![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
progenesВ новый год с новыми знаниями и вопросами. Ушедшая декада нового тысячелетия ознаменовалась новыми (очередными) попытками сформулировать понятие ген и оно оказалось весьма запутанным. Сейчас разберемся с генами там, где это еще возможно. Я уже делала попытки об этом написать в самом начале ведения блога, но мне оказалось сложно подобрать слова, чтобы не загрузить текст кучей специальных терминов, которые знать вовсе необязательно. В этот раз я постараюсь обойтись без них (хаха!)
Если меня спросить, что такое ген, то я немного невнятно помычу, закатывая глаза, почешу затылок, а потом скажу что-то вроде, что ген - это «комплекс причинно-следственных молекулярных событий, где определенный участок дезоксирибонуклеиновой кислоты играет ключевую роль». Но это моя личная интерпретация.
Немного истории.
Освежим то, что мы уже знаем. В классической генетике ген - абстрактное понятие, единица наследования, которая передает какие-то качества от родителя к ребенку. Биохимия добавила в эту картину первую конкретику: эти качества связаны с ферментами или белками, по одному на каждый ген. А с приходом молекулярной биологии, гены окончательно воплотились в материальную субстанцию - последовательность ДНК, которая при конвертировании в информационную РНК может быть использована в качестве основы для создания белков. Длинные спиральные молекулы ДНК хромосом представлялись как длинные нити, на которые «нанизаны» последовательности генов словно бисер. Эта стройная картина все еще существует в умах многих молекулярщиков, хотя и с целым рядом поправок к центральной догме молекулярной биологии. Не то, чтобы никто не интересовался, что такое ген на самом деле. Просто зачастую чисто технически такого представления вполне достаточно, чтобы выделить дискретный участок ДНК, который кодирует какой-то ген, который можно расшифровать, переписать в РНК, а затем в белок. Держим в голове самую простую схему ДНК - РНК – белок- признак. Это одна из возможных схем, но пока и ее достаточно, чтобы понять, что с геном все не так просто. Отсюда мы сейчас начнем плясать.
Если в геноме совсем нет участка ДНК, кодирующего какой-то продукт, то тут мы с уверенностью можем утверждать, что гена тоже нет. Это, пожалуй, единственное, в чем мы можем быть уверенными на сто процентов.
Ген-кодирующий участок ДНК?
Если есть участок ДНК, который считывается в виде РНК, на которой может синтезироваться белок, это уже ген или нет? Вопросы начинаются уже с момента считывания РНК. Я ранее об этом писала, напомню еще раз. Перед геном как правило всегда есть последовательность, которую называют промотором. На ней расположен целый ряд регуляторных последовательностей, на которые садится молекулярная машина считки РНК.
Проверяем гипотезу. Берем последовательность ДНК, в которой «записан» конечный продукт и переносим ее в другой геном. Если промотора у нее нет, то она «не включится», не будет считки РНК, соответственно, конечного продукта также не будет. Получается ситуация – участок, кодирующий белок у нас есть, а продукта нет. Для клетки и целого организма эта ситуация рассматривается как отсутствие признака. Следовательно, ген это не только кодирующая последовательность, но и промотор – кнопка, ее «включающая». Вот так.
Ген – кодирующий участок ДНК плюс промотор?
Допустим, теперь у нас есть ДНК, состоящая как минимум из двух частей – кодирующей продукт и промотора. Это ген? Чтобы проверить гипотезу, промутируем в промоторе ряд важных регуляторных последовательностей так, чтобы их НЕ узнавала та самая транскрипционная машина. В результате синтеза РНК опять не происходит, белка нет. Для организма это опять ситуация равная «отсутствию признака». Таким образом, важно те только, чтобы физически присутствовала кодирующая последовательность и промотор, важно также, чтобы в промоторе все регулирующие элементы были в полном здравии.
Вот как звучит окончательная формулировка гена–«A locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions and/or other functional sequence regions.»
Ген плюс факторы транскрипции.
Факторы транскрипции определяют когда и где именно включить или заблокировать синтез РНК с того или иного участка ДНК, который мы считаем геном. Нет факторов транскрипции, нет работы гена, нет признака, который он кодирует.
И вот как это выглядит на картинке. И с этой байдой мы попробуем взлететь.
Поэтому, для примера, следующая ситуация. Берем участок ДНК, с кодирующей частью и промотором-кнопкой в целости и сохранности (мы думаем, что это уже наконец ген, который кодирует белок и кодирует какой-то признак) и переносим в геном каких-то клеток. Для лучшего понимания немного упростим ситуацию. Допустим, что ген из растений, а мы переносим его в геном клеток кожи, которые растут на питательной среде. Вы не сильно удивитесь, если узнаете, что может случиться так, что там ген не «включится»? Наиболее вероятное объяснение такое, что в животных клетках транскрипционная машина не узнает растительные регуляторные последовательности. Для животных клеток это ситуация отсутствия гена и отсутствие его продукта, следовательно, отсутствие признака.
Я уже руки раскинула так далеко, что получается, что чтобы ген (участок ДНК) свершил то, что в классической генетике считается реализация какого-то унаследованного признака, то в эту картину просто необходимо добавить еще и условия его работы.
Факторы транскрипции (шары на картинке) - это белки. И раз это белки, значит они тоже кодируются какими-то генами. И точно также считываются в виде РНК и тоже с помощью других факторов транскрипции, которые тоже гены и так далее. Для каждого гена свой индивидуальный набор транскрипционной машины, которая собирается в зависимости от внешних сигналов.
Таким образом, чтобы заработал один ген в конкретный момент времени, в конкретном месте в организме надо, чтобы перед этим там включились другие гены и подготовили все к его включению. От чего это зависит? Именно в этом месте в эту эпическую картину мы добавляем самого ключевого игрока – внешнюю и внутренюю среду.
Синтез, локализация и работа факторов транскрипции часто регулируется принятием молекулярных сигналов извне. Например, в клетку поступил сигнал - атака патогена или гормон. Он воспринимается какими-то рецепторами на поверхности клетки (которые тоже гены). Дальше, вроде падающих домино-фишек, сигнал передается молекулярному каскаду (которые тоже гены) до ядра и включает синтез нужных факторов транскрипции (напоминаю, это тоже гены), которые потом включают ген Х, продукт которого может непосредственно влиять на патоген.
Получается, что включению (работе) всегда гена предшедствуют события, которые произошли в прошлом хотя бы на мгновение раньше и подготовили почву для его работы.
Для тех, кто дочитал до конца. Обо всем этом вы можете спокойно забыть. Потому что промоторы бывают не только спереди гена, но и в его хвосте. Регуляторные участки натыканы и внутри кодирующей части и вообще где-попало. Не все считанные РНК кодируют какой-то белок, а являются регуляторами работы других генов. Но и в этом случае они могут считаться генами. Один кодирующий участок ДНК может расшифровывать в разные продукты. И пока молекулярщики сошлись с горем пополам на общем знаменателе, что с кучей оговорок, признаком работающего гена можно считать функциональный транскрипт (РНК), кодирует ли он белок, или нет, некоторые бактерии могут синтезировать белок прямо на ДНК. При этом мы еще не касались эпигенетической регуляции, которая тоже причем.
И в заключение, зачем нам это все знать? Разворачивание генетической программы происходит во времени в виде комплексного взаимодействия генов между собой при тесном взаимодействии с окружающей средой. Факторов, влияющих на это, великое множество. Например, широко известный пример незакрытия нервной трубки во время внутриутробного развития при дефиците фолиевой кислоты: у мышей этот феномен кодируется более чем 200 генами. У человека пока с относительной точностью определили всего несколько ключевых генов, задействованых в метаболизме фолиевой кислоты. Но их наверняка больше.
Если меня спросить, что такое ген, то я немного невнятно помычу, закатывая глаза, почешу затылок, а потом скажу что-то вроде, что ген - это «комплекс причинно-следственных молекулярных событий, где определенный участок дезоксирибонуклеиновой кислоты играет ключевую роль». Но это моя личная интерпретация.
Немного истории.
Освежим то, что мы уже знаем. В классической генетике ген - абстрактное понятие, единица наследования, которая передает какие-то качества от родителя к ребенку. Биохимия добавила в эту картину первую конкретику: эти качества связаны с ферментами или белками, по одному на каждый ген. А с приходом молекулярной биологии, гены окончательно воплотились в материальную субстанцию - последовательность ДНК, которая при конвертировании в информационную РНК может быть использована в качестве основы для создания белков. Длинные спиральные молекулы ДНК хромосом представлялись как длинные нити, на которые «нанизаны» последовательности генов словно бисер. Эта стройная картина все еще существует в умах многих молекулярщиков, хотя и с целым рядом поправок к центральной догме молекулярной биологии. Не то, чтобы никто не интересовался, что такое ген на самом деле. Просто зачастую чисто технически такого представления вполне достаточно, чтобы выделить дискретный участок ДНК, который кодирует какой-то ген, который можно расшифровать, переписать в РНК, а затем в белок. Держим в голове самую простую схему ДНК - РНК – белок- признак. Это одна из возможных схем, но пока и ее достаточно, чтобы понять, что с геном все не так просто. Отсюда мы сейчас начнем плясать.
Если в геноме совсем нет участка ДНК, кодирующего какой-то продукт, то тут мы с уверенностью можем утверждать, что гена тоже нет. Это, пожалуй, единственное, в чем мы можем быть уверенными на сто процентов.
Ген-кодирующий участок ДНК?
Если есть участок ДНК, который считывается в виде РНК, на которой может синтезироваться белок, это уже ген или нет? Вопросы начинаются уже с момента считывания РНК. Я ранее об этом писала, напомню еще раз. Перед геном как правило всегда есть последовательность, которую называют промотором. На ней расположен целый ряд регуляторных последовательностей, на которые садится молекулярная машина считки РНК.
Проверяем гипотезу. Берем последовательность ДНК, в которой «записан» конечный продукт и переносим ее в другой геном. Если промотора у нее нет, то она «не включится», не будет считки РНК, соответственно, конечного продукта также не будет. Получается ситуация – участок, кодирующий белок у нас есть, а продукта нет. Для клетки и целого организма эта ситуация рассматривается как отсутствие признака. Следовательно, ген это не только кодирующая последовательность, но и промотор – кнопка, ее «включающая». Вот так.
Ген – кодирующий участок ДНК плюс промотор?
Допустим, теперь у нас есть ДНК, состоящая как минимум из двух частей – кодирующей продукт и промотора. Это ген? Чтобы проверить гипотезу, промутируем в промоторе ряд важных регуляторных последовательностей так, чтобы их НЕ узнавала та самая транскрипционная машина. В результате синтеза РНК опять не происходит, белка нет. Для организма это опять ситуация равная «отсутствию признака». Таким образом, важно те только, чтобы физически присутствовала кодирующая последовательность и промотор, важно также, чтобы в промоторе все регулирующие элементы были в полном здравии.
Вот как звучит окончательная формулировка гена–«A locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions and/or other functional sequence regions.»
Ген плюс факторы транскрипции.
Факторы транскрипции определяют когда и где именно включить или заблокировать синтез РНК с того или иного участка ДНК, который мы считаем геном. Нет факторов транскрипции, нет работы гена, нет признака, который он кодирует.
И вот как это выглядит на картинке. И с этой байдой мы попробуем взлететь.
Поэтому, для примера, следующая ситуация. Берем участок ДНК, с кодирующей частью и промотором-кнопкой в целости и сохранности (мы думаем, что это уже наконец ген, который кодирует белок и кодирует какой-то признак) и переносим в геном каких-то клеток. Для лучшего понимания немного упростим ситуацию. Допустим, что ген из растений, а мы переносим его в геном клеток кожи, которые растут на питательной среде. Вы не сильно удивитесь, если узнаете, что может случиться так, что там ген не «включится»? Наиболее вероятное объяснение такое, что в животных клетках транскрипционная машина не узнает растительные регуляторные последовательности. Для животных клеток это ситуация отсутствия гена и отсутствие его продукта, следовательно, отсутствие признака.
Я уже руки раскинула так далеко, что получается, что чтобы ген (участок ДНК) свершил то, что в классической генетике считается реализация какого-то унаследованного признака, то в эту картину просто необходимо добавить еще и условия его работы.
Факторы транскрипции (шары на картинке) - это белки. И раз это белки, значит они тоже кодируются какими-то генами. И точно также считываются в виде РНК и тоже с помощью других факторов транскрипции, которые тоже гены и так далее. Для каждого гена свой индивидуальный набор транскрипционной машины, которая собирается в зависимости от внешних сигналов.
Таким образом, чтобы заработал один ген в конкретный момент времени, в конкретном месте в организме надо, чтобы перед этим там включились другие гены и подготовили все к его включению. От чего это зависит? Именно в этом месте в эту эпическую картину мы добавляем самого ключевого игрока – внешнюю и внутренюю среду.
Синтез, локализация и работа факторов транскрипции часто регулируется принятием молекулярных сигналов извне. Например, в клетку поступил сигнал - атака патогена или гормон. Он воспринимается какими-то рецепторами на поверхности клетки (которые тоже гены). Дальше, вроде падающих домино-фишек, сигнал передается молекулярному каскаду (которые тоже гены) до ядра и включает синтез нужных факторов транскрипции (напоминаю, это тоже гены), которые потом включают ген Х, продукт которого может непосредственно влиять на патоген.
Получается, что включению (работе) всегда гена предшедствуют события, которые произошли в прошлом хотя бы на мгновение раньше и подготовили почву для его работы.
Для тех, кто дочитал до конца. Обо всем этом вы можете спокойно забыть. Потому что промоторы бывают не только спереди гена, но и в его хвосте. Регуляторные участки натыканы и внутри кодирующей части и вообще где-попало. Не все считанные РНК кодируют какой-то белок, а являются регуляторами работы других генов. Но и в этом случае они могут считаться генами. Один кодирующий участок ДНК может расшифровывать в разные продукты. И пока молекулярщики сошлись с горем пополам на общем знаменателе, что с кучей оговорок, признаком работающего гена можно считать функциональный транскрипт (РНК), кодирует ли он белок, или нет, некоторые бактерии могут синтезировать белок прямо на ДНК. При этом мы еще не касались эпигенетической регуляции, которая тоже причем.
И в заключение, зачем нам это все знать? Разворачивание генетической программы происходит во времени в виде комплексного взаимодействия генов между собой при тесном взаимодействии с окружающей средой. Факторов, влияющих на это, великое множество. Например, широко известный пример незакрытия нервной трубки во время внутриутробного развития при дефиците фолиевой кислоты: у мышей этот феномен кодируется более чем 200 генами. У человека пока с относительной точностью определили всего несколько ключевых генов, задействованых в метаболизме фолиевой кислоты. Но их наверняка больше.
Tags:
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2011-01-07 01:10 pm (UTC)Так вот представление о гене, как нечто определяющем признак, было уместно только при однозначности цепочки "участок ДНК - белок - признак". Но современные данные (включая упомянутые МикроРНК) разрывают первую связь, делают ее неоднозначной даже в самом простом случае, когда четко можно выделить связь "белок - признак" (как с горохом).
Вот и получается, что два понимания гена: (1) как наследуемый участок ДНК и (2) как нечто однозначно связанное с признаком не тождественны друг другу. Во втором случае на роль гена лучше подходит белок. То есть перед нами конфликт двух понятий: (1) однозначной наследственности (которая есть на уровне ДНК) и (2) однозначной связи наследственности признаком (которая возможна лишь на уровне белка). Раньше эти понятия отождествлялись. Теперь сложнее.
Хотя понимаю, что это проблема в большей степени философско-понятийная, чем сугубо научная. Но, с другой стороны, надо как-то давать ответ на вопрос типа: "ген завязывания шнурков" (спасибо Докинзу :) - это белок (как в случае с горохом) или участок ДНК? Однако, как ни рассматривай механизм соотнесения участков ДНК, в конечном итоге дело придется иметь к конкретным белком (или его отсутствием). Так что? Мы должны говорить о "белке завязывания шнурков"?
no subject
Date: 2011-01-07 01:19 pm (UTC)Ну хорошо. Еще один пример. Сейчас с микроРНК точно так же поступают. Берут ДНК, которая кодирует какую-то микроРНК и переносят в геном кого-нить. И наблюдают какой-то фенотип, совершенно конкретный. Почему это не вписывается в схему элементарной логики: есть микроРНК-есть признак, нет микроРНК - нет признака?
По большому счету для генетика, нет никакой глобальной разницы, что именно это за молекула, которая считана с ДНК: белок или РНК. Он может об этом и не знать вовсе. Селекционер может вывести новый сорт, следуя схемам наследования. И может оказаться, что селектировал он на ген, который кодирует микроРНК. Для генетика важно только, что информация о молекуле записана в ДНК и передается по наследству, согласно конкретным правилам.
no subject
Date: 2011-01-07 01:49 pm (UTC)Да. Именно так. Но с уточнением: для генетика-селекционера (а не генетика-микробиолога). Селекционер оперирует понятием "черный ящик", из которого появляется или не появляется тот или иной белок. И в этом случае следует признать, что для него корректнее геном называть именно белок: как я писал - есть белок, есть признак, нет - так и нет.
А для генетика-микробиолога существенно то, что именно записано в ДНК (непосредственная наследуемость). Но между геном, понимаемом как участок ДНК связь с признаком может быть и довольно сложной - скажем, через микроРНК и пр.
Попробую еще раз обобщить: понятие "ген" мы исторически связываем с двумя другими понятиями: "наследственность" и "признак". До выявления сложного генетического механизма достаточно было просто говорить о гене, как некой абстракции, вспомогательном термине. Но сейчас (уже много зная) мы не можем однозначно совместить "наследственность" и "признак": с точки зрения "наследственности" геном следует называть "осмысленный" (задействованный в синтезе белка) участок ДНК, а с позиции "признака" (селекционизма) корректнее в качестве гена указать именно белок - ну хотя бы для того, чтобы не перечислять сколько факторов генетического механизма (генов в первом смысле) участвует в его синтезе, все равно именно наличие или отсутствие белка детерминирует признак.
no subject
Date: 2011-01-14 09:51 am (UTC)Признак детерминирует не белок, а комплексное молекулярное взаимодействие. Между белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами и еще кучей органических или неорганических соединений. Каждый из них ключевой и важный. Например, есть белок, допустим, это фермент, но для него нет органического субстрата извне, то это сразу отразится на эффективности его работы и мы будем наблюдать признак.
Например, дефицит органических удобрений для растений.
Для определения гена ключевое не то, в какую молекулу он в конечном счете расшифровывается, а в то, что он копируется и таким образом наследуется. А развитие признака - это и ген, и взаимодействие других "ненаследуемых" факторов.
no subject
Date: 2011-01-14 10:08 am (UTC)Тезис "наличие или отсутствие белка детерминирует признак" (с вашей поправкой, что тут нет однозначной детерминации, а лишь наличие необходимого, но не достаточного условия) призван показать, что чтобы ни происходило на уровне сугубо генетических механизмов (взаимодействия ДНК и РНК) на выходе будет только и исключительно белок (или его отсуиствие, или изменение его концентрации).
Вот эту-то проблему я и отмечал изначально: традиционно в головах и обывателей и ученых "ген" связан не только с понятием "наследственность", а "наследуемые признаки". В вашей формулировке "ген" должен пониматься исключительно и только как наследуемый элемент процесса воспроизводства циклов органического синтеза (белка). Связь этого синтеза с онтогенезом многоклеточных - это отдельная проблема.