4. Современное определение гена

Огромный вклад в понимание структуры и функции гена внесли Джордж Бидл и Эдвард Тейтум, которые в начале 40-х гг. впервые исследовали биохимические мутации у Neurospora crassa. Эти исследования показали, что мутации ауксотрофности у нейроспоры прерывают цепи метаболизма на конкретных этапах. Причем аллельные мутации всегда затрагивали один и тот же этап биосинтеза. На основе своих результатов Дж. Бидл и Э. Тейтум сформулировали принцип «один ген – один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо определенного фермента.

За это открытие Бидл и Тейтум в 1958 г. получили Нобелевскую премию.

Позднее было показано, что многие белки имеют четвертичную структypy, в образовании которой принимают участие разные пептидные цепи. Например, гемоглобин взрослого человека включает четыре глобиновых цепи — 2 и 2β, кодируемые разными генами. Поэтому формула, отражающая связь между геном и признаком, была несколько преобразована: «Один ген —один полипептид».

Открытия экзон-интронной организации эукариотических генов и возможности альтернативного сплайсинга показали, что одна и та же нуклеотидная последовательность первичного транскрипта может обеспечить синтез нескольких полипептидных цепей с разными функциями.

Примером может служить ген box ( или сob), кодирующий дыхательный фермент цитохром В митохондрий дрожжей. В результате разных вариантов сплайсинга с разных экзонов этого гена образуются две разных и-РНК - короткая и длинная.

Короткая служит матрицей для синтеза самостоятельного белка РНК-матуразы, которая участвует в созревании (сплайсинге) длинного первичного транскрипта и превращении его в матрицу для самого цитохрома В.

У вирусов и бактерий описана ситуация, когда один ген может одновременно являться частью другого гена или некоторая нуклеотидная последовательность может быть составной частью двух разных перекрывающихся генов. Например, на физической карте генома фага ФX174 видно, что последовательность гена В располагается внутри гена А, а ген Е является частью последовательности гена D. Этой особенностью организации генома фага удалось объяснить существующее несоответствие между относительно небольшим его размером (он состоит из 5386 нуклеотидов) и числом аминокислотных остатков во всех синтезируемых белках, которое превышает теоретически допустимое при данной емкости генома. Возможность сборки разных пептидных цепей на мРНК, синтезированной с перекрывающихся генов (А и В или Е и D), обеспечивается наличием внутри этой мРНК участков связывания с рибосомами. Это позволяет начать трансляцию другого пептида с новой точки отсчета.

В геноме фага λ были также обнаружены перекрывающиеся гены, транслируемые как со сдвигом рамки, так и в той же рамке считывания. Предполагается также возможность транскрибирования двух разных мРНК с разных цепей одного участка двунитевой ДНК. Это требует наличия промоторных областей, определяющих движение РНК-полимеразы в разных направлениях вдоль молекулы ДНК (вспомним строение генома митохондрий).

Перекрывающиеся гены представляют собой довольно распространенный вариант организации генома вирусов и, возможно, прокариот. У эукариот прерывистость генов также обеспечивает возможность синтеза разнообразных пептидов на основе одной и той же последовательности ДНК.

Таким образом, необходимо внести поправку в определение гена. Очевидно, нельзя больше говорить о гене как о непрерывной последовательности ДНК, однозначно кодирующей определенный белок. По-видимому, в настоящее время наиболее приемлемой все же следует считать формулу «Один ген - один полипептид», хотя некоторые авторы предлагают ее переиначить: «Один полипептид — один ген».

Мы будем пользоваться следующим современным определением гена:

Ген – это участок нуклеиновой кислоты, определяющий синтез одной (или нескольких) полипептидных цепей или одного вида РНK (транспортной, рибосомальной, малой ядерной и др.).