3.14. Современные представления о гене и геноме

Определения и обозначения

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о синтезе функциональной РНК или полипептида, то есть цепи аминокислот, из которой состоит белок. Современное определение шире старого представления о непрерывном отрезке, задающем один белок. Оно учитывает гены функциональных РНК и то, что работа гена зависит от регуляторных последовательностей.

Геном — совокупность наследственного материала организма или клетки. Он включает гены, но не ограничивается ими: в геноме есть также некодирующие последовательности, не задающие аминокислотную последовательность белка. Их изучение необходимо, чтобы понять устройство наследственного материала целиком, а не только перечень белков.

Экзон — участок гена, который сохраняется в зрелой РНК после её обработки. В зависимости от гена он может содержать информацию для функциональной РНК или часть информации о белке. Сохранившиеся экзоны соединяются и формируют последовательность зрелой РНК.

Интрон — участок гена, который попадает в первичную РНК, но обычно удаляется при её созревании. В отличие от экзона, интрон не входит в последовательность зрелой РНК. Различать эти участки нужно, чтобы понять, почему последовательность многих эукариотических генов не является непрерывной инструкцией для белка.

Как это устроено

Ген нельзя свести к участку, задающему последовательность белка, потому что не каждый продукт гена — белок. Некоторые гены используются для образования функциональных РНК, которые выполняют задачи сами и не переводятся в цепь аминокислот. Кроме того, регуляторные последовательности помогают клетке управлять активностью генов: когда и в каких условиях использовать их информацию. Поэтому определение гена учитывает и разные продукты, и регуляцию.

Использование информации начинается с транскрипции — синтеза РНК на участке ДНК. Если эта РНК функциональна, она сама участвует в работе клетки; если она служит матрицей, на её основе при трансляции синтезируется полипептид. Такая последовательность этапов позволяет клетке сначала сделать РНК-копию нужного участка ДНК. При этом конечный продукт зависит от того, какой именно ген работает.

У многих эукариотических генов последовательность прерывиста: между участками, сохраняющимися в зрелой РНК, расположены удаляемые фрагменты. Во время транскрипции копируется весь ген, поэтому первичная РНК содержит и экзоны, и интроны. Затем происходит сплайсинг: интроны вырезаются, а экзоны соединяются. Такая обработка объясняет, почему состав первичной РНК отличается от состава зрелой.

Иногда при созревании РНК клетка соединяет экзоны разными способами. Это явление называется альтернативным сплайсингом. В результате одного гена могут образоваться различные варианты зрелой РНК, а если они служат матрицами, то и разные варианты белка. Так клетка получает разнообразные продукты, не имея для каждого из них отдельного гена.

Геном шире совокупности участков, кодирующих белки, потому что наследственная информация включает и другие последовательности. Среди них есть регуляторные участки, влияющие на работу генов, и некодирующие фрагменты с разными функциями. У эукариот в состав наследственного материала также входит ДНК органелл, например митохондрий. Поэтому подсчёт только белок-кодирующих генов не описывает геном целиком.

Сравнение гена и генома

Сначала определите масштаб: ген — отдельный участок, геном — весь наследственный материал. Затем сравните, какой материал охватывает каждое понятие и как он связан с синтезом РНК и белков. Таблица также помогает не забыть, что геном включает последовательности, не кодирующие белки.

Разбор задач

Задача 1

Условие: участок ДНК содержит информацию о функциональной РНК, но не о белке. Можно ли считать его геном? Нужно проверить, подходит ли такой участок под современное определение гена. Для этого важно определить, какой продукт образуется по его информации.

1. Ген определяют как участок ДНК, связанный с синтезом функциональной РНК или полипептида.
2. В условии назван продукт — функциональная РНК, значит, информация участка используется клеткой.
3. То, что белок не образуется, не мешает считать этот участок геном: ген может задавать именно РНК.

Ответ: да, это ген, поскольку он содержит информацию о функциональной РНК.

Задача 2

Условие: в первичной РНК обнаружены участки, которые удаляются перед образованием зрелой РНК. Определите их и объясните, что происходит с остальными участками. Надо сопоставить судьбу фрагментов при созревании с определениями экзона и интрона. Затем проследить, как из первичной РНК получается зрелая.

1. Участки, которые удаляются при созревании первичной РНК, — интроны.
2. Участки, остающиеся после обработки, — экзоны; именно они сохраняются в зрелой РНК.
3. При сплайсинге интроны вырезаются, а экзоны соединяются в последовательность зрелой РНК.

Ответ: удаляемые участки — интроны, остальные — экзоны. После сплайсинга экзоны соединяются, формируя зрелую РНК.

Задача 3

Условие: из одного гена после обработки первичной РНК образуются разные варианты зрелой РНК. Нужно объяснить механизм и показать, почему геном — не просто список генов белков. Ответ требует связать обработку РНК с разнообразием продуктов и учесть состав всего наследственного материала.

1. При сплайсинге интроны удаляются из первичной РНК, а экзоны соединяются.
2. Если набор или сочетание соединяемых экзонов различается, возникают варианты зрелой РНК; это альтернативный сплайсинг.
3. Такие РНК могут задавать разные варианты белка, но не всякая РНК обязательно переводится в белок.
4. Геном включает не только белок-кодирующие гены, но и гены функциональных РНК, некодирующие и регуляторные последовательности, а у эукариот — также ДНК органелл.

Ответ: разные варианты РНК возникают благодаря альтернативному сплайсингу. Одного перечня белок-кодирующих генов недостаточно для описания генома, поскольку он содержит и другие гены и последовательности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой ген кодирует белок. Так думают, если сводят работу генов только к синтезу белков. Проверьте себя вопросом: может ли продуктом быть функциональная РНК? Если да, определение гена должно включать оба типа продуктов.

Ошибка: отождествлять геном с набором генов. Такое упрощение не учитывает последовательности, которые не кодируют белки, и участки, регулирующие работу генов. Чтобы проверить ответ, спросите себя, охватывает ли он весь наследственный материал. Если названы только гены, понятие генома раскрыто не полностью.

Ошибка: называть интроны участками, кодирующими белок. Это заблуждение возникает, когда первичную РНК принимают за окончательную инструкцию. Проследите, что происходит при созревании: интроны обычно удаляются, а экзоны сохраняются. Значит, интрон не входит в состав зрелой РНК.

Ошибка: считать, что один ген всегда задаёт только один белковый продукт. Такое заключение не учитывает обработку первичной РНК. При альтернативном сплайсинге варианты соединения экзонов могут привести к разным зрелым РНК и белкам. Проверьте себя: если в условии сказано о разных сочетаниях экзонов, возможны разные продукты одного гена.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать строение ДНК и РНК, принцип комплементарности, транскрипцию и трансляцию. Эти знания позволяют проследить путь информации от участка ДНК до РНК или белка и понять, зачем нужна обработка первичной РНК. Представления о гене и геноме пригодятся при изучении регуляции экспрессии генов, то есть их работы, а также мутаций и наследственности. Они важны и в биотехнологии, где используют гены и их продукты.

Что запомнить

• Ген — участок ДНК, связанный с синтезом функциональной РНК или полипептида.
• Не всякий ген кодирует белок.
• Геном включает гены и некодирующие последовательности.
• Многие гены эукариот содержат экзоны и интроны.
• При сплайсинге интроны удаляются, а экзоны сохраняются в зрелой РНК.
• Альтернативный сплайсинг позволяет получать разные варианты РНК из одного гена.