3.7.3. Структура гена

Как указывалось выше молекула ДНК представляет собой спираль, образованную двумя комлементарно связанными нитями, состоящими из последовательности четырех пар нуклеотидов А, Т, Ц (С) и Г (G).

Ген – это не просто отрезок ДНК, это целая сложная микросистема. Ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части, регулирующей считывание информации, и собственно кодирующей части, определяющей последовательность аминокислотных остатков в синтезируемой белковой полипептидной цепи. Общий характер структуры гена иллюстрируется на рис. 3–81.

Рис. 3–81. Структура гена. 5´–НТО и 3´–НТО – не транслируемые области

Регуляторной областью называется последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК, выполняющая функции инициации считывания информации (транскрипции) и регулирования ее скорости. Она состоит из промотора (от лат. promoveo – продвигаю), последовательности нуклеотидов ТАТА, предшествующей промотору, многочисленных регуляторных последовательностей нуклеотидов, не транслируемых областей 5´–НТО и 3´–НТО и последовательности нуклеотидов, обозначающих концы считывания (транскрипции).

В 1977 году было установлено, что кодирующие белок последовательности нуклеотидов прерываются вставками, которые не кодируют белок. Эти участки были названы интронами (от лат. intro – внутри), а участки ДНК, кодирующие белок – экзонами (от греч. éxō – вне, снаружи).

Таким образом, кодирующая часть гена состоит из двух типов чередующихся участков: экзонов и интронов. Функции, которые выполняют интроны, во многом остаются неясными. Их число, протяженность и расположение в кодирующей части являются специфической особенностью каждого гена.

У низших эукариот (например, дрожжей) 95% генов содержат только один экзон. У человека число экзонов в некоторых генах достигает 60. Экзоны, как правило, имеют небольшую длину: от 100 до 600 пар нуклеотидов. Длины, разделяющих их интронов варьируются в широких пределах – от нескольких десятков пар нуклеотидов до нескольких тысяч. Интроны и экзоны отделяются друг от друга определенными парами нуклеотидов, содержащих гуанин-тимин на 5´-конце и аденин-гуанин на 3´-конце.

3.7.4. Аллельные состояния генов

Таким образом, ген, как основная единица наследственной информации, является исключительно сложным образованием.

Рис. 3–82. Клетка с двумя парами гомологичных хромосом. Положение двух разных генных локусов показано кружками и треугольниками. Гены в каждой паре хромосом представлены двумя разными аллелями: в первой паре (А, а), во второй – (В, b)

Гены в организме могут находиться в различных, так называемых, аллельных (от греч. allḗĺōn – друг друга, взаимно) состояниях, определяющих различные фенотипические проявления (варианты развития) одного и того же признака (рис. 3–82), например, оттенки цвета глаз, вариации структуры крови в пределах данной группы и т.п. Всякий ген имеет, по крайней мере, два аллельных состояния (аллеля). В двух гомологичных хромосомах они могут быть как разными, так и одинаковыми. Эти два аллеля и есть те два фактора, детерминирующие отдельный признак, на которые указывал Г. Мендель. Наследуются не признаки, а аллели генов. Аллели передаются из поколение в поколение в чистом виде (закон чистоты гамет). Признак формируется в результате взаимодействия аллелей в зиготе.

Аллели отличаются небольшими изменениями последовательности нуклеотидов в ДНК, которые могут приводить лишь к небольшим изменениям фенотипа организма. Иными словами, аллели – различные формы (структурные состояния) одного и того же гена, расположенного в одинаковых участках (локусах) гомологических хромосом. Внутригенные рекомбинации у гетерозигот, а также мутации могут приводить к появлению новых аллелей.

Уникальное сочетание аллельных состояний всех пар (от гомологичных хромосом) генов в геноме и определяет биологическую индивидуальность каждого организма.

Последовательности нуклеотидов в ДНК (геноме) у всех людей практически одинаковы. Они различаются только одним нуклеотидом из 300. Именно такие малые различия, определяющие генотип, детерминируют на молекулярном уровне индивидуальные особенности различных наследственных признаков человека: цвет волос, глаз, кожи, вес, антропологические параметры. Следует заметить, что различные аллели одного гена могут приводить как к одинаковым, так и к разным фенотипическим признакам.

Каждый организм наследует для каждого признака по одному аллелю от каждого из родителей. Образование в потомстве того или иного признака (определенного фенотипа) подчиняется вероятностным законам. Посмотрим, как происходит передача наследственных признаков у высших растений и животных.

При слиянии (оплодотворении) двух половых клеток с гаплоидным (одинарным) набором хромосом у высших растений и животных образуется диплоидная зигота (от греч. zygōtós – соединенный вместе) – клетка, дающая начало новому организму. Каким фенотипом может обладать новый организм? Ответ на этот вопрос требует статистического подхода, применимого к случайным событиям.

Рассмотрим какой–либо один признак, связанный с геном, имеющим два аллеля: доминирующий аллель А и рецессивный (от лат. recessus – отступление), более слабый аллель а. Пусть первый родитель обладает гаметами (половыми клетками, от греч. gametḗ – жена, gamétēs – муж) (А) и (а), второй – гаметами (а) и (а). При оплодотворении могут образоваться диплоидные зиготы, указанные на рис. 3–83: две зиготы типа (А а) и две типа (а а). Вероятность образования гетерозиготного генотипа (А а) составляет , так же как и гомозиготного генотипа (а а) : .

Е сли реализуется генотип (А а), то признак будет определяться доминирующим аллелем А, то есть будет таким же как у первого родителя. Однако с вероятностью 50% может образоваться диплоидная зигота (а а), когда признак плода будет рецессивным (от лат. recessus – отступление, удаление), то есть таким как у второго родителя. Подобная схема называется анализирующим скрещиванием.

Рис. 3–83. Возможные варианты диплоидных зигот при слиянии гамет (А), (а) одного родителя и (а), (а) – второго родителя

Если второй родитель имеет гаметы (А) и (а) (как и первый), то потомок может обладать зиготой (А А) с вероятностью ; А а с вероятностью и а а с вероятностью . Таким образом, фенотип потомка может с вероятностью определяться доминирующим аллелем А, то есть быть таким же как у родителей. Но с вероятностью потомок может иметь признак, отличный от родительского, задаваемый рецессивным аллелем.

Если у одного из родителей гаметы (А) и (А), то появление у плода признака, задаваемого рецессивным аллелем невозможно, так как при любой гамете второго родителя признак будет определяться доминирующим аллелем А.

Вероятность рождения девочки или мальчика одинакова – 50%. Поскольку гаметы женщины Х и Х, а мужчины Х и Y, то равновероятно образование зигот ХХ и XY. Пол ребенка зависит от того, какая гамета мужчины Х или Y оплодотворит яйцеклетку.