Концепция «один ген — один фермент» или «один ген — один белок»
Генетика — наука отнюдь не молодая, исследования в ней ведутся на протяжении нескольких столетий, начиная с Менделя в 1865 г. и до наших дней. Термин «ген» для обозначения единицы наследственной характеристики впервые предложил Johannsen в 1911 г., а в 1940-е годы был уточнен концепцией «один ген — один фермент», которую предложили Tatum и Beadle.
Это положение определено в экспериментах на мухах-дрозофилах, но в равной степени распространяется и па человека; в конечном итоге жизнь всех существ определяется их ДНК. Молекула ДНК у человека больше, чем у всех остальных организмов, и она устроена сложнее, но суть ее функций одинакова у всех живых существ.
Концепция «один ген — один фермент», возникшая на основе идей Tatum и Beadle, может быть сформулирована следующим образом:
1. Все биологические процессы находятся под генетическим контролем.
2. Все биохимические процессы происходят в виде поэтапных реакций.
3. Каждая биохимическая реакция в конечном счете находится под контролем различных отдельных генов.
4. Мутация в определенном гене ведет к изменению способности клетки к осуществлению определенной химической реакции.
С тех пор концепция «один ген — один фермент» несколько расширилась, и звучит теперь как «один ген — один белок». Кроме того, последние исследования свидетельствуют, что некоторые гены действуют в содружестве с другими, в результате чего образуются уникальные белки, т. е. некоторые гены могут кодировать более одного белка.
Геном человека содержит около 3 млрд нуклеотидных пар; полагают, что в нем содержится от 50 000 до 100 000 генов. После расшифровки генома выяснилось, что генов всего около 30 000. Взаимодействие этих генов гораздо сложнее, чем предполагалось. Гены зашифрованы в нитях ДНК, которые в комплексе с определенными ядерными белками формируют хромосомы.
Гены — не просто отрезки ДНК: их образуют кодирующие последовательности — экзоны, перемежающиеся с некодирующими последовательностями — нитронами. Экзоны как экспрессирующаяся часть ДНК составляют лишь малую часть самой главной молекулы организма; большая часть ее не экспрессируется, образована нитронами и часто называется «молчащей» ДНК.
Примерные размер и структура человеческого генома представлены на рисунке ниже. Функциональная длина человеческой хромосомы выражается в сантиморганидах. Сантиморганида (сМ) — расстояние, на протяжении которого вероятность кроссинговера в течение мейоза составляет 1 %. Анализ сцепления генов показал, что продолжительность человеческого генома около 3000 сМ.
Средняя хромосома содержит примерно 1500 генов, зашифрованных в 130 млн пар нуклеотидных оснований. На рисунке ниже схематически представлены физический и функциональный размеры генома: первый рассчитан в нуклеотидных парах, а второй — в сМ. Большая часть человеческого генома представлена «молчащей» ДНК и не экспрессируется.
На матрице ДНК в результате процесса транскрипции синтезируется РНК, а затем — белок. Следовательно, последовательность ДНК полностью определяет последовательность функциональных белков клетки. Все белки синтезируются следующим образом:
ДНК => РНК => белок
Генетический аппарат человека и других млекопитающих устроен сложнее, чем у остальных живых организмов, т. к. участки некоторых генов у млекопитающих могут объединяться с частями других генов, в результате чего синтезируется совершенно новый белок или контролируется отдельная клеточная функция.
Следовательно, у человека возможно повышение числа экспрессирующихся генов без действительного увеличения объема экспрессирующейся ДНК или абсолютного числа генов.
В целом около 70 % всего генетического материала не экспрессируются.
