurse limitate. O celulă își reglează expresia genică în funcție de mediul său extern (de exemplu , substanțele nutritive disponibile , temperatura și alte tensiuni ), mediul său intern (de exemplu , ciclul de diviziune celulară , metabolismul , starea infecției ) și rolul său specific dacă este într-un organism multicelular . Expresia genelor poate fi reglată în orice etapă: de la inițierea transcripțională , la procesarea ARN , până la modificarea post-translațională a proteinei. Reglarea genelor metabolismului lactozei în E. coli ( lac operon ) a fost primul astfel de mecanism care a fost descris în 1961.

Genele ARN

O genă tipică de codificare a proteinelor este mai întâi copiată în ARN ca intermediar în fabricarea produsului proteic final. În alte cazuri, moleculele de ARN sunt produsele funcționale proprii, ca în sinteza ARN ribozomal și ARN de transfer . Unele ARN-uri cunoscute sub numele de ribozime sunt capabile de funcții enzimatice , iar microRNA are un rol de reglare. Cele ADN secvențe din care sunt transcrise astfel de RNAs sunt cunoscute ca gene non-codare ARN .

Unii viruși își stochează întregul genom sub formă de ARN și nu conțin deloc ADN. Deoarece utilizează ARN pentru a stoca gene, gazdele lor celulare își pot sintetiza proteinele de îndată ce sunt infectate și fără întârzierea în așteptarea transcripției. Pe de altă parte, retrovirusurile ARN , cum ar fi HIV , necesită transcrierea inversă a genomului lor din ARN în ADN înainte ca proteinele lor să poată fi sintetizate. Moștenirea epigenetică mediată de ARN a fost observată și la plante și foarte rar la animale.

Moştenire

Ilustrația moștenirii autozomale recesive.  Fiecare părinte are o alelă albastră și o alelă albă.  Fiecare dintre cei 4 copii ai lor moștenește o alelă de la fiecare părinte, astfel încât un copil să aibă două alele albastre, un copil are două alele albe și doi copii au câte una din fiecare alelă.  Numai copilul cu ambele alele albastre prezintă trăsătura, deoarece trăsătura este recesivă.
Moștenirea unei gene care are două alele diferite (albastru și alb). Gena este localizată pe un cromozom autosomal . Alela albă este recesivă față de alela albastră. Probabilitatea fiecărui rezultat în generația copiilor este de un sfert, sau 25 la sută.

Organismele își moștenesc genele de la părinți. Organismele asexuate pur și simplu moștenesc o copie completă a genomului părintelui lor. Organismele sexuale au două copii ale fiecărui cromozom, deoarece moștenesc câte un set complet de la fiecare părinte.

Moștenirea mendeliană

Conform moștenirii mendeliene , variațiile fenotipului unui organism (caracteristici fizice și comportamentale observabile) se datorează parțial variațiilor genotipului său (set particular de gene). Fiecare genă specifică o anumită trăsătură cu o secvență diferită a unei gene ( alele ) dând naștere la fenotipuri diferite. Majoritatea organismelor eucariote (cum ar fi plantele de mazăre la care a lucrat Mendel) au două alele pentru fiecare trăsătură, una moștenită de la fiecare părinte.

Alelele la un locus pot fi dominante sau recesive ; alelele dominante dau naștere la fenotipurile lor corespunzătoare atunci când sunt asociate cu orice altă alelă pentru aceeași trăsătură, în timp ce alelele recesive dau naștere fenotipului lor corespunzător numai atunci când sunt asociate cu o altă copie a aceleiași alele. Dacă cunoașteți genotipurile organismelor, puteți determina care alele sunt dominante și care sunt recesive. De exemplu, dacă alela care specifică tulpini înalte în plantele de mazăre este dominantă asupra alelei care specifică tulpini scurte, atunci plantele de mazăre care moștenesc o alelă înaltă de la un părinte și o alelă scurtă de la celălalt părinte vor avea și tulpini înalte. Munca lui Mendel a demonstrat că alelele se asortează independent în producția de gameți sau celule germinale , asigurând variații în generația următoare. Deși moștenirea mendeliană rămâne un model bun pentru multe trăsături determinate de gene unice (inclusiv o serie de tulburări genetice bine cunoscute ), aceasta nu include procesele fizice de replicare a ADN-ului și divizarea celulară.

Replicarea ADN și diviziunea celulară

Creșterea, dezvoltarea și reproducerea organismelor se bazează pe diviziunea celulară ; procesul prin care o singură celulă se împarte în două celule fiice de obicei identice . Acest lucru necesită mai întâi realizarea unei copii duplicate a fiecărei gene din genom într-un proces numit replicare ADN . Copiile sunt realizate de enzime specializate cunoscute sub numele de ADN polimeraze , care „citesc” o catena a ADN-ului dublu-elicoidal, cunoscut sub numele de catena matrita, si sintetizeaza o noua catena complementara. Deoarece dubla helix ADN este ținută împreună prin asocierea bazelor , secvența unei catene specifică complet secvența complementului său; prin urmare, un singur fir trebuie citit de enzimă pentru a produce o copie fidelă. Procesul de replicare a ADN-ului este semiconservator ; adică copia genomului moștenit de fiecare celulă fiică conține un fir original și unul nou sintetizat de ADN.

Rata de replicare a ADN-ului în celulele vii a fost mai întâi măsurată ca rata de alungire a ADN-ului fagului T4 în E. coli infectată cu fagul și sa dovedit a fi impresionant de rapidă. În perioada de creștere exponențială a ADN-ului la 37 ° C, rata de alungire a fost de 749 nucleotide pe secundă.

După ce replicarea ADN este completă, celula trebuie să separe fizic cele două copii ale genomului și să se împartă în două celule distincte legate de membrană. La procariote  ( bacterii și arhee ), acest lucru apare de obicei printr-un proces relativ simplu numit fisiune binară , în care fiecare genom circular se atașează la membrana celulară și este separat în celulele fiice pe măsură ce membrana se invaginează pentru a împărți citoplasma în două porțiuni legate de membrană. . Fisiunea binară este extrem de rapidă în comparație cu ratele de diviziune celulară în eucariote . Diviziunea celulelor eucariote este un proces mai complex cunoscut sub numele de ciclul celular ; Replicarea ADN - ului are loc în timpul unei faze a acestui ciclu , cunoscut sub numele de fază S , în timp ce procesul de segrega cromozomi și divizarea citoplasmă are loc în timpul fazei M .

Moștenirea moleculară

Duplicarea și transmiterea materialului genetic de la o generație de celule la alta este baza moștenirii moleculare și legătura dintre imaginile clasice și moleculare ale genelor. Organismele moștenesc caracteristicile părinților lor, deoarece celulele descendenților conțin copii ale genelor în celulele părinților lor. În organismele cu reproducere asexuată , descendenții vor fi o copie genetică sau o clonă a organismului părinte. În organismele cu reproducere sexuală , o formă specializată de diviziune celulară numită meioză produce celule numite gamete sau celule germinale care sunt haploide sau conțin doar o copie a fiecărei gene. Gametele produse de femele se numesc ouă sau ovule, iar cele produse de masculi se numesc spermatozoizi . Două gameți se fuzionează pentru a forma un ou fertilizat diploid , o singură celulă care are două seturi de gene, cu o copie a fiecărei gene de la mamă și una de la tată.

În timpul procesului de diviziune a celulelor meiotice, uneori poate să apară un eveniment numit recombinare genetică sau încrucișare , în care o lungime de ADN pe o cromatidă este schimbată cu o lungime de ADN pe cromatida omologă non-soră corespunzătoare. Acest lucru poate duce la reasortarea alelelor altfel legate. Principiul mendelian al sortimentului independent afirmă că fiecare dintre cele două gene ale unui părinte pentru fiecare trăsătură se va sorta independent în gameți; care alelă moștenește un organism pentru o trăsătură nu are legătură cu ce alelă moștenește pentru o altă trăsătură. De fapt, acest lucru este valabil numai pentru genele care nu locuiesc pe același cromozom sau sunt situate foarte departe una de cealaltă pe același cromozom. Cu cât cele două gene se află mai aproape de același cromozom, cu atât mai strâns vor fi asociate în gameți și cu atât mai des vor apărea împreună (cunoscute sub numele de legătură genetică ). Genele care sunt foarte apropiate nu sunt, în esență, niciodată separate, deoarece este extrem de puțin probabil să existe un punct de încrucișare între ele.

Evoluția moleculară

Mutaţie

Replicarea ADN este în cea mai mare parte extrem de precisă, totuși apar erori ( mutații ). Rata de eroare în celulele eucariote poate fi de până la 10-8 pe nucleotidă pe replicare, în timp ce pentru unii viruși ARN poate ajunge la 10-3 . Aceasta înseamnă că fiecare generație, fiecare genom uman acumulează 1-2 mutații noi. Mutațiile mici pot fi cauzate de replicarea ADN-ului și consecințele deteriorării ADN-ului și includ mutații punctuale în care se modifică o singură bază și mutații framehift în care o singură bază este inserată sau ștearsă. Oricare dintre aceste mutații poate schimba gena prin greșeală (schimba un codon pentru a codifica un aminoacid diferit) sau fără sens (un codon stop prematur ). Mutațiile mai mari pot fi cauzate de erori în recombinare pentru a provoca anomalii cromozomiale, inclusiv duplicarea , ștergerea, rearanjarea sau inversarea secțiunilor mari ale unui cromozom. În plus, mecanismele de reparare a ADN-ului pot introduce erori de mutație atunci când repară deteriorarea fizică a moleculei. Reparația, chiar și cu mutație, este mai importantă pentru supraviețuire decât restaurarea unei copii exacte, de exemplu atunci când se repară pauzele cu două fire .

Când mai multe alele diferite pentru o genă sunt prezente în populația unei specii, aceasta se numește polimorfă . Cele mai multe alele diferite sunt echivalente din punct de vedere funcțional, cu toate acestea unele alele pot da naștere unor trăsături fenotipice diferite . Cea mai comună alelă a unei gene se numește tip sălbatic , iar alelele rare sunt numite mutante . Variația genetică la frecvențe relative ale diferitelor alele la o populație se datorează atât selecția naturală și derivația genetică . Alela de tip sălbatic nu este neapărat strămoșul alelelor mai puțin obișnuite și nici nu este neapărat mai potrivită .

Majoritatea mutațiilor din gene sunt neutre , neavând niciun efect asupra fenotipului organismului ( mutații silențioase ). Unele mutații nu modifică secvența de aminoacizi deoarece mai mulți codoni codifică același aminoacid ( mutații sinonime ). Alte mutații pot fi neutre dacă conduc la modificări ale secvenței de aminoacizi, dar proteina funcționează în continuare similar cu noul aminoacid (de exemplu mutații conservatoare ). Cu toate acestea, multe mutații sunt dăunătoare sau chiar letale și sunt eliminate din populații prin selecție naturală. Tulburările genetice sunt rezultatul mutațiilor dăunătoare și pot fi cauzate de mutații spontane la individul afectat sau pot fi moștenite. În cele din urmă, o mică parte a mutațiilor sunt benefice , îmbunătățind capacitatea de sănătate a organismului și sunt extrem de importante pentru evoluție, deoarece selecția lor direcțională duce la evoluția adaptativă .

Omologie secvențială

O aliniere a secvenței, produsă de ClustalO , a proteinelor histonice de mamifere

Genele cu cel mai recent strămoș comun și, prin urmare, o ascendență evolutivă comună, sunt cunoscute ca omologi . Aceste gene apar fie din duplicarea genelor în genomul unui organism, unde sunt cunoscute sub numele de gene paralogice, fie sunt rezultatul divergenței genelor după un eveniment de speciație , unde sunt cunoscute ca gene ortoloage, și îndeplinesc deseori aceleași funcții sau funcții similare. în organismele înrudite. Se presupune adesea că funcțiile genelor ortologe sunt mai asemănătoare decât cele ale genelor paralogice, deși diferența este minimă.

Relația dintre gene poate fi măsurată prin compararea alinierii secvenței ADN-ului lor. Gradul de similaritate a secvenței dintre genele omoloage se numește secvență conservată . Cele mai multe modificări ale secvenței unei gene nu îi afectează funcția și astfel genele acumulează mutații în timp prin evoluția moleculară neutră . În plus, orice selecție pe o genă va face ca secvența sa să divergă la o rată diferită. Genele aflate sub selecție stabilizatoare sunt constrânse și astfel se schimbă mai încet, în timp ce genele aflate în selecția direcțională schimbă secvența mai rapid. Diferențele de secvență între gene pot fi utilizate pentru analize filogenetice pentru a studia modul în care aceste gene au evoluat și modul în care organismele din care provin sunt legate.

Originea noilor gene

Soarta evolutivă a genelor duplicate.

Cea mai comună sursă de gene noi în linii eucariote este duplicarea genelor , care creează variația numărului de copii ale unei gene existente în genom. Genele rezultate (paralogii) pot apoi să divergă în ordine și funcție. Seturile de gene formate în acest mod alcătuiesc o familie de gene . Duplicările de gene și pierderile într-o familie sunt comune și reprezintă o sursă majoră de biodiversitate evolutivă . Uneori, duplicarea genelor poate duce la o copie nefuncțională a unei gene sau o copie funcțională poate fi supusă mutațiilor care duc la pierderea funcției; astfel de gene nefuncționale se numesc pseudogene .

Genele „orfane” , a căror secvență nu prezintă asemănare cu genele existente, sunt mai puțin frecvente decât duplicatele genelor. Genomul uman conține o estimare de la 18 la 60 de gene fără omologi identificabili în afara oamenilor. Genele orfane apar în primul rând fie din apariția de novo din secvența necodificatoare anterioară , fie din duplicarea genelor, urmată de o schimbare atât de rapidă a secvenței încât relația inițială devine nedetectabilă. Genele de novo sunt de obicei mai scurte și mai simple ca structură decât majoritatea genelor eucariote, cu puțini introni, dacă există. Pe perioade lungi de timp evolutive, nașterea genelor de novo poate fi responsabilă pentru o fracțiune semnificativă din familiile de gene restricționate taxonomic.

Transferul de gene orizontal se referă la transferul de material genetic printr-un alt mecanism decât reproducerea . Acest mecanism este o sursă comună de gene noi în procariote , uneori considerate că contribuie mai mult la variația genetică decât la duplicarea genelor. Este un mijloc comun de răspândire a rezistenței la antibiotice , virulență și funcții metabolice adaptative . Deși transferul de gene pe orizontală este rar în eucariote, s-au identificat exemple probabile ale genomului protist și algei care conțin gene de origine bacteriană.

Genomul

Genomului este materialul totala genetic al unui organism și include atât genele și secvențele non-codare . Genele eucariote pot fi adnotate folosind FINDER.

Numărul de gene

Prezentarea numărului de gene pentru plante reprezentative (verzi), vertebrate (albastru), nevertebrate (portocaliu), ciuperci (galben), bacterii (violet) și virusuri (gri). O inserție în dreapta arată genomurile mai mici extinse de 100 de ori în funcție de suprafață.

Mărimea genomului și numărul de gene pe care le codifică variază foarte mult între organisme. Cele mai mici genomi apar la viruși și viroizi (care acționează ca o singură genă ARN necodificatoare). În schimb, plantele pot avea genomi extrem de mari, orezul conținând> 46.000 de gene care codifică proteinele. Numărul total de gene care codifică proteinele ( proteomul Pământului ) este estimat la 5 milioane de secvențe.

Deși numărul de perechi de baze de ADN din genomul uman a fost cunoscut încă din anii 1960, numărul estimat de gene s-a schimbat în timp, pe măsură ce definițiile genelor și metodele de detectare a acestora au fost rafinate. Predicțiile teoretice inițiale ale numărului de gene umane au fost de până la 2.000.000. Măsurile experimentale timpurii au indicat că există 50.000–100.000 de gene transcrise ( etichete de secvență exprimate ). Ulterior, secvențierea în Proiectul genomului uman a indicat că multe dintre aceste transcrieri au fost variante alternative ale acelorași gene, iar numărul total de gene care codifică proteinele a fost revizuit până la ~ 20.000, cu 13 gene codificate pe genomul mitocondrial . Cu proiectul de adnotare GENCODE , această estimare a continuat să scadă la 19.000. Din genomul uman, doar 1-2% constă din secvențe de codificare a proteinelor, restul fiind ADN „necodificat”, cum ar fi introni , retrotranspoziții și ARN-uri necodificate . Fiecare organism multicelular are toate genele sale în fiecare celulă a corpului său, dar nu fiecare genă funcționează în fiecare celulă.

Gene esențiale

Funcțiile genei în genomul minim al organismului sintetic , Syn 3 .

Genele esențiale sunt ansamblul de gene considerate a fi critice pentru supraviețuirea unui organism. Această definiție presupune disponibilitatea abundentă a tuturor substanțelor nutritive relevante și absența stresului asupra mediului. Doar o mică parte din genele unui organism sunt esențiale. La bacterii, aproximativ 250–400 de gene sunt esențiale pentru Escherichia coli și Bacillus subtilis , care reprezintă mai puțin de 10% din genele lor. Jumătate din aceste gene sunt ortologi în ambele organisme și sunt implicate în mare parte în sinteza proteinelor . În drojdia în curs de dezvoltare Saccharomyces cerevisiae numărul de gene esențiale este puțin mai mare, la 1000 de gene (~ 20% din genele lor). Deși numărul este mai dificil de măsurat la eucariotele superioare, se estimează că șoarecii și oamenii au aproximativ 2000 de gene esențiale (~ 10% din genele lor). Organismul sintetic, Syn 3 , are un genom minim de 473 de gene esențiale și gene cvasi-esențiale (necesare pentru o creștere rapidă), deși 149 au funcție necunoscută.

Genele esențiale includ gene de menaj (critice pentru funcțiile celulare de bază), precum și gene care sunt exprimate în momente diferite în dezvoltarea organismelor sau în ciclul de viață . Genele de menaj sunt utilizate ca controale experimentale atunci când se analizează expresia genelor , deoarece acestea sunt exprimate constitutiv la un nivel relativ constant.

Nomenclatura genetică și genomică

Nomenclatura genelor a fost stabilită de Comitetul HUGO pentru Nomenclatura Genică (HGNC), un comitet al Organizației Genomului Uman , pentru fiecare genă umană cunoscută sub forma unui nume și a unui simbol aprobat ( abrevierea în formă scurtă ), care poate fi accesat prin o bază de date gestionată de HGNC. Simbolurile sunt alese pentru a fi unice și fiecare genă are un singur simbol (deși simbolurile aprobate se schimbă uneori). Simbolurile sunt păstrate de preferință în concordanță cu ceilalți membri ai unei familii genetice și cu omologii din alte specii, în special șoarecele datorită rolului său de organism model comun .

Inginerie genetică

Comparația creșterii convenționale a plantelor cu modificarea genetică transgenică și cisgenică.

Ingineria genetică este modificarea genomului unui organism prin biotehnologie . Din anii 1970, s-au dezvoltat o varietate de tehnici pentru a adăuga, elimina și edita în mod specific gene dintr-un organism. Tehnologiile de inginerie a genomului dezvoltate recent folosesc enzime nucleaze proiectate pentru a crea repararea ADN-ului țintit într-un cromozom, fie pentru a perturba, fie pentru a edita o genă atunci când pauza este reparată. Termenul asociat biologie sintetică este uneori folosit pentru a se referi la ingineria genetică extinsă a unui organism.

Ingineria genetică este acum un instrument de cercetare de rutină cu organisme model . De exemplu, genele sunt ușor adăugate la bacterii și linii de șoareci knockout cu funcția unei gene specifice întrerupte sunt utilizate pentru a investiga funcția genei respective. Multe organisme au fost modificate genetic pentru aplicații în agricultură , biotehnologie industrială și medicină .

Pentru organismele multicelulare, de obicei embrionul este proiectat, care crește în organismul adult modificat genetic . Cu toate acestea, genomul celulelor dintr-un organism adult poate fi editat folosind tehnici de terapie genică pentru tratarea bolilor genetice.

Vezi si

Referințe

Citații

Surse

Manual principal

Lecturi suplimentare

linkuri externe