![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
progenesПост про современное понятие гена поднял целый пласт новых вопросов. В крайнем варианте возражения можно просуммировать так: ну раз там так все сложно, есть ли у нас основания вообще ставить ген краеугольным камнем развития признака? Может пора отменить формулу "один ген - один признак"?
Попробую навести порядок в определениях и немного разложить по полочкам. В конце концов ген, как краеугольный камень в развити признака, нам важен прежде всего в его предсказательной силе. И есть примеры, когда мы можем точно предсказать, будет ли признак наследоваться, а иногда это сложно сделать. И я объясню
Давайте чисто интуитивно прикинем: Мы наблюдаем у человека наследственное заболевание серповидно-клеточную анемию. Это моногенное заболевание, которое вызвано мутацией в гене гемоглобина. Особи, у которых обе копии (аллели, а их всегда две) гена дефектные, ВСЕГДА будут демонстрировать признак. Мы можем точно предсказать в цифрах, процентах вероятности, как будет наследоваться этот признак в потомстве.
Таких примеров наследственных заболеваний есть довольно много.
Немного более сложная ситуация, если признак кодируется двумя генами (аллелями). Но и в этом случае мы можем предсказать, как он будет наследоваться. Еще сложнее с полигенным наследованием. Предсказать наследование признака еще сложнее.
Теперь внимание. Если мы заглянем в клетку и разберем ее на части, то обнаружится, что ее молекулярные системы можно хотя бы грубо классифицировать.
I. Метаболизм (синтез и деградация).
1. Метаболизмкарбогидратов углеводов.
2. Метаболизм энергетически емких соединений.
3. Метаболизм липидов.
4. Метаболизм нуклеотидов.
5. Метаболизм аминокислот.
6. Метаболизм гормонов.
7. Метаболизм витаминов.
8. Метаболизм вторичных метаболитов.
II. Обработка генетической информации.
1. Транскрипция.
2. Трансляция.
3. Сворачивание, сортировка и деградация белков.
III. Обработка внешней информации.
1. Мембранный транспорт.
2. Восприятия и передача молекулярных сигналов.
IV. Внутриклеточные процессы.
1. Обслуживание клеточного деления.
2. Обслуживание клеточного роста и растяжения.
3. Внутриклеточная архитектура.
4. Умирание клетки.
5. Адаптация к нетипичным условиям.
6. Реакция на заболевания.
V. Еще неизвестные функции.
При желании каждую категорию можно разбить еще на дополнительные подкатегории. Получится длинный список, но я приведу буквально один пример.
I. Метаболизм (синтез и деградация).
1. Метаболизмкарбогидратов углеводов.
а. Гликолиз. Гены: алкогольдегидрогеназа, Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, Pyruvate decarboxylase isozyme, aldose 1-epimerase, Glucose-6-phosphate isomerase, 2,3-bisphosphoglycerate-independent phosphoglycerate mutase и так далее...
б. Цитратный цикл. Гены: isocitrate dehydrogenase, succinate dehydrogenase, dihydrolipoamide dehydrogenase и т.д.
в. Пентозо-фосфатный цикл.
г. Метаболизм фруктозы и маннозы.
д. Метаболизм галактозы.
э. Метаболизм крахмала.
е. Метаболизм аскорбатов.
ж. Метаболизм аминосахаров.
и. Метаболизм пирувата.
й. Метаболизм глиоксилатов.
к. Метаболизм бутаноатов
л. Метаболизм инозитола.
Фактически это грубая классификация генов, которые присутствуют в геноме и включаются время от времени или работают постоянно. Все эти системы могут быть или связанными между собой или независимыми. Степень взаимодействия систем тоже разная, наблюдается также иерархия в их работе.
Пример:
Клеткой получен сигнал извне (III.2). Включились гены синтеза гормона (п. I.6). Гормон провзаимодействовал с генами передачи внутриклеточного сигнала (п.III.2). Сигнал передан до ядра и включена машина обработки генетической информации (п.II.1.2.3), котрая обслуживает процесс деления клетки (п.IV.1). Наблюдаем в микроскоп процесс деления клетки.
Мы также можем догадаться, что кроме получения и обработки внешних сигналов, целый ряд процессов задействован в поддержании внутриклеточного гомеостаза и обслуживание рутинных жизненно-важных функций: архитектура органелл, топливо и так далее.
Вернемся к началу "один ген-один признак". В самом простом варианте можно предположить, что даже если исключить все сложные молекулярные взаимодействия, достаточно мутации в одном ключевом гене, который стоит по иерархии в самом низу и обеспечивает рутинные текущие функции, ну, например, актин (внутриклеточный скелет), как мы будем наблюдать конкретный признак - поломку процесса расхождения хромосом в процессе деления клетки. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Отсюда теперь можно продолжать усложнять. Делаем шаг наверх по иерархической леснице. Если промутирует ген фактора транскрипции, который регулирует включение гена актина (хоть сам ген будет в целости и сохранности), то мы тоже будем наблюдать тот самый признак - поломку процесса расхождения хромосом. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Двигаемся дальше. Фактор транскрипции цел и невредим, ген актина цел и невредим. Но, есть поломка в цепи передачи сигнала, который включает фактор транскрипции. Фактор не включает ген актина. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Так мы можем двигаться выше и выше, но нам теперь главное нащупать потолок. Вводим опять ключевого игрока - внешнюю среду. Допустим, сигнал вообще не поступил. Пример с актином становится не очень удачным, потому что в норме актин в клетке должен присутствовать практически всегда, неависимо от внешних условий, иначе клетке совсем капут. Лучше возмем другой пример, когда жизнедеятельности клетки зависит от внешних сигналов.
У меня есть такой пример: белок, который кодирует хитрую киназу. Это фермент, который цепляет остатки фосфора на другие белки и таким образом меняет их физико-химические свойства, активирует или деактивирует. Следите за руками.
В среде закончился сахар и клетке исчерпались запасы энергии. Включились факторы транскрипции и включили ген этой киназы, которая должна все в клетке перенастроить на использование альтернативных источников энергии и параллельно включить энергосберегающий режим.
Эта киназа прежде всего активирует себя. Затем выключает ряд факторов транскрипции, которые включают гены, обеспечивающие "сжигание энергии". Одновременно она активирует факторы транскрипции, которые включают гены, ответственные за сберегание энергии и метаболизм альтернативный карбогидратов. Также напрямую активирует целый ряд ферментов, которые метаболизируют альтернативные источники энергии. То есть наблюдается массивное перепрограммирование.
Вот как генное взаимодействие выглядит в первом приближении минус внешние сигналы.
Поломка в любом из путей перепрограммирования приведет к сходному дефекту-признаку, начиная с момента восприятия сигнала. Это мы сейчас говорим только о клетке. В контексте развития организма (в частности эмбриона у моего любименького гороха), эта киназа еще имеет временнОй профиль. На ранних стадиях развития она воспринимает один сигнал, на поздних - другой. И в зависимости от этого регулирует разные биохимические пути. Тут внешний сигнал играет ключевую роль.
Важное лирическое отступление.
Я выше описала гены, которые кодируют белки, которые выполняют каждый свою роль. В какой-то момент у читателя складывается ошибочное представление, что все зависит только от генов или от насинтезированных с них белков. Давайте и тут разберемся. Тут мы приближается к важному моменту: доля участия генов и окружающей среды в развитии признака. Вы наверняка уже подобное встречали, когда говорят, что признак, например, на 50% процентов зависит от генов, а на 50% от окружающей среды. И как мы догадываемся, это соотношение может меняться от " полной генной зависимости" (серповидноклеточная анемия) до "признак вызывается только внешними условиями" (удар молотком по пальцу) с кучей промежуточных вариантов в зависимости от сложности молекулярного взаимодействия и места генного продукта в системной иерархии.
Попробую навести порядок в определениях и немного разложить по полочкам. В конце концов ген, как краеугольный камень в развити признака, нам важен прежде всего в его предсказательной силе. И есть примеры, когда мы можем точно предсказать, будет ли признак наследоваться, а иногда это сложно сделать. И я объясню
Давайте чисто интуитивно прикинем: Мы наблюдаем у человека наследственное заболевание серповидно-клеточную анемию. Это моногенное заболевание, которое вызвано мутацией в гене гемоглобина. Особи, у которых обе копии (аллели, а их всегда две) гена дефектные, ВСЕГДА будут демонстрировать признак. Мы можем точно предсказать в цифрах, процентах вероятности, как будет наследоваться этот признак в потомстве.
Таких примеров наследственных заболеваний есть довольно много.
Немного более сложная ситуация, если признак кодируется двумя генами (аллелями). Но и в этом случае мы можем предсказать, как он будет наследоваться. Еще сложнее с полигенным наследованием. Предсказать наследование признака еще сложнее.
Теперь внимание. Если мы заглянем в клетку и разберем ее на части, то обнаружится, что ее молекулярные системы можно хотя бы грубо классифицировать.
I. Метаболизм (синтез и деградация).
1. Метаболизм
2. Метаболизм энергетически емких соединений.
3. Метаболизм липидов.
4. Метаболизм нуклеотидов.
5. Метаболизм аминокислот.
6. Метаболизм гормонов.
7. Метаболизм витаминов.
8. Метаболизм вторичных метаболитов.
II. Обработка генетической информации.
1. Транскрипция.
2. Трансляция.
3. Сворачивание, сортировка и деградация белков.
III. Обработка внешней информации.
1. Мембранный транспорт.
2. Восприятия и передача молекулярных сигналов.
IV. Внутриклеточные процессы.
1. Обслуживание клеточного деления.
2. Обслуживание клеточного роста и растяжения.
3. Внутриклеточная архитектура.
4. Умирание клетки.
5. Адаптация к нетипичным условиям.
6. Реакция на заболевания.
V. Еще неизвестные функции.
При желании каждую категорию можно разбить еще на дополнительные подкатегории. Получится длинный список, но я приведу буквально один пример.
I. Метаболизм (синтез и деградация).
1. Метаболизм
а. Гликолиз. Гены: алкогольдегидрогеназа, Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, Pyruvate decarboxylase isozyme, aldose 1-epimerase, Glucose-6-phosphate isomerase, 2,3-bisphosphoglycerate-independent phosphoglycerate mutase и так далее...
б. Цитратный цикл. Гены: isocitrate dehydrogenase, succinate dehydrogenase, dihydrolipoamide dehydrogenase и т.д.
в. Пентозо-фосфатный цикл.
г. Метаболизм фруктозы и маннозы.
д. Метаболизм галактозы.
э. Метаболизм крахмала.
е. Метаболизм аскорбатов.
ж. Метаболизм аминосахаров.
и. Метаболизм пирувата.
й. Метаболизм глиоксилатов.
к. Метаболизм бутаноатов
л. Метаболизм инозитола.
Фактически это грубая классификация генов, которые присутствуют в геноме и включаются время от времени или работают постоянно. Все эти системы могут быть или связанными между собой или независимыми. Степень взаимодействия систем тоже разная, наблюдается также иерархия в их работе.
Пример:
Клеткой получен сигнал извне (III.2). Включились гены синтеза гормона (п. I.6). Гормон провзаимодействовал с генами передачи внутриклеточного сигнала (п.III.2). Сигнал передан до ядра и включена машина обработки генетической информации (п.II.1.2.3), котрая обслуживает процесс деления клетки (п.IV.1). Наблюдаем в микроскоп процесс деления клетки.
Мы также можем догадаться, что кроме получения и обработки внешних сигналов, целый ряд процессов задействован в поддержании внутриклеточного гомеостаза и обслуживание рутинных жизненно-важных функций: архитектура органелл, топливо и так далее.
Вернемся к началу "один ген-один признак". В самом простом варианте можно предположить, что даже если исключить все сложные молекулярные взаимодействия, достаточно мутации в одном ключевом гене, который стоит по иерархии в самом низу и обеспечивает рутинные текущие функции, ну, например, актин (внутриклеточный скелет), как мы будем наблюдать конкретный признак - поломку процесса расхождения хромосом в процессе деления клетки. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Отсюда теперь можно продолжать усложнять. Делаем шаг наверх по иерархической леснице. Если промутирует ген фактора транскрипции, который регулирует включение гена актина (хоть сам ген будет в целости и сохранности), то мы тоже будем наблюдать тот самый признак - поломку процесса расхождения хромосом. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Двигаемся дальше. Фактор транскрипции цел и невредим, ген актина цел и невредим. Но, есть поломка в цепи передачи сигнала, который включает фактор транскрипции. Фактор не включает ген актина. В микроскопе видим дефект деления клетки.
Так мы можем двигаться выше и выше, но нам теперь главное нащупать потолок. Вводим опять ключевого игрока - внешнюю среду. Допустим, сигнал вообще не поступил. Пример с актином становится не очень удачным, потому что в норме актин в клетке должен присутствовать практически всегда, неависимо от внешних условий, иначе клетке совсем капут. Лучше возмем другой пример, когда жизнедеятельности клетки зависит от внешних сигналов.
У меня есть такой пример: белок, который кодирует хитрую киназу. Это фермент, который цепляет остатки фосфора на другие белки и таким образом меняет их физико-химические свойства, активирует или деактивирует. Следите за руками.
В среде закончился сахар и клетке исчерпались запасы энергии. Включились факторы транскрипции и включили ген этой киназы, которая должна все в клетке перенастроить на использование альтернативных источников энергии и параллельно включить энергосберегающий режим.
Эта киназа прежде всего активирует себя. Затем выключает ряд факторов транскрипции, которые включают гены, обеспечивающие "сжигание энергии". Одновременно она активирует факторы транскрипции, которые включают гены, ответственные за сберегание энергии и метаболизм альтернативный карбогидратов. Также напрямую активирует целый ряд ферментов, которые метаболизируют альтернативные источники энергии. То есть наблюдается массивное перепрограммирование.
Вот как генное взаимодействие выглядит в первом приближении минус внешние сигналы.
Поломка в любом из путей перепрограммирования приведет к сходному дефекту-признаку, начиная с момента восприятия сигнала. Это мы сейчас говорим только о клетке. В контексте развития организма (в частности эмбриона у моего любименького гороха), эта киназа еще имеет временнОй профиль. На ранних стадиях развития она воспринимает один сигнал, на поздних - другой. И в зависимости от этого регулирует разные биохимические пути. Тут внешний сигнал играет ключевую роль.
Важное лирическое отступление.
Я выше описала гены, которые кодируют белки, которые выполняют каждый свою роль. В какой-то момент у читателя складывается ошибочное представление, что все зависит только от генов или от насинтезированных с них белков. Давайте и тут разберемся. Тут мы приближается к важному моменту: доля участия генов и окружающей среды в развитии признака. Вы наверняка уже подобное встречали, когда говорят, что признак, например, на 50% процентов зависит от генов, а на 50% от окружающей среды. И как мы догадываемся, это соотношение может меняться от " полной генной зависимости" (серповидноклеточная анемия) до "признак вызывается только внешними условиями" (удар молотком по пальцу) с кучей промежуточных вариантов в зависимости от сложности молекулярного взаимодействия и места генного продукта в системной иерархии.
Tags:
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2011-01-18 09:30 am (UTC)Но это все еще раз показывает что мы опять упираемся в неясность слова "признак". Соотнести количество признаков с чем угодно невозможно именно потому что наформулировать признаков можно сколь угодно много.
Но, повоторю еще раз, мне не хочется редуцировать "роизнак" до "продукт гена" - во-первых, потому что это будет просто дублирование понятия, а во-вторых, потому что иногда для практических целей надо ведь обсуждать и закономерности наследования цвета глаз или способности противостоять насекомому-вредителю.
no subject
Date: 2011-01-18 09:48 am (UTC)Из этого места, на мой взгляд, и выросла проблема :). Частные случаи однозначной связи связи дискретного признака с конкретным белком расширили до общей терминологии, породив проблему "ген-признак". В общем случае проблема формулируется лишь как установление влияние белков на ход онтогенеза многоклеточного организма. (Еще по этой теме в комментарии на ответ progenes тут (http://progenes.livejournal.com/113068.html?thread=5085100#t5085100))
no subject
Date: 2011-01-18 09:58 am (UTC)no subject
Date: 2011-01-18 10:43 am (UTC)По большому счету, это теоретическая проблема описания онтогенеза и эволюционной биологии - формирование и наследование признаков.
no subject
Date: 2011-01-18 10:57 pm (UTC)Правда, достаточно часто можно решать частные прикладные задачи, не особенно заморочиваясь строгостью общих определений. В конце концов, матанаиз успешно использовали с конца 17 века, при том, что окончательную строгость его основы получли в начале 20 века.
no subject
Date: 2011-01-19 10:05 am (UTC)Мне понравилась одна фраза Александра Маркова (в вольном пересказе): когда это можно показать это хорошо работает. Вот так и со связью гена и признака: когда эта связь выделяется, тогда эта связь и есть. А поскольку всегда эту связь отслеживают со стороны гена, то получается видимость, что механизм "ген-признак" работает. А если взглянуть со стороны множества "признаков" и попытаться однозначно связать его с довольно ограниченным спектром белков, то...