Genas

Geno schema

Genas yra deoksiribonukleorūgšties (DNR) molekulės (RNR virusuose – RNR molekulės) fragmentas, koduojantis informaciją apie polipeptido ar baltymo aminorūgščių seką (kuri yra pateikiama informacinės arba mesendžerinės RNR pavidalu) arba informaciją apie ribosominę RNR (rRNR), transportinę RNR (tRNR) bei kitas trumpas RNR molekules (snRNR, snoRNR, microRNR etc.). Baltymai lemia tam tikrą organizmo požymį (plaukų, akių spalvą, ūgį ir pan.) ir sudaro organizmo fenotipą. Taigi genas yra paveldėjimo priemonė, paveldimosios informacijos nešiklis. Dauginimosi metu ši informacija perduodama kitoms kartoms. Kita genų rūšis, reguliuojantieji genai sąveikauja su regulavimo baltymais ir kontroliuoja struktūrinių genų darbą.

Sąvoką „genas“ pirmą kartą 1909 m. pasiūlė danų mokslininkas Vilhelmas L. Johansenas (Wilhelm Johannsen) vietoje Hugo de Frizo (Hugo de Vries) siūlyto „pangeno“.

Žmogaus geno struktūra

Žmogaus chromosomose yra apie 20-25 tūkst. genų, kurie išsidėsto tam tikra linijine seka ir užima chromosomoje apibrėžtą vietą (lokusą). Geną sudaro koduojančioji (egzonai) ir nekoduojančioji dalys (intronai) bei reguliacinės sritys. Žmogaus genome koduojanti DNR sudaro tik 1,5 %. Paprastai intronai atskiria egzonus, tačiau yra žmogaus genų, kurie intronų neturi. Vykstant baltymų sintezei, pagal DNR seką RNR polimerazė sintetina informacinę RNR (iRNR) (angl. mRNA -mesenger) – vyksta vadinamoji transkripcija. Susidaręs pirminis transkriptas dar turi ir intronus, tačiau vėliau seka RNR brendimas (procesingas), kurio metu intronai yra „iškerpami“ (vyksta RNR splaisingas) ir subrendusi iRNR, palikdama branduolį, jau turi tik egzonų sekas. Intronai prasideda dinukleotidu GT (arba GU RNR lygyje) ir baigiasi AG (GT-AG taisyklė). Šios sekos labai svarbios taisyklingam splaisingui vykti (jas atpažįsta splaisomos kompleksas) ir įvykus jose mutacijoms gali sutrikti baltymo funkcija bei pasireikšti liga. Paraleliai vyksta kitos RNR modifikacijos:

• kapingas (angl. capping) – prie 5' galo prijungiamas 7-metilguanozino „kepurė“, kuri svarbi RNR molekulės stabilumui ir transliacijos iniciavimui nuo pirmojo AUG kodono.;
• poliadenilinimas – prie 3' galo prijungiama 100-200 adenino bazių liekanų, kas suformuoja vadinamąją poli(A) uodegą. Įkirpimas vyksta 15-30 nukleotidų porų nuo sekos AAUAAA 3' gale, kur prijungiama poli(A). Poli(A) svarbi mRNR transportui citoplazmoje, stabilizavimui ir baltymo transliacijos palengvinimui. Histonų genų transkriptai nėra poliadenilinami.

Daugelis genų turi promotorių – grupę trumpų sekos elementų, kurie svarbūs baziniam transkripcijos lygio palaikymui ir yra lokalizuoti apie 200 bp (-200) prieš pirmąjį transkribuojamą nukleotidą (+1). Dauguma promotorių turi TATA (-30), CAAT (-80), OCT ar GC sekas, prie kurių jungiasi atitinkami transkripcijos faktoriai, paleidžiantys transkripciją.

Stiprintuvai (enhanceriai – angl. „enhancers“) yra DNR regionai, stimuliuojantys bazinę promotoriaus sąlygotą transkripciją. Jie gali būti lokalizuoti gan toli nuo transkripcijos pradžios vietos prieš ar už geno, kurį jie kontroliuoja. Jie veikia formuodami DNR kilpas ir erdviškai priartindami prisijungusius transkripcijos faktorius prie promotoriaus.

Atsako elementai (angl. response elements) indukuoja genus dėl specifinių signalų poveikio.

Kartais geno transkripcija gali būti slopinama slopintuvų (angl. „silencers“)

Žmogaus genų organizacija ir pasiskirstymas

Sudėtingų organizmų (tarp jų ir žmogaus) genų dydis labai varijuoja. Stebimas atvirkštinis ryšys tarp intronus turinčių genų dydžio ir koduojančios dalies (egzonų). Dideli genai linkę turėti didelius intronus, nors to negalima pasakyti apie egzonus. Kuo ilgesnis genas – tuo ilgiau vyksta jo transkripcija (pvz., ilgiausias distrofino genas (2.4 Mb) transkribuojamas apie 16 val.), todėl evoliucijos eigoje aktyviai ekspresuojamuose genuose liko daugiau trumpų intronų.

Nekoduojančiose vietose genai dažnai turi pasikartojančias sekas. Funkciškai panašūs genai kartais tandemiškai išsidėsto sankaupomis (klasteriais) šalimais, tačiau dažniau būna išsibarstę įvairiose chromosomose. Galima skirti funkciškai identiškus genus, panašius (duplikavęsi) ir susijusius (produktai atlieka panašią funkiją) genus.

Kartais žmogaus genai persidengia (pvz, HLA genai), būna intronuose (pvz., snoRNR genai, NF1, RB1, F8). Vieni genai aktyvūs nuolat (vadinamieji „namų - ruošos genai“ – angl. „hausekeeping genes“) ir yra atsakingi už pagrindines energetines ir metabolines ląstelės funkcijas. Kiti (audinių specifiniai) gali koduoti specifinius baltymus ir veikti skirtingomis aplinkybėmis. Atskira grupė yra homeoziniai genai, labai svarbūs embriogenezėje.

Panašios kilmės genai jungiami į šeimas, dažnai koduojančias transkripcijos faktorius. Toliau evoliuciškai nutolę genai, tačiau koduojantys panašias baltymines struktūras (domenus, motyvus), sudaro superšeimą (pvz., imunoglobulinų, globinų, G-baltymo superšeimos).

Dauguma genų sankaupų turi savo neveiklių kopijų – pseudogenų – kuriuose evoliucijos eigoje prisikaupė mutacijų ir jie prarado savo veiklumą. Jie buvo kopijuojami tandeminės duplikacijos būdu (DNR lygyje) arba retrotranspozuoti nuo mRNR (turi tik egzonų seką), padedant atvirkštinėms transkriptazėms. Kai kurie pseudogenai geba save ekspresuoti, jeigu integruojasi šalia promotoriaus – tai vadinamieji retrogenai.

Funkcija

Dauguma genų koduoja informaciją apie įvairių baltymų sintezę ląstelėje. Pastarieji atsako už tam tikrą organizmo veiklą, lemia tam tikrus požymius ir reguliuoja kitus genus. Išskyrus identiškus (monozigotinius) dvynius, visų žmonių genų rinkiniai (genotipas) skiriasi ir yra unikalūs. Jeigu aleliniai genai (genai, užimantys tą pačią vietą ir lemiantys tą patį požymį ar funkciją) vienodai lemia požymį – individas šio požymio atžvilgiu bus homozigotinis, jei skirtingai – heterozigotinis. Be to, aleliniai genai vienas kito atžvilgiu gali dominuoti arba slopinti. Pavyzdžiui, rudų akių genas dominuoja prieš mėlynų akių geną (pastarasis vadinamas recesyviniu).

Žmogaus genų ypatybės

• Žmogus turi apie 20000-25000 genų;
• Branduoliniame genome genų dažnis yra ~1/100 kb (1 kb = 1000 bazių); mitochondrijų – 1/0.45 kb;
• Vidutinis geno ilgis yra 27 kb;
• Vidutiniškai genas turi 9 egzonus (daugiausiai egzonų turi baltymo titino genas – 363)
• Vidutinis egzono ilgis – 122 bp
• Koduojančioji genomo dalis (egzonai) sudaro 1.5 % viso genomo.

Nuorodos

• „Ar žinai?“ portalo straipsnis
• Mokslo Lietuva – Vaikų skonio jutimus ir maisto pasirinkimą nulemia skonio genas
• Balandžių spalvų struktūros (fasono) genas