Et gen er en informasjonsenhet [ 1 ] på et deoksyribonukleinsyre ( DNA) locus som koder for et genprodukt , enten protein eller RNA . Det er den molekylære enheten for genetisk arv , [ 2 ] [ 3 ] da den lagrer genetisk informasjon og lar den overføres til avkom . Gener finnes på kromosomer , og hver enkelt inntar en spesifikk posisjon på dem kalt et locus . Settet med gener til en art kalles genomet .
For hvert lokus kan det være flere mulige alleler (det vil si at de kan ha ulike former med ulike konsekvenser). Når gener er tett sammen, er det mindre sannsynlig at de skiller seg ved crossover, det vil si at de ikke segregerer uavhengig, men som en blokk. Koblingsgrupper kalles sett med gener lokalisert i nærliggende loci som overføres sammen.
Molekylært er genet en sekvens av sammenhengende nukleotider i DNA-molekylet (eller RNA i tilfelle av noen virus ) som inneholder informasjonen som er nødvendig for syntesen av et makromolekyl med en spesifikk cellulær funksjon , det vil si knyttet til utvikling eller funksjon. av en fysiologisk funksjon. Disse produktene er vanligvis proteiner, etter å ha gått gjennom messenger-RNA (mRNA), men også ikke-kodende RNA- er, slik som ribosomalt RNA (rRNA), transfer-RNA (tRNA) og mange andre med regulatoriske funksjoner eller hvis funksjon gradvis blir forstått.
Konseptet med gen har endret seg over tid, ettersom vitenskapen som studerer det, genetikk , har avansert :
Fra Mendels originale teori om bestemmelsen av spesifikke fysiske karakterer (f.eks. blomsterfarge) av diskrete arvelige partikler, har konseptet om genet gradvis utviklet seg til en funksjonell enhet. Dette ble først kunngjort i 1945 av genetikeren George Beadle (1903-1989), som foreslo at hvert gen var spesifikt: "ett gen, ett protein"-hypotesen. Det ble senere modifisert da det ble innsett at gener kunne bestemme ikke-enzymatiske proteiner så vel som individuelle polypeptidkjeder (proteinunderenheter) og de ulike typene RNA involvert i proteinsyntese. Utviklingen av nye teknikker på 1960- og 1980-tallet, spesielt DNA-sekvensering og genkloning, gjorde det mulig for molekylærgenetikere å teste ut den nøyaktige strukturen til gener ned til basisnivå.
Slike teknikker gir mye informasjon om hvordan gener slås av og på og om andre aspekter ved deres uttrykk .
Et gen er en sekvens eller et segment av DNA som er nødvendig for syntese av funksjonelt RNA, slik som overførings-RNA eller ribosomalt RNA. Disse to typene RNA koder imidlertid ikke for proteiner, noe som gjøres av messenger-RNA . For å gjøre dette genererer transkripsjon et RNA-molekyl som senere vil gjennomgå translasjon i ribosomene , en prosess der et protein genereres . Mange gener er bygd opp av kodende regioner ( eksoner ) avbrutt av ikke-kodende regioner ( introner ) som elimineres under RNA-behandling ( spleising ). I prokaryote celler skjer ikke dette fordi prokaryote gener mangler introner. Sekvensen av baser tilstede i RNA bestemmer aminosyresekvensen til proteinet gjennom den genetiske koden .
Andre gener blir ikke oversatt til protein, men utfører sin funksjon i form av RNA. Blant disse finner vi gener for overførings -RNA , ribosomalt RNA , ribozymer og andre små RNA-er med forskjellige funksjoner. [ 8 ]
Noen gener har gjennomgått mutasjonsprosesser eller andre omorganiseringsfenomener og har sluttet å være funksjonelle, men vedvarer i genomene til levende vesener. Når de slutter å ha en funksjon, kalles de pseudogener , som utgjør en evolusjonær ressurs for arten, siden de er kvasifunksjonelle DNA- regioner som kan akseptere mutasjoner (og generere nye funksjoner) uten at det går ut over funksjonene som allerede er utviklet i organisme, og de kan være svært like andre gener fra samme organisme som er funksjonelle.
DNA-replikasjon utføres med ekstrem presisjon, men feil, kalt mutasjoner , kan oppstå . [ 3 ] Feilraten i eukaryote celler kan være så lav som 10–8 mutasjoner per replikert nukleotid , [ 9 ] [ 10 ] mens i noen RNA- kan raten være så høy som 10–3virus . [ 11 ] Dermed akkumulerer hvert menneskegenom i hver generasjon omtrent mellom 1 og 2 nye mutasjoner. [ 11 ] Små mutasjoner kan oppstå under prosessen med DNA-replikasjon , som vanligvis repareres ved en prosess kjent som DNA-reparasjon , men hvis denne prosessen ikke identifiserte eller korrigerte mutasjonen, ville det oppstå skade som ville føre til utseendet av genetiske mutasjoner . Denne feilen er ikke annet enn å erstatte en substituert nitrogenholdig base med en annen, eller noe mye farligere, en forskyvning av leserammen der en base er satt inn eller slettet (eller to, endringen vil påvirke mindre hvis slettingen skjer i tre baser, siden DNA-avlesningen gjøres av trillinger). Enhver av disse mutasjonene kan modifisere funksjonen til genet, noe som gir opphav til en nonsens-mutasjon ( endringer av ett kodon for et annet som er oversatt av en annen aminosyre , som modifiserer funksjonaliteten til det oversatte proteinet). [ 12 ] En mutasjon uten sansforandring kan også oppstå, der det resulterende kodonet blir oversatt til samme aminosyre (den genetiske koden er degenerert , noe som betyr at flere kombinasjoner av tripletter blir oversatt til samme aminosyre ): dette ville være en følelsesmutasjon . Større mutasjoner kan være forårsaket av feil i rekombinasjon, synapsis eller under prosessen med meiose eller mitose under kromosompartisjonering, noe som forårsaker henholdsvis kromosommutasjoner og aneuploidier. Disse feilene inkluderer genduplisering (dobling av den genetiske sammensetningen av en celle ved å inneholde en ekstra kopi av kromosomet som huser det), eller sletting, omorganisering og inversjon av lange deler av et kromosom. Også DNA-reparasjonsmekanismen kan introdusere feil når man prøver å reparere fysisk skade på DNA-molekylet. [ 3 ] : 5.4
Eksistensen av flere samtidige alleler av et gen i samme populasjon kalles polymorfisme . De fleste av de forskjellige allelene fungerer likt; noen kan imidlertid ha forskjellige biologiske karakterer . Den vanligste allelen av et gen kalles villtypen , og sjeldne (uvanlige) alleler kalles mutanter. Variasjonen i relative frekvenser av forskjellige alleler i en populasjon er en konsekvens av naturlig seleksjon og genetisk drift (henholdsvis mål på den adaptive suksessen og den statistiske effekten av et allel). [ 13 ] Villtype-allelen er definitivt ikke stamfaren til de mindre vanlige allelene, og det er heller ikke nødvendigvis sant at de er mer tilpasset .
De fleste mutasjoner som forekommer i gener har en tendens til å være nøytrale fordi de ikke påvirker fenotypen til organismen. Selv om en mutasjon ikke er nøytral kan den føre til et funksjonelt identisk protein, siden substitusjonen kan være med en ekvivalent eller ikke-skadelig aminosyre innenfor den indre strukturen til proteinet den koder for. Imidlertid er mange mutasjoner skadelige når de ikke er tydelig dødelige, og blir forkastet av naturlig utvalg . Genetiske lidelser skyldes skadelige mutasjoner og noen ganger på grunn av en spontan mutasjon hos det berørte individet tidlig i utviklingen, eller arvet fra en eller begge foreldrene der en annen kopi av genet overtok funksjonen som barnet arver. Noen få fordeler organismen ved å forbedre kondisjon, og de betyr mye fordi de dermed styrer adaptiv evolusjon . [ 3 ]
Gener med en nyere felles stamfar , det vil si delt evolusjonær aner, er kjent som homologer . [ 14 ] Disse genene oppstår enten ved genduplikasjon i genomet til en organisme, og kalles paraloge gener, eller er et resultat av divergens av gener etter en artsdannelse , de kalles ortologe gener, [ 3 ] : 7,6 og utfører ofte en funksjon. som er det samme eller lignende i beslektede organismer. Det antas ofte at funksjonene til ortologe gener er mer like enn de til paraloge gener, selv om forskjellene er svært små. [ 15 ] [ 16 ]
Relasjonen mellom gener kan måles ved å sammenligne deres DNA -sekvensjustering . [ 3 ] : 7.6 Graden av likhet mellom homologe gener kalles konservert sekvens . De fleste endringene påvirker ikke genfunksjonen, og dette er grunnen til at gener akkumulerer mutasjoner over tid, på grunn av nøytralistisk molekylær evolusjon . Dessuten vil enhver seleksjon på et gen føre til at sekvensen divergerer med en annen hastighet. Gener under stabiliserende seleksjon er begrenset og endres dermed saktere, mens gener under retningsbestemt seleksjon endrer sekvens raskere. Sekvensforskjeller mellom gener kan brukes til fylogenetiske analyser for å studere hvordan disse genene utviklet seg og hvordan organismene de kom fra er relatert. [ 17 ] [ 18 ]
Den vanligste kilden til gener i eukaryote celler er kromosomduplikasjon , som skaper variasjon i antall kopier av et gen som allerede eksisterer i genomet. [ 19 ] [ 20 ] De resulterende genene (paraloger) kan da ha divergert i sekvens og også i funksjon. Grupper av gener dannet på denne måten kalles en genfamilie . Genetiske dupliseringer og tap innen en familie er vanlige og representerer en viktig kilde til genetisk mangfold og evolusjonært biologisk mangfold . [ 21 ] Noen ganger vil genduplisering resultere i en ikke-funksjonell kopi av et gen, eller en kopi som burde virke, men på grunn av mutasjoner opplever funksjonstap; slike gener kalles pseudogener . [ 3 ]
Genomet er det totale genetiske materialet til en organisme og inkluderer gener så vel som ikke-kodende sekvenser. [ 22 ]
Størrelsen på genomet og antall kodende gener varierer sterkt mellom biologiske former. De minste genomene forekommer i virus , som kan ha bare to kodende gener for å kode for proteinene deres, [ 23 ] og viroider , som fungerer som et enkelt ikke-kodende RNA-gen. [ 24 ] På den annen side kan planter ha veldig store genomer, [ 25 ] med ris som inneholder >46 000 proteinkodende gener. [ 26 ] Det totale antallet proteinkodende gener ( jordproteomet ) er estimert til å være 5 millioner sekvenser. [ 27 ]
Selv om antallet DNA-basepar i det menneskelige genomet har vært kjent siden 1960-tallet, har estimatet av antall gener endret seg gjennom årene av årsaker som endringer i definisjonen av hva et gen er, og forbedringer i metodene som brukes. for å oppdage genene. De første teoretiske spådommene om antall menneskelige gener nådde to millioner. [ 28 ] Innledende eksperimenter indikerte at mellom 50 000-100 000 gentranskripsjoner ( Marker Sequence expressed ) ble uttrykt. [ 29 ] Senere indikerte sekvensering utført ved Human Genome Project at mange av transkripsjonene var alternative varianter av det samme genet, og det totale antallet proteinkodende gener falt til -20 000 [ 30 ] med 13 av genene som koder i mitokondrielt genom . Av det menneskelige genomet består kun 1-2% av proteinkodende gener, [ 32 ] mens resten er ikke-kodende DNA som introner , retrotransposoner og ikke-kodende RNA . [ 32 ] [ 33 ]
| biologisk form | antall gener | Basepar |
|---|---|---|
| Gulv | <50 000 | <10 11 |
| Mennesker | 20 000-25 000 [ 34 ] | 3 × 10 9 |
| Fluer | 12000 | 1,6 × 10 8 |
| Sopp | 6000 | 1,3 × 10 7 |
| bakterie | 500-6000 | 5 × 10 5 - 10 7 |
| Mycoplasma genitalium | 500 | 580 000 |
| DNA-virus | 10-300 | 5 000-800 000 |
| RNA-virus | 1-25 | 1 000-23 000 |
| plasmider | 30-100 [ 35 ] | 3 000–900 000 |
| Transposoner | 1-10 | 2000-10000 |
| viroider | 0-1 | –500 |
| prioner | 0 | 0 |
Diploide organismer har to sett med homologe kromosomer , hver kommer fra en forelder, hvis kjønnsceller (skapt av meiose ) smeltet sammen til en celle kjent som en zygote under seksuell reproduksjon . [ 36 ] For eksempel inneholder kjønnscellene ( egg og sædceller ) til mennesket bare 23 enkle kromosomer (de er haploide ), men når celledelingen av zygoten opprettet ved befruktning er fullført i fire celler, vil hver celle i den nye babyen vil ha 23 par kromosomer, det vil si 46 kromosomer, ett av parene kommer fra moren og et annet fra faren. [ 37 ]
Noen sykdommer , som sigdcelleanemi, kan være forårsaket av en endring i et enkelt gen. Gener kan vises i forskjellige versjoner, med små variasjoner i sekvensen: disse kalles alleler . Alleler kan være dominante eller recessive. Når en enkelt kopi av allelet får egenskapen eller fenotypen til å manifestere seg , er allelet dominant. Når to kopier av allelet er nødvendig for at effekten skal manifestere seg, er allelet recessivt.
Et gen er settet av en gitt sekvens av nukleotider på den ene siden av "stigen" til det refererte kromosomet . Sekvensen kan bli proteiner, eller vil bli hemmet, avhengig av programmet som er tildelt cellen som bidrar med kromosomene. [ 38 ]
Horisontal genoverføring refererer til bevegelse av gener mellom levende ting som ikke skjer gjennom vertikal overføring (fra foreldre til barn). Horisontal genoverføring skjer oftest i encellede organismer , men det forekommer også i flercellede organismer . [ 39 ] [ 40 ] Denne overføringen har vist seg å være en viktig faktor i utviklingen av levende vesener. [ 41 ] Selv om det er overraskende å snakke om genoverføring på annen måte enn gjennom avstamning, har det blitt akkumulert bevis siden 1940-tallet for at prokaryoter kunne flytte genetisk materiale ved hjelp av molekyler kjent som plasmider . Disse molekylene kan bære gener assosiert med fruktbarhet, fenotype og metabolisme, de kan til og med inkorporere gener som hjelper bakterier til å bli resistente mot antibiotika eller virulente gener som favoriserer patogenesen til bakterier. Plasmider kan overføres ikke bare mellom prokaryote stammer , men også mellom forskjellige arter. [ 39 ] [ 42 ]
Plasmider var imidlertid ikke de eneste genvektorene , siden det senere ble oppdaget at transposoner , DNA-sekvenser som er i stand til å bevege seg til forskjellige deler av genomet, kunne overføres mellom organismer som lever i symbiose som: lav , virvelløse dyr som insekter eller krepsdyr , sopp , planter osv. [ 43 ] Hos mennesker er det dokumentert tilfeller av horisontal genoverføring med parasittiske nematoder via transposoner. [ 44 ] Det ble også tydelig at virale midler ( virus , viroider og satellittvirus ) under smitte og infeksjon kunne inkorporere gener fra én vert og bære gener fra en annen vert, inkludert andre arter. [ 45 ] Virus kan betraktes som den mest dominerende metoden for horisontal genoverføring mellom levende vesener, selv om de er smittsomme, og virus utvikler proteinpartikler ( virioner ) som tillater enkel mobilitet mellom vertene deres. Nylig har det også blitt identifisert at virus kan motta flere gener fra satellittvirus som er avhengige av dem for samtidig infeksjon . På sin side kan plasmider og transposoner motta ytterligere gener fra integroner , som er mobile genkassetter som finnes i prokaryoter. Dette viser at genbevegelse ikke bare eksisterer i cellulære organismer, men også mellom vektorpartikler. Alle disse molekylene eller partiklene har ofte blitt kalt mobilom eller mobile genetiske elementer . [ 46 ]
Andre mekanismer for horisontal genoverføring inkluderer rekombinasjon , gentap, genduplisering og genskaping. [ 47 ] Horisontal genoverføring viser seg å være en begrensning for evolusjonister siden hvis to arter har byttet ut gener gjennom evolusjonen kan de fremstå like i en fylogenetisk analyse uten å måtte ha delt en felles stamfar, fordi det genet er det samme selv om mange andre gener er ikke like. Av denne grunn er det noen ganger ideelt å bruke annen informasjon for å utlede store fylogenier som tilstedeværelse eller fravær av gener, eller mer vanlig å inkludere et stort spekter av gener for fylogenetisk analyse. Proteomanalyser kan også være nyttige for å bestemme fylogenetiske forhold mellom organismer som gjennomgår horisontal genoverføring eller har høye genetiske mutasjoner. [ 39 ] [ 48 ]
I genteknologi modifiseres genomet til en organisme ved hjelp av metoder for bioteknologi . Siden 1970-tallet har det blitt utviklet teknikker som spesifikt aggregerer og redigerer en organisme [ 49 ] Genomteknikk har nylig utviklet noen teknikker som bruker enzymnukleaser for å lage bleket DNA-reparasjoner på et kromosom , eller for å forstyrre eller redigere et gen når bruddet er reparert. [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] Det lignende uttrykket er syntetisk biologi som noen ganger brukes for å referere til den omfattende konstruksjonen av en organisme. [ 54 ]
Genteknologi er nå et rutinemessig forskningsverktøy som bruker en modellorganisme . For eksempel er det enkelt å legge til gener til bakterier [ 55 ] mens knockout-muselinjer med en forstyrret genfunksjon brukes til å undersøke funksjonen til det genet. [ 56 ] [ 57 ] Mange gener har blitt modifisert for bruk i landbruk , medisin og industriell bioteknologi.
For flercellede organismer konstrueres vanligvis et embryo , som vokser til en voksen genetisk modifisert organisme . [ 58 ] Imidlertid kan genomene i celler til en voksen organisme redigeres ved å bruke genterapiteknikker for å forsøke å kurere sykdommer med genetiske årsaker.