Медицинский словарь
А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Я

Ген

 

Ген — элементарная и структурная единица наследственности. Первые умозрительные догадки о том, что передачу потомкам признаков родителей обеспечивает совокупность отдельных (дискретных) наследственных задатков, высказывали еще в древности Демокрит, Гиппократ и др. Распределение наследственной информации между генами Однако строгое доказательство существования элементарных наследственных факторов было получено в 1865 г. чешским естествоиспытателем И. Г. Менделем, четко сформулировавшим гипотезу о дискретных наследственных факторах, каждый из которых управляет развитием строго определенного наследственного признака и в своей активности не зависит от других наследственных факторов. Мендель подразделил гены на доминантные (не зависящие в своем проявлении от других генов) и рецессивные (подавляемые доминантными). С 1909 г. эти наследственные задатки по предложению датского ученого У. Иогансена стали именовать генами. В 1910—1913гг. американский биолог Т. Морган и его ученики доказали, что гены линейно расположены в особых структурах клеточного ядра — хромосомах и что находящиеся в одной хромосоме гены передаются потомкам совместно, образуя единую группу сцепления. Таким образом, число групп сцепления у любого организма равно числу хромосом в его клетках. Была обнаружена также способность хромосом обмениваться друг с другом участками большей или меньшей длины. Перед созреванием половых клеток парные хромосомы сближаются, образуют единую структуру, и в этот момент может произойти их перекрест с последующим разрывом отдельных хромосом и направленным соединением концов в месте разрыва (так наз. кроссинговер), что и приводит к обмену участками между хромосомами. Было установлено, что при кроссинговере разрыв хромосом происходит в межгенных участках, так что отдельные гены передаются целиком, не дробясь.

После открытия в 1899 г. русским ученым С. И. Коржинским и в 1900—1901 гг. голландским ученым Г. де Фризом процесса изменения отдельных ген (мутаций) в естественных условиях, а в 1925—1928 гг. — возможности получения искусственных мутаций под действием радиации и химических веществ создались условия для изучения изменчивости отдельных ген. При этом было подтверждено, что отдельные гены изменяются, мутируют как целое. Таким образом, сложилось представление о генах как элементарной единице наследственного материала, края ведет себя как целое при мутировании и передается целиком при кроссинговере. Однако вскоре были получены данные, доказывающие дробимость генов как в процессе мутаций (эксперименты школы генетика А. С. Серебровского и его учеников Н. П. Дубинина и др. в 1929—1934 гг.), так и при обмене участками хромосом во время кроссинговера. В 1936 г. в экспериментах по удвоению ген в результате мутаций амер. ученый Г. Меллер (приехавший в эти годы работать в СССР) совместно с учеными А. А. Прокофьевой-Бельговской и К. В. Косиковым впервые смогли дать линейную оценку размера участка хромосомы, занятого одним геном. В эти же годы, изучая влияние радиации на наследственный аппарат, сов. ученый Н. В. Тимофеев-Ресовский, нем. ученые М. Дельбрюк и К. Циммер дали первый приближенный расчет объема гена.

Химическое строение и функционирование гена. Несмотря на значительные успехи в исследовании гена, его химическое строение и физическая природа были неизвестны. До конца 40-х гг. оставалось неясным, что же собой представляет вещество наследственности, хотя в 1944 г. амер. ученые Т. Эйвери и др. установили, что у бактерий наследственную информацию несут молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК (см. Нуклеиновые кислоты). Лишь после открытия в 1953 г. структуры ДНК и описания ее свойств (амер. биолог Д.Уотсон и англ. физик Ф. Крик) было окончательно доказано, что гены сосредоточены в молекуле ДНК. К этому же времени было установлено, что в генах содержится информация о точном строении ферментных белков, управляющих всеми реакциями в живых организмах, что каждый ген занимает отрезок молекулы ДНК и кодирует порядок расположения аминокислот (составных частей белковой молекулы) в полипептидных цепях ферментных и других белков (см. Генетический код). Кодирующие свойства принадлежат составным частям молекулы ДНК — нуклеотидам, а каждой аминокислоте соответствует три последовательно расположенных нуклеотида в ДНК (так наз. триплет, или кодон). Строгое соответствие между последовательностью нуклеотидов в структуре гена и чередованием аминокислот в кодируемом этим геном белке было экспериментально установлено в 1964—1965 гг. Таким образом, каждый ген отличается от другого уникальной, свойственной только ему последовательностью расположения нуклеотидов. Установление этого факта позволило понять молекулярные основы изменения наследуемых признаков как процесса замены, выпадения или дополнительного включения отдельных нуклеотидов (или групп нуклеотидов), а также перемещения участков генов с одного места на другое (см. Мутагенез). Было доказано, что мутации могут возникать в генах в результате воздействия на организмы как облучения (ионизирующая радиация, ультрафиолетовые лучи, нейтроны и др.), так и разнообразных химических соединений (мутагенов). В естественных условиях каждый ген мутирует в среднем у одной из 100 тысяч или миллиона особей в одном поколении. Применение химических и лучевых мутагенов повышает частоту мутирования в несколько десятков или сотен раз. Для сохранения в поколениях наследственных признаков последовательность расположения нуклеотидов в генах должна оставаться неизменной. В противном случае под контролем измененного гена будет синтезироваться белок с нарушенной структурой и измененной функцией или даже синтез какого-либо белка окажется невозможным. При этом установлено, что изменение (перестановка или замена) даже одного нуклеотида в гене может вести к резкому изменению свойств кодируемого им фермента, что в свою очередь может обусловить возникновение наследственного заболевания (см. Наследственные болезни). В 60-е гг. 20 в. благодаря успехам молекулярной генетики был полностью определен точный состав всех троек нуклеотидов (кодонов), кодирующих 20 основных аминокислот, а также выяснены закономерности функционирования генов. В результате этих исследований было доказано, что клетка обладает способностью размножать молекулы ДНК, несущие генетическую информацию. Это свойство было названо репликацией. При этом с участием нескольких групп специальных ферментов происходит точное копирование исходной ДНК. На гене синтезируется его копия в виде молекулы рибонуклеиновой кислоты — так называемая информационная, или иРНК (см. Нуклеиновые кислоты). Этот процесс получил название транскрипции. иРНК соединяется со специальными клеточными образованиями — рибосомами, и при участии другой формы рибонуклеиновой кислоты — так называемой транспортной (тРНК), связанной с аминокислотами, в рибосомах происходит синтез соответствующей данному гену белковой молекулы (процесс трансляции). В конечном итоге оказывается, что последовательность аминокислот в белке, а значит, и его свойства целиком определяются последовательностью (порядком расположения) нуклеотидов в гене. Таким образом, согласно современным представлениям, ген — это участок молекулы дезоксирибояуклеиновой кислоты — ДНК (у некоторых вирусов — рибонуклеиновой кислоты — РНК), который определяет порядок расположения аминокислот в первичной структуре какого-либо из белков живой клетки и тем самым обусловливает формирование признаков организма.

В 1961 г. франц. ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно обнаружили, что гены функционально неоднородны, что существует две группы ген: структурные, управляющие синтезом специфических белков (гл. обр. ферментов), и регуляторные, контролирующие деятельность структурных ген. Дальнейшими исследованиями был расшифрован сложный механизм регуляции активности структурных ген и уточнены некоторые детали процесса «считывания» генетической информации (см. Молекулярная генетика).

Геном, плазмой, генотип и фенотип. Все организмы на Земле подразделяют на две группы по признаку структурной организации ядра в их клетках. Те многоклеточные и одноклеточные организмы, в клетках которых имеется ядро, окруженное специальной ядерной оболочкой, отгораживающей содержимое ядра от цитоплазмы, называют эукариотами (от лат. эу — собственно, карио — ядро). Одноклеточные микроорганизмы, не имеющие четко сформированного ядра, а вместо этого содержащие единственную молекулу ДНК, не связанную с белками, называют прокариотами. У эукариотов, включая человека, в каждой хромосоме содержится одна огромная по длине молекула ДНК, несущая, по-видимому, несколько тысяч ген. У прокариотов аналогом хромосомы является единственная в клетке молекула ДНК (к тому же не несущая на себе ядерных белков), в которой содержится несколько сотен ген, последовательно располагающихся по длине молекулы. Установлено, что, помимо ген, входящих в состав хромосом, и у эукариотов, и у прокариотов часть генов сосредоточена в более коротких молекулах ДНК, располагающихся в структурах органелл клеток (митохондрий, хлоропластов и др.) и в так называемых плазмидах (половые факторы бактерий, факторы устойчивости к антибиотикам и т. д.), расположенных в цитоплазме клеток. Эти нехромосомные гены называют также цито-плазматическими генами. Совокупность всех ген, входящих в состав хромосом каждой клетки эукариотов (или в единственную хромосому у прокариотов), без учета цитоплазматических генов, по предложению нем. биолога Г. Винклера (1920), принято называть геномом клетки. В свою очередь совокупность цитоплазматических генов называют плазмоном.

Всю наследственную информацию, присущую организму, включая и гены, сосредоточенные в хромосомах, и гены, находящиеся в цитоплазматических структурах, по предложению У. Иоганнсена (1909) называют генотипом клетки. Генотип содержит наследственную программу развития всех видовых и индивидуальных признаков организма. Совокупность всех признаков организма (как внешних, так и внутренних) называют фенотипом. Клетки тела высших организмов и человека имеют двойной набор хромосом (они диплоидны) и, следовательно, содержат два генома. Ряд организмов (низшие растения, некоторые насекомые) имеют и во взрослом состоянии только один геном (они гаплоидны). Некоторые растительные организмы имеют в своих клетках по 3, 4 и более геномов, т. е. тройной, четверной и более набор хромосом (напр., пшеница, свекла и др.). Такие многоплоидные организмы нередко отличаются по своим внешним признакам, т. е. своему фенотипу. Некоторые органы в теле человека также содержат в своих клетках по тройному набору хромосом. В половых клетках (гаметах) диплоидных организмов содержится один геном, т. к. в процессе их созревания парные хромосомы расходятся по разным клеткам. При оплодотворении (см. Размножение) происходит объединение геномов отцовских и материнских половых клеток. Как правило, геномы отцовских и материнских гамет гомологичны (соответственны), но в гибридных организмах такое соответствие отсутствует.

Обмен генами между организмами может происходить в результате различных биологич. процессов. Прежде всего он осуществляется во время формирования половых клеток, когда происходит так наз. кроссинговер. В клетках каждого организма содержится по паре каждой из хромосом: одна получена от отца, а другая от матери. Эти хромосомы получили название гомологичных хромосом. Подавляющее большинство генов в этих хромосомах одинаково, а отличия касаются лишь тех генов, которые содержат мутации (см. Мутагенез). Перед созреванием половых клеток во всех организмах происходит особое клеточное деление (мейоз). На одной из его стадий гомологичные хромосомы вступают в тесный контакт друг с другом (это возможно, т. к. генный набор и последовательность генов в этих хромосомах в основном схожи) и иногда обмениваются между собой участками большей или меньшей длины. Гораздо реже наблюдается кроссинговер в обычных (соматических) клетках тела. У микроорганизмов существует много других способов обмена генетической информацией за счет ряда специальных процессов. Ученые прилагают большие усилия для того, чтобы добиться осуществления этих способов и у высших организмов (см. Инженерия генетическая). Делается это главным образом для выяснения природы процессов обмена генетической информацией, происходящих в живой природе, чтобы человек в будущем смог применить их на практике, вводя желаемые гены в нужные организмы и, напротив, исключая из набора генов данного организма ненужные или вредные гены, например, вызывающие заболевания. Конечно, эти целенаправленные манипуляции, несмотря на их исключительную важность как для целей здравоохранения, так и для ряда других отраслей деятельности человека (сельского хозяйства, охраны природы и др.), станут возможными только в будущем, но исследование процессов обмена генов, происходящих в естественных условиях, во-первых, доказывает принципиальную возможность того, что эти процессы действительно осуществляются в природе, а во-вторых, позволяют выяснить механизм и детали различных способов обмена генов. Во всяком случае установлено, что процессы обмена генов имеют важное эволюционное значение, т. к. они позволяют образоваться новым сочетаниям нормальных и измененных генов. Новые комбинации нередко оказываются более жизнеспособными и благоприятными для естественного отбора. В результате отбираются лучшие формы растений, животных и микроорганизмов. Таким образом, обмен генами является важным способом получения измененных форм и играет существенную роль в эволюции (см. Эволюционное учение).




© 2007-2012 Медицинский словарь Rambler's Top100