Definicja genu zmieniała się na przestrzeni lat. Początkowo nieznane były: charakter materiału genetycznego, sposoby dziedziczenia i powstające na podstawie genów produkty.

W 1889 r. Hugo de Vries przedstawił teorię nośników informacji o określonych cechach organizmów. Cząsteczki te nazwał „pangenami”. Było to pojęcie teoretyczne w odniesieniu do koncepcji dziedziczenia cech opracowanej przez Gregora Mendla w roku 1866. Pangeny były rozwinięciem teorii pangenezy sformułowanej przez Karola Darwina, uwzględniającej cząstki, które mogły przemieszczać się między komórkami i dostawać się do gamet.

Termin pangen został skrócony do genu przez Wilhelma Johannsena 20 lat później, w roku 1909. Ówcześnie słowo gen oznaczało nieznany czynnik, który pozwala na dziedziczenie danej cechy.

W 1944 r. Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarty wykazali, że czynnikami warunkującymi dziedziczenie cech są fragmenty kwasu nukleinowego DNA.

Przez wiele lat obowiązywała hipoteza „jeden gen – jeden enzym”, potwierdzona w 1941 r. przez Georgea Beadle’a i Edwarda Tatuma, którzy przeprowadzili serię eksperymentów na gatunku grzyba Neurospora crassa.

Komórki Neurospora crassa były idealnym modelem do potwierdzenia tej hipotezy, ponieważ syntetyzują wszystkie niezbędne do rozwoju aminokwasy i witaminy, rosnąc na podłożu minimalnym, zawierającym jedynie cukry, sole i biotynębiotyna, witamina BIndeks dolny 7₇biotynę.

Badacze założyli, że wszelkie zmiany w genach na skutek mutacji powinny powodować zaburzenia szlaków syntezy danych aminokwasów lub witamin, skutkujące brakiem wzrostu na pożywce minimalnej. Ograniczenie wzrostu nie powinno być obserwowane na pożywce pełnej, z zapewnioną suplementacją wszystkimi aminokwasami i witaminami.

Po uzyskaniu zbioru mutantów przez napromieniowanie spor Neurospora crassa część kolonii została przeniesiona na podłoże pełne, a część na podłoże minimalne.

Następnie wyselekcjonowano jedynie te szczepy, które nie rosły na podłożu minimalnym – mutanty pokarmowe. Wysiewano je na podłoże z zawartością wszystkich niezbędnych aminokwasów lub witamin. Jeśli dany szczep rozrastał się na podłożu aminokwasowym, a nie rósł na podłożu z witaminami, oznaczało to, że nie syntetyzuje któregoś z aminokwasów (lub odwrotnie – dla pożywki z witaminami).

W kolejnym etapie eksperymentu wybrane organizmy umieszczono na podłożu minimalnym, które suplementowano wyłącznie jednym aminokwasem lub witaminą. Mutanty rosły tylko na podłożach z dodatkiem tych cząsteczek, których szlak syntezy został u nich zaburzony w wyniku promieniowania.

Enzymy należą do grupy białek, ale nie wszystkie białka są enzymami. Hipoteza „jeden gen – jeden enzym” musiała zostać zweryfikowana ze względu na kolejne odkrycia w dziedzinie genetyki.

W latach 50. XX wieku opracowano teorię „jeden gen – jeden polipeptyd”. Opierała się ona na wynikach badań wskazujących na fakt, że zmiana jednego łańcucha polipeptydowego w kompleksie białkowym może powodować zmiany fenotypowe, np. objawy choroby w przypadku anemii sierpowatej.

Zmianę rozumienia pojęcia genu wymusiło także odkrycie alternatywnego splicingu (alternatywnego składania genów). Proces ten, zachodzący podczas modyfikacji potranskrypcyjnej pre‑mRNA, polega na wyborze eksonów, które zostaną następnie włączone do mRNA, w wyniku czego może powstać kilka wersji mRNA, różniących się liczbą eksonów wyciętych z pre‑mRNA. W konsekwencji na bazie jednego genu może powstawać więcej niż jedno białko.

Więcej informacji na temat alternatywnego splicingu w e‑materiale Regulacja potranskrypcyjna – splicing alternatywny.

Niektóre geny nie kodują łańcuchów polipeptydowych, lecz tzw. funkcjonalne RNA. Do funkcjonalnych RNA zalicza się: tRNA (transportujący RNA), rRNA (rybosomalny RNA) i miRNA (mikroRNA) odpowiadający za regulację ekspresji genów.

Geny zlokalizowane są w określonych miejscach na chromosomach, tzw. loci (w lp. locus). Chromosomy zawierają wiele różnych loci, w których z kolei mogą występować różne warianty danego genu – allelealleleallele. Identyfikacja wszystkich loci danego chromosomu pozwala na stworzenie mapy genowej.

Większość genów organizmów eukariotycznych jest zlokalizowana w jądrze komórkowym, gdzie materiał genetyczny występuje w postaci chromatyny (gdy komórka nie ulega podziałowi). Istnieją jednak geny zawarte w DNA innych organelli komórkowych: u zwierząt i grzybów w mitochondriach, a u roślin w mitochondriach i chloroplastach. Na drodze ewolucji część genomów organellarnych została przeniesiona do jądra komórkowego.

Genom organizmów prokariotycznych ma formę dwuniciowej, kolistej cząsteczki DNA, podlegającej superhelikalnemu skręceniu, które zapewnia jego upakowanie. Określany jest jako chromosom bakteryjny (genofor) i występuje na obszarze cytoplazmy zwanym nukleoidem. Organizmy prokariotyczne mogą mieć również pozachromosomowy materiał genetyczny w postaci kolistych cząsteczek DNA – plazmidów. Geny zawarte na plazmidach zazwyczaj nie są komórce niezbędne do przeżycia, lecz warunkują przetrwanie w określonych warunkach, np. w obecności w środowisku antybiotyku.

Geny wirusów to cząsteczki DNA lub RNA zamknięte w kapsydach. Materiał genetyczny wirusów nie podlega kondensacji i występuje w formie kolistej lub liniowej cząsteczek jednoniciowych i dwuniciowych. Ze względu na niewielkie rozmiary genomów wirusowych częstym zjawiskiem jest nachodzenie na siebie genów – różne geny mają wspólne sekwencje nukleotydowe.

W komórkach eukariotycznych bezpieczeństwo materiałowi genetycznemu zapewnia umiejscowienie w jądrze komórkowym. Natomiast u organizmów prokariotycznych ochronie służy kondensacja i zwijanie materiału genetycznego w kolisty kształt, stabilizowany przez białka histonopodobne.

Dzięki mechanizmom precyzyjnej replikacji DNAreplikacja DNAreplikacji DNA geny wykazują względną stałość i przy podziałach komórkowych są przekazywane w postaci identycznych kopii komórkom potomnym, a w przypadku organizmów eukariotycznych przekazywane są również przez komórki rozrodcze (gamety) kolejnym pokoleniom.

Proces replikacji jest jednak obarczony pewnym ryzykiem błędu, skutkującego zmianami w sekwencji DNA. Co prawda, w komórkach występują mechanizmy naprawy DNA, które dokonują korekt: zmieniają błędnie sparowane nukleotydy lub łączą pęknięte nici. Mimo to z niewielką – specyficzną dla danego genu i organizmu – częstością geny są modyfikowane przez mutacje, czyli zmiany, które zostają utrwalone w wyniku replikacji i przekazane organizmowi lub komórce potomnej.

R1Nxvb0DKRkss

Schemat przedstawia replikację DNA. Obie nici łańcucha skręcone wokół jednej osi połączone są odcinkami symbolizującymi zasady azotowe. Odcinek symbolizujący cytozynę (C) łączy się z odcinkiem symbolizującym guaninę (G), a symbolizujący adeninę (A) z odcinkiem symbolizującym tyminę (T).W pewnym momencie nici łańcucha się rozdzielają, a do dwóch nici dołączają kolejne dwie nici i powstają dwa nowe, kompletne łańcuchy DNA.

Gen odpowiedzialny jest za kodowanie łańcucha polipeptydowego i RNA. Składa się jednak nie tylko z sekwencji kodujących, tzn. zawierających informacje o kolejności aminokwasów w białku, ale także z rejonów niekodujących.

RkPnawd0HVfba

Schemat przedstawia budowę genu organizmów eukariotycznych. Na schemacie znajdują się dwie równoległe, grube linie w pionowe, szerokie pasy. Pierwszy, górny odcinek zaczyna się cyfrą 5 i apostrofem, kolejno występuje żółty pas, zielony pas – promotor, niebieski pas – rejon kodujący (ekson), różowy pas – rejon niekodujący (intron), kolejny niebieski pas, różowy pas, niebieski pas, różowy pas, niebieski pas i żółty pas. Odcinek kończy się cyfrą 3 i apostrofem. Równoległy, dolny odcinek posiada taki sam układ kolorowych pasów, tylko rozpoczyna się cyfrą 3 i apostrofem, a kończy się cyfrą 5 i apostrofem.

Sekwencja kodująca poprzedzona jest przez sekwencję promotorową (promotorpromotorpromotor) – fragment DNA wyznaczający początek genu i rozpoznawany przez polimerazę RNA.

• Promotor prokariotyczny złożony jest z dwóch sekwencji DNA znajdujących się odpowiednio 10 i 35 nukleotydów przed miejscem inicjacji transkrypcji. Sekwencja nukleotydów rozpoczynająca się od pozycji -10 (TATAAT) jest niezbędna do rozpoczęcia transkrypcji.

• Promotory eukariotyczne są o wiele bardziej zróżnicowane i mogą się znajdować w dużej odległości od sekwencji kodującej. Minimalny promotor (niezbędny do rozpoczęcia transkrypcji) znajduje się 35 nukleotydów przed sekwencją kodującą. W tym miejscu wiąże się z sekwencją DNA kompleks preinicjacyjny, odpowiedzialny za inicjację transkrypcji. W dużej odległości od genu znajdować się mogą także krótkie sekwencje DNA odpowiedzialne za wzmacnianie transkrypcji (enhancery) bądź jej wyciszanie (silencery).

U prokariontów część kodująca polipeptyd jest jedną ciągłą sekwencją nukleotydów w DNA (geny ciągłe) wyznaczającą (od końca 5′ do końca 3′) sekwencję aminokwasów w polipeptydzie. Genomy organizmów prokariotycznych charakteryzują się ogromną kompaktowością. Część genów może korzystać z tych samych sekwencji promotorowych i regulatorowych, tworząc operony. Zgrupowanie genów w operon skutkuje ich wspólną transkrypcją, dlatego geny te często zaangażowane są w podobny proces.

U eukariontów część kodująca polipeptyd często jest nieciągła (geny nieciągłe) i składa się z kodujących odcinków DNA, eksonów, przedzielonych odcinkami niekodującymi, intronami – są to geny złożone, mozaikowe. W procesie transkrypcjitranskrypcjatranskrypcji pełna sekwencja nukleotydów DNA (eksony i introny) jest przepisywana na sekwencję nukleotydów pre‑mRNA. Następnie dochodzi do potranskrypcyjnej obróbki mRNA, podczas której następuje splicing – wycinanie odcinków niekodujących (intronów) i łączenie odcinków kodujących (eksonów). W wyniku tego procesu powstaje ciągły zapis informacji genetycznej w postaci sekwencji nukleotydów mRNA, stanowiący podczas translacji matrycę dla syntezy łańcucha polipeptydowego.

Polimeraza RNA zaangażowana w transkrypcję tworzy z DNA stabilny kompleks, który nie dysocjuje samoczynnie. Do procesu tego niezbędna jest sekwencja DNA wskazująca na koniec transkrybowanego genu – terminator.

Więcej na temat operonów w e‑materiale Struktura i sposoby regulacji operonów prokariotycznychDX89kKlHWStruktura i sposoby regulacji operonów prokariotycznych.

R1PHyXNMlLnrL1

Na zdjęciu znajduje się młoda kobieta stojąca obok drzewa w lesie. Ujęta jest od piersi w górę. Kobieta jest młoda, ma długie, brązowe włosy z przedziałkiem pośrodku, jasne, głęboko osadzone oczy, dość pokaźny nos, wąskie usta i dołek w brodzie. Za lewym uchem ma wetknięte dwa niebieskie kwiaty z płatkami i żółtym środkiem.

Geny można podzielić m.in. ze względu na powstający na ich bazie produkt, czyli na geny kodujące białka i geny kodujące funkcjonalne RNA. Inne kryterium klasyfikacji stanowi efekt fenotypowy, czyli sposób lub stopień przejawiania się genów. W oparciu o nie rozróżnia się wiele kategorii alleli, np. allele dominującedominacjadominujące, które uwidocznią się w fenotypie zarówno w heterozygocie, jak i w homozygocie dominującej, i recesywnerecesywnośćrecesywne, których efekt fenotypowy widoczny będzie jedynie w organizmie homozygotycznym pod względem danego genu.

Geny epistatyczneepistazaGeny epistatyczne i hipostatycznehipostazahipostatyczne to geny wzajemnie na siebie oddziałujące. Gen epistatyczny hamuje ekspresję innej pary alleli – genów hipostatycznych. Efektem jest maskowanie działania genu hipostatycznego.

PoligenypoligenyPoligeny to z kolei geny odpowiadające za powstawanie cech ilościowych. Należą one do różnych par alleli, ale razem odpowiadają za kształtowanie się określonej cechy widocznej fenotypowo. Poligeny nazywane są także genami kumulatywnymi. Przykładem warunkowanej przez nie cechy jest wzrost.

Z kolei geny plejotropowe odpowiadają za co najmniej dwie, pozornie niezwiązane ze sobą, cechy organizmu. Przykładowo, zmiana w genie αalfa‑keratyny u kurczaków powoduje zmiany w metabolizmie oraz upierzeniu. Istnieją również geny letalne, które prowadzą do śmierci organizmu. Mogą być one recesywne lub dominujące, od czego zależy przeżywalność organizmu. Zazwyczaj jednak geny te należą do grupy genów recesywnych: dominacja nie skutkuje przekazaniem genu potomstwu, dzięki czemu letalny gen dominujący nie ma szans na utrzymanie się w populacji.

Z punktu widzenia mechanizmu działania genu rozróżnia się geny struktury, zawierające informację o syntezie białek, oraz geny regulatorowe, regulujące aktywność genu struktury.

Słownik