ГЕН

ГЕН (от греческого genos — род, происхождение), наследственный фактор, функционально неделимая единица генетического материала; участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком. Совокупность генов данной клетки или организма составляет его генотип. Существование дискретных наследственных факторов в половых клетках было гипотетически постулировано Г. Менделем в 1865 году, а в 1909 B. Иогансен назвал их генами. Дальнейшие представления о генах связаны с развитием хромосомной теории наследственности. Т. X. Морган и его школа разработали теорию генов, согласно которой ген представляет собой единицу мутации, рекомбинации и функции, то есть при мутировании ген изменяется как целое, рекомбинация происходит только между генами, и ген контролирует элементарную функцию, которая может быть определена на основании функционального теста на аллелизм. По мере увеличения разрешающей способности генетического анализа стало очевидно, что ген делим и не является единицей мутации и рекомбинации. Первые эксперименты, доказавшие сложное строение гена у дрозофилы, были выполнены в 20—30-х годах 20 века советскими учёными А. С. Серебровским, Н. П. Дубининым и др. Это открытие нашло подтверждение в исследованиях зарубежных авторов, работавших с дрозофилой, а также с низшими грибами, бактериями и другими биологическими объектами. В 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком была раскрыта трёхмерная структура ДНК, что позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В 60-х годах американский исследователь С. Бензер доказал, что ген бактериофага Т4, развивающегося на кишечной палочке, состоит из линейно расположенных, независимо мутирующих элементов, разделимых рекомбинацией. Исходя из доказанной к тому времени генетической роли нуклеиновых кислот (см. Трансформация), С. Бензер показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов ДНК. Существенную роль в теории гена сыграла концепция «один ген — один фермент», выдвинутая в 40-е годы Дж. Бидлом и Э. Тейтемом, согласно которой каждый ген определяет структуру какого-либо фермента. После множества уточнений эта концепция сводится к тому, что для каждого типа полипептидных цепей в клетке существует так называемый структурный ген, определяющий чередование аминокислотных остатков в ней. Эта концепция вместе с представлениями о сложной структуре гена и генетической роли нуклеиновых кислот послужила отправной точкой для установления Ф. Криком и другими основных параметров генетического кода для белков, а затем его полной расшифровки в 1965 году C. Очоа, М. Ниренбергом и др. К этому времени утвердилось представление об универсальности основных черт строения и функции гена как сложной линейной структуры участка ДНК, который в результате транскрипции и последующей трансляции определяет первичную структуру полипептидной цепи. Дальнейшее развитие теории гена связано с выявлением отличий в организации генетического материала у организмов, далёких друг от друга в таксономическом отношении, и с установлением основных тенденций эволюции генов. Для организации генетического материала прокариот характерны опероны, состоящие из нескольких генов. Отсутствие их у эукариот связано, по-видимому, с тем, что рибосомы эукариот в отличие от рибосом прокариот не способны реинициировать трансляцию на одной и той же молекуле иРНК после прохождения кодона-терминатора. Поэтому каждый транскрипт (единица транскрипции) эукариот содержит нуклеотидную последовательность только одного структурного гена. Кроме того, у прокариот в молекуле транслируемой иРНК представлена вся нуклеотидная последовательность структурного гена, в то время как у эукариот многие гены содержат от одного до нескольких десятков нетранслируемых участков — нитронов, которые перемежаются с транслируемыми участками — экзонами. Нитроны представлены в молекуле первичного транскрипта, а при созревании иРНК они вырезаются. Экзоны ковалентно соединяются в молекулу транслируемой иРНК. Этот процесс получил название сплайсинга. Для организации генетического материала эукариот свойственно присутствие так называемых генов-кластеров (сложных генов), кодирующих длинные полипептиды с несколькими ферментативными активностями. Например, один из генов Neurospora crassa кодирует полипептид с молекулярной массой 150 000, который отвечает за пять последовательных этапов в биосинтезе ароматических аминокислот. Подобные гены-кластеры, по-видимому, редки у прокариот. Вирусы имеют структуру генов, отражающую генетическую организацию клетки-хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в опероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот имеют интроны. В то же время в генетическом материале вирусов прокариот и эукариот обнаруживается общая характерная черта — перекрывание генов. Возможно, это связано у вирусов с тенденцией максимального использования информационной ёмкости небольшого генома. У РНК-содержащих онкогенных вирусов эукариот обнаружена ещё одна особенность строения генетического материала. Она заключается в том, что генетический материал этих вирусов служит одновременно в качестве иРНК для синтеза гигантской молекулы полипротеина (молекулярная масса 270 000), которая затем «разрезается» при помощи специфического протеолиза на отдельные белки, участвующие в формировании частицы вириона. Это отражает неспособность рибосом клетки-хозяина реинициировать трансляцию на одной молекуле иРНК, и поэтому знаки, разделяющие отдельные гены, как бы вынесены на гигантскую цепь полипротеина. Таким образом, выявляются основные тенденции в эволюции генов: от оперонных структур, содержащих «простые гены», у прокариот — к автономизации генов и даже их частей, разделимых нитронами, у эукариот. Полагают, что отдельные экзоны соответствуют функционально значимым участкам в полипептидной цепи — её отдельным доменам. Перекомбинация экзонов может вести к оптимальным сочетаниям доменов в белках. По мере проникновения в молекулярную структуру генетического материала всё труднее становится находить в молекулах ДНК границы того, что обозначают понятиями «ген» и «гены» (как наследственные задатки, части генотипа). Это связано с тем, что сигналы таких матричных процессов, как транскрипция (на ДНК) и трансляция (на иРНК), не совпадают как по локализации, так и по сочетаниям нуклеотидов. Наконец, растёт число открываемых генетических единиц. Наряду со структурными и регуляторными генами, обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых неизвестны, мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены). Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов, расположенные в других частях генома и лишённые нитронов или инактивированные мутациями и поэтому не функционирующие. Все эти сведения расширяют представления о строении генетического материала и показывают, что теория гена продолжает развиваться. Теория гена — основа прикладной генетической инженерии, методы которой позволяют, например, создавать штаммы бактерий, производящие многие физиологически активные вещества, используемые в медицине и сельском хозяйстве. При этом знание структуры конкретных генов, молекулярных основ их экспрессии позволяет выбирать оптимальную стратегию химического или ферментативного их синтеза, присоединения к ним «сильных» промоторов, использования соответствующих молекул ДНК для переноса их из одних организмов в другие. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.