gen

Skjematisk fremstilling av et gen som en seksjon om dobbel helix av DNA.
Vist er et eukaryotisk gen som inneholder introner og eksoner , og i bakgrunnen kondenserer DNA-dobbeltstrengen til kromosomet (faktisk har eksoner og introner flere basepar ).

Et gen er vanligvis en seksjon av DNA som inneholder grunnleggende informasjon for utvikling av egenskaper til et individ og for produksjon av et biologisk aktivt RNA . Under denne transkripsjonsprosessen produseres en komplementær kopi i form av et RNA fra den kodogene DNA- strengseksjonen .

Det finnes forskjellige typer RNA. Under oversettelse , en del av proteinbiosyntese , blir aminosyresekvensen til proteinene lest fra mRNA . Proteinene tar på seg spesifikke funksjoner i kroppen som kan brukes til å uttrykke egenskaper . Aktivitetstilstanden til et gen eller dets ekspresjon, dets ekspresjon , kan reguleres forskjellig i individuelle celler .

Generelt blir gener som bare er synlige med et elektronmikroskop også referert til som arvelige faktorer eller genetiske faktorer som er lokalisert på bestemte steder i kromosomene, da de er bærere av genetisk informasjon som overføres til avkom gjennom reproduksjon . Forskning på genenes struktur, funksjon og arv er gjenstand for genetikk . Hele den genetiske informasjonen til en celle kalles genomet .

Forskningshistorie

I 1854 begynte Johann Gregor Mendel å studere arv av trekk i erter. Han var den første som antydet at det eksisterte faktorer som overføres fra foreldre til avkom. I forsøkene på kryssavl beskrev han at trekk kan arves uavhengig av hverandre, så vel som dominerende og recessive trekk. Han utviklet hypotesen om at det kan være homozygote og heterozygote tilstander og la dermed grunnlaget for å skille mellom genotype og fenotype .

1900 regnes som året for "gjenoppdagelsen" av de mendeliske reglene , ettersom botanikerne Hugo de Vries , Erich Tschermak og Carl Correns tok opp det faktum at det er kvantifiserbare regler som faktorene som var ansvarlige for uttrykk for egenskaper er videre til avkommet videreføres. Correns laget begrepet “ disposisjon” eller “ arvelig disposisjon” . William Bateson husket i Mendels arvelighetsprinsipper i 1902 at det er to varianter av arvelige faktorer i hver celle. Han kalte det andre elementet allelomorf etter det greske ordet for 'annet' og laget dermed betegnelsen allel . Archibald Garrod , en britisk lege, hadde studert metabolske sykdommer og funnet ut at de ble arvet gjennom familier. Garrod erkjente at lovene også gjaldt for mennesker og antok at den genetiske sammensetningen er grunnlaget for menneskers kjemiske individualitet . I 1902 mistenkte Walter Sutton at faktorene Mendel kalte "elementer" kan bli funnet på kromosomene .

I sine foredrag om teorien om avstamning i 1904 presenterte August Weismann oppdagelsen av at det er forskjell på somatiske celler og kimceller , og at bare sistnevnte er i stand til å produsere nye organismer. Kjønnsceller bør inneholde et "arvelig stoff" som består av individuelle elementer som han kalte determinanter . Disse determinantene skal for eksempel være ansvarlige for det synlige uttrykket av lemmer.

Begrepet "Gen" ble først brukt i 1909 av dansken Wilhelm Johannsen . Han kalte gjenstandene som arvelæren tar for seg det greske substantivet γένος genos for "avkom". For ham var de imidlertid bare en regningsenhet. Allerede tre år tidligere hadde William Bateson kalt vitenskapen om arvelighet genetikk , etter det greske adjektivet γεννητικός gennetikos for å "frembringe". På dette tidspunktet var genenes kjemiske natur fortsatt helt uklar.

I de første årene av det 20. århundre så genetikere også på insekter og senere fugler etter forskjellige planter for å teste arveloven. I kombinasjon med kromosomene oppdaget i 1842 og navngitt i 1888, kom kromosomteorien om arv fram . Gjennom forbedrede fargingsteknikker ble det observert at kromosomer først fordobles og deretter deles med cellene. Derfor ble de ansett som bærere av den genetiske sminken. I løpet av denne tiden var det kontrovers mellom talsmennene for Johannsen og Mendels hypotese om at gener er noe materielt og deres kritikere, som avviste en sammenheng mellom gener og kromosomer som "fysikalisme" og "mendelisme" og fortsatte å betrakte gener som abstrakte enheter.

Thomas Hunt Morgan var også overbevist om at det ikke kunne være fysiske enheter som var ansvarlige for de forskjellige egenskapene, og prøvde å tilbakevise mandelisme. Han begynte i 1910 med kryssoppdrett på svartmager fruktfluer . Hans arbeid ga imidlertid det motsatte: det endelige beviset på at gener er på kromosomer og derfor er av materiell opprinnelse. Sammen med sine kolleger, inkludert Calvin Bridges , Alfred Sturtevant og Hermann Muller , fant han mange naturlige mutasjoner og undersøkte i utallige krysser sannsynligheten for at to egenskaper arves sammen. De var i stand til å vise at gener er lokalisert på bestemte punkter på kromosomene og er stilt opp etter hverandre. Sammen skapte gruppen det første genkartet gjennom mange år . Siden kryssingen også kunne observeres under mikroskopet , var det kjent at kromosomer kan bytte seksjoner. Jo nærmere to gener som er hverandre på kromosomet, jo større er sannsynligheten for at de vil bli arvet sammen og ikke atskilt av en kryssende hendelse. Dette gjorde det mulig å gi informasjon om fjerning av to gener som ifølge Morgan er gitt i centiMorgan .

Noe senere begynte Hermann Muller å eksperimentere med røntgen og kunne vise at bestrålende fluer i stor grad øker mutasjonshastigheten . Dette funnet fra 1927 var en sensasjon, da det faktisk ble vist for første gang at gener er fysiske objekter som kan påvirkes utenfra.

I 1928 demonstrerte Frederick Griffith for første gang i et eksperiment kjent som " Griffith's Experiment " at gener kan overføres fra organismer til andre. Prosessen han demonstrerte var transformasjon . I 1941 viste George Wells Beadle og Edward Lawrie Tatum at mutasjoner i gener er ansvarlige for defekter i metabolske veier, noe som viser at spesifikke gener koder for spesifikke proteiner. Disse funnene førte til " ett-gen-ett-enzym-hypotesen ", som senere ble raffinert til " en-gen-ett-polypeptid-hypotesen ". Oswald Avery , Colin MacLeod og Maclyn McCarty viste i 1944 at DNA inneholder genetisk informasjon. I 1953 dechifrerte James D. Watson og Francis Crick , basert på arbeidet til Rosalind Franklin og Erwin Chargaff , strukturen til DNA og designet modellen av DNA- dobbeltspiralen . I 1969 var Jonathan Beckwith den første som isolerte et enkelt gen.

Definisjonen av hva et gen egentlig er, har endret seg konstant og er tilpasset nye funn. Å forsøke en gjeldende definisjon, det tok 25 forskere fra Sequence ontologi Consortium på de Universitetet i Berkeley to dager i begynnelsen av 2006 for å oppnå en versjon som alle kan leve med. Et gen er derfor " en lokaliserbar region av genomisk sekvens, tilsvarende en arvsenhet, som er assosiert med regulatoriske regioner, transkriberte regioner og / eller andre funksjonelle sekvensregioner " (tysk: "en lokaliserbar region av genomisk DNA-sekvens som har en Tilsvarer arvelig enhet og er assosiert med regulatoriske, transkriberte og / eller funksjonelle sekvensregioner ”).

Og denne definisjonen er heller ikke endelig. Gjennom ENCODE ( ENCyclopedia Of DNA Elements ) prosjektet, der transkripsjonsaktiviteten til genomet ble kartlagt, ble det funnet nye komplekse regulatoriske mønstre. Det ble funnet at transkripsjonen av ikke-kodende RNA er mye mer utbredt enn tidligere antatt. Definisjonen er derfor: " Et gen er en forening av genomiske sekvenser som koder for et sammenhengende sett med potensielt overlappende funksjonelle produkter " (tysk: "Et gen er en forening av genomiske sekvenser som koder for et sammenhengende sett av muligens overlappende funksjonelle produkter").

konstruksjon

På molekylært nivå består et gen av to forskjellige områder:

1. Et segment av DNA hvorfra en enkeltstrenget RNA-kopi produseres ved transkripsjon .
2. Alle ekstra DNA-segmenter som er involvert i reguleringen av denne kopieringsprosessen.

Det er forskjellige særegenheter i strukturen til gener i forskjellige levende ting. Tegningen viser strukturen til et typisk eukaryotisk gen som koder for et protein.

Skjematisk struktur av et eukaryotisk gen

Regulatoriske elementer som forsterkere eller promotorer er plassert foran transkripsjonsenheten eller i eksonene ( lyseblå og mørkeblå ) og introner ( rosa og rød ) . Avhengig av sekvensen binder forskjellige proteiner, som transkripsjonsfaktorer og RNA-polymerase, til dette . Pre-mRNA (umoden mRNA), som opprinnelig oppstår i cellekjernen under transkripsjon, er modifisert for å modne mRNA i modningsprosessen. I tillegg til den direkte proteinkodende åpne leserammen inneholder mRNA også ikke-oversatt, det vil si ikke-kodende områder, det 5'- utranslaterte området (5'UTR) og det 3'-utranslaterte området (3'UTR). Disse områdene tjener til å regulere initieringen av translasjon og til å regulere aktiviteten til ribonukleasene , som bryter ned RNA igjen.

Den struktur av prokaryote gener avviker fra eukaryote gener i at de har ingen introner. I tillegg kan flere forskjellige RNA-dannende gensegmenter kobles veldig tett til hverandre (man snakker da om polycistroniske gener) og deres aktivitet kan reguleres av et felles regulatorisk element. Disse genklyngene transkriberes sammen, men oversettes til forskjellige proteiner. Denne enheten av regulatoriske elementer og polycistronic gener kalles en operon . Operoner er typiske for prokaryoter.

Gener koder ikke bare mRNA , som proteinene blir oversatt fra , men også rRNA og tRNA, så vel som andre ribonukleinsyrer som har andre oppgaver i cellen, for eksempel i proteinbiosyntese eller genregulering . Et gen som koder for et protein inneholder en beskrivelse av aminosyresekvensen til det proteinet. Denne beskrivelsen er på et kjemisk språk, nemlig i den genetiske koden i form av DNA- nukleotidsekvensen . De individuelle "kjedekoblingene" (nukleotidene) av DNA - oppsummert i grupper på tre ( tripletter , kodon) - representerer "bokstavene" i den genetiske koden. Kodingsområdet, dvs. alle nukleotidene som er direkte involvert i beskrivelsen av aminosyresekvens, kalles åpen leseramme . Et nukleotid består av en del fosfat , en del deoksyribose (sukker) og en base. En base er enten adenin , tymin , guanin eller cytosin .

Gener kan mutere , dvs. endre seg spontant eller gjennom ytre påvirkninger (for eksempel gjennom radioaktivitet ). Disse endringene kan forekomme på forskjellige punkter i genet. Som et resultat, etter en serie mutasjoner, kan et gen eksistere i forskjellige stater kalt alleler . En DNA-sekvens kan også inneholde flere overlappende gener. Gener duplisert av genduplisering kan være sekvensidentiske, men likevel regulert annerledes og dermed føre til forskjellige aminosyresekvenser uten å være alleler.

Forholdet mellom introner og eksoner

Generelt varierer forholdet mellom introner og eksoner sterkt fra gen til gen. Det er noen gener uten introner, mens andre består av over 95% introner. Når det gjelder dystrofingenet - det største humane genet på 2,5 millioner basepar - består proteinet kodet fra det av 3685 aminosyrer. Andelen kodende basepar er altså 0,44%.

Den følgende tabellen viser noen proteiner og det respektive kodende genet.

Genaktivitet og regulering

Gener er "aktive" når informasjonen deres blir omskrevet i RNA, det vil si når transkripsjon finner sted. Avhengig av funksjonen til genet, produseres mRNA , tRNA eller rRNA . Som et resultat kan et protein oversettes fra denne aktiviteten når det gjelder mRNA, men trenger ikke å være det. Artiklene Genuttrykk og Proteinbiosyntese gir en oversikt over prosessene .

Aktiviteten til individuelle gener reguleres og kontrolleres av en rekke mekanismer. En måte er å kontrollere hastigheten på transkripsjonen til hnRNA . En annen måte er å bryte ned mRNA før det blir oversatt, for eksempel via siRNA . På kort sikt skjer genregulering gjennom binding og løsrivelse av proteiner, såkalte transkripsjonsfaktorer , til spesifikke områder av DNA, de såkalte "regulatoriske elementene". På lang sikt oppnås dette gjennom metylering eller "pakking" av DNA-segmenter i histonkomplekser . De regulatoriske elementene i DNA er også gjenstand for variasjon. Påvirkningen av endringer i genregulering inkludert kontroll av alternativ spleising bør være sammenlignbar med påvirkning av mutasjoner i proteinkodende sekvenser. Med klassiske genetiske metoder - ved å analysere arvsmønstre og fenotyper - kan disse effektene normalt ikke skilles fra hverandre i arv. Bare molekylærbiologi kan gi informasjon her. En oversikt over reguleringsprosessene til gener er presentert i artikkelen genregulering.

Organisering av gener

I alle levende ting koder bare en del av DNA for definerte RNA. Resten av DNA kalles ikke-kodende DNA . Den har funksjoner i genregulering , for eksempel for regulering av alternativ spleising , og har innflytelse på kromosomarkitekturen.

Plasseringen på et kromosom der genet ligger, kalles genplasseringen . I tillegg er gener ikke jevnt fordelt på kromosomene, men forekommer noen ganger i såkalte klynger. Genklynger kan bestå av gener som tilfeldigvis er i nærheten av hverandre, eller de kan være grupper av gener som koder for proteiner som er funksjonelt relaterte. Imidlertid kan gener hvis proteiner har en lignende funksjon også være på forskjellige kromosomer.

Det er seksjoner av DNA som koder for flere forskjellige proteiner. Dette er på grunn av overlappende åpne leserammer .

Genetisk variasjon og genetisk variasjon

Som genetisk variasjon , forekomsten av genetiske varianter (alleler, gener eller genotyper ) referert til i individuelle organismer. Det oppstår gjennom mutasjoner , men også gjennom prosesser i løpet av meiose ( " krysset over "), hvorigjennom beste genene er fordelt ulikt på kjønnscellene. Mutasjoner eller de novo-utvikling kan også være årsaken til dannelsen av nye gener .

Genetisk variasjon er derimot evnen til en hel populasjon til å produsere individer med forskjellige gener. Ikke bare genetiske prosesser spiller en rolle her , men også mekanismer for partnervalg . Genetisk variasjon spiller en avgjørende rolle i en befolknings evne til å overleve under endrede miljøforhold og er en viktig faktor i evolusjonen .

Spesielle gener

RNA-gener i virus

Selv om gener er tilgjengelige som DNA-fragmenter i alle cellebaserte livsformer, er det noen virus hvis genetiske informasjon er i form av RNA. RNA-virus infiserer en celle, som deretter umiddelbart begynner å produsere proteiner ved å følge instruksjonene for RNA; transkripsjon fra DNA til RNA er ikke nødvendig. Retrovirus, derimot, oversetter RNA sitt til DNA under infeksjon, ved hjelp av enzymet revers transkriptase .

Pseudogener

Et gen i smalere forstand er vanligvis en nukleotidsekvens som inneholder informasjonen for et protein som er umiddelbart funksjonelt. I motsetning er pseudogener genkopier som ikke koder for et funksjonelt protein i full lengde. Dette er ofte et resultat av gendupliseringer og / eller mutasjoner, som deretter akkumuleres i pseudogenet uten seleksjon og har mistet sin opprinnelige funksjon. Imidlertid ser noen ut til å spille en rolle i reguleringen av genaktivitet. Det menneskelige genomet inneholder rundt 20 000 pseudogener. Det menneskelige genomprosjektet ble grunnlagt med sikte på å fullstendig dechiffrere det menneskelige genomet.

Hoppende gener

De er også kjent som transposoner og er mobile seksjoner av genetisk materiale som kan bevege seg fritt i DNA av en celle. De kutter seg ut av deres forfedre plassering i genomet og setter seg inn igjen på et hvilket som helst annet punkt. Biologer ledet av Fred Gage fra Salk Institute for Biological Studies i La Jolla (USA) har vist at disse hoppegenene ikke bare forekommer i cellene i kimlinjen, som tidligere antatt, men også er aktive i nerveceller. Forskning av Eric Lander et al. (2007) viser at transposoner har en viktig funksjon ved at de som en kreativ faktor i genomet raskt kan spre viktige genetiske innovasjoner i genomet.

Orphangene

Foreldreløse gener er gener uten detekterbare homologer i andre linjer. De kalles også ORFans, spesielt i mikrobiell litteratur (med ORF som akronym for engelsk åpen leseramme , åpen leseramme ' , en generalisering av begrepet gen'). Orphan gener er en delmengde av taksonomisk begrensede gener som er unike på et visst taksonomisk nivå (f.eks. Plante-spesifikk). De anses generelt å være unike for en veldig smal takson , til og med for en art (art). Foreldreløse gener skiller seg ut ved at de er linjespesifikke og har ingen kjent historie om vanlig duplisering og omorganisering utenfor deres spesifikke art eller gruppe. For eksempel er det 634 gener som sjimpansen mangler hos mennesker. Motsatt mangler mennesker 780 sjimpansegener.

Typiske genomstørrelser og antall gener

litteratur

• Ernst Peter Fischer : Historie om genet . Fischer, Frankfurt 2003, ISBN 3-596-15363-8
• Benjamin Lewin : Molecular Biology of Genes . Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-1349-4 (tysk)
• Benjamin Lewin: Gener 8 . Pearson Prentice Hall, London 2004, ISBN 0-13-143981-2 (engelsk)
• Inge Kronberg: Hvilke gener gjør mennesker menneskelige? I: Biologi i vår tid. 34.2004,4, s. 206-207, ISSN  0045-205X
• Siddhartha Mukherjee : Genet . Fischer, Frankfurt 2017, ISBN 978-3-10-002271-4

weblenker

Wiktionary: Gen  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• vcell.de: Den lange veien til genet: Milepæler
• plato.stanford.edu: Gene inngang i Edward N. Zalta (Ed.): Stanford Encyclopedia of filosofi .Mal: SEP / Vedlikehold / Parameter 1 og verken parameter 2 eller parameter 3
  • Peter Godfrey-Smith, Kim Sterelny:  Biologisk informasjon. I: Edward N. Zalta (red.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . . Pressemelding University of Freiburg , 3. september 2008
• Joachim Bauer : swr.de: Fra evolusjonsverkstedet - Ny kunnskap om gener . Foredrag i SWR 2- sendeserien Aula 23. november 2008 ( Real Audio ca. 30 min. - manuskript ca. seks sider)
• genecards.org: Human Gene Database (engelsk)
• Michael Stang : deutschlandfunk.de: Hackede gener . Deutschlandfunk , Wissenschaft im Brennpunkt , 3. oktober 2014. Om databeskyttelse av "genetisk personvern"

Individuelle bevis

1. ^ Wilhelm Ludwig Johannsen: Elementer i den eksakte arvelighetsteorien med grunnleggende trekk i den biologiske variasjonsstatistikken . 1913 ( online versjon ). 
2. Pear Helen Pearson: Hva er et gen? I: Natur . Volum 441, mai 2006, s. 398-401, PMID 16724031 .
3. ↑ M. Gerstein, C. Bruce, J. Rozowsky, D. Zheng, J. Du, J. Korbel, O. Emanuelsson, Z. Zhang, S. Weissman, M. Snyder: Hva er et gen, post-KODE? Historie og oppdatert definisjon. I: genomforskning . Volum 17, nr. 6, juni 2007, s. 669-681, PMID 17567988 .
4. ↑ EH McConekey: Hvordan det menneskelige genom fungerer . Jones & Bartlett, 2004, ISBN 0-7637-2384-3 , pp. 5 (engelsk). 
5. ↑ ^{a b} N. Shiga et al.: Disruption of the Splicing Enhancer Sequence within Exon 27 of the Dystrophin Gene by a Nonsense Mutation Induces Partial Hipping of the Exon and is responsable for Becker Muscular Dystrophy . I: J. Clin. Investere. teip 100 , 1997, s. 2204-2210 , PMID 9410897 (engelsk). 
6. ↑ ^{a b} M. Matsuo: Duchenne muskeldystrofi . I: Sørøst-asiatisk J Trop Med folkehelse . teip 26 , 1995, s. 166-171 , PMID 8629099 (engelsk). 
7. ^ AF Wright, N. Hastie: Gener og vanlige sykdommer. Genetikk i moderne medisin . Cambridge University Press, 2007, ISBN 0-521-83339-6 (engelsk). 
8. ↑ I. Bottillo et al.: Funksjonell analyse av spleisningsmutasjoner i exon 7 av NF1-genet . I: BMC medisinsk genetikk . teip 8 , 2007, PMID 17295913 (engelsk, biomedcentral.com ). 
9. ↑ ^{a b} B. Górski et al.: Nytten av polymorfe markører med unntak av BRCA1 / BRCA2 mutasjoner i familier med aggregering av brystkreft . I: J. Appl. Genet. teip 44 , 2003, s. 419-423 , PMID 12923317 (engelsk, poznan.pl [PDF; 43 kB ]). 
10. ↑ UniProt O15392
11. Kapp M. Kappler: Molekylær karakterisering av IAP-overlevende i bløtvevsarkom. Betydning for prognose og etablering av nye terapistrategier . Universitetet i Halle-Wittenberg, 2005 ( uni-halle.de [PDF; 1.4 MB ] avhandling). 
12. ↑ AR Carvunis, T. Rolland et al. Proto-gener og de novo-genet fødsel. I: Natur. Volum 487, nummer 7407, juli 2012, s. 370-374. doi: 10.1038 / nature11184 , PMID 22722833 , PMC 3401362 (fri fulltekst).
13. ↑ Eric Lander et al: Genome of the marsupial Monodelphis domestica avslører innovasjon i ikke-kodende sekvenser , Nature 447, 167-177 (10. mai 2007).
14. ↑ Jorge Ruiz-Orera, Jessica Hernandez-Rodriguez, Cristina Chiva, Eduard Sabidó, Ivanela Kondova: Origins of De Novo Genes in Human and Chimpanzee . I: PLOS Genetics . teip 11 , nei 12. 31. desember 2015, ISSN  1553-7404 , s. e1005721 , doi : 10.1371 / journal.pgen.1005721 , PMID 26720152 , PMC 4697840 (gratis fulltekst) - ( plos.org [åpnet 23. september 2019]). 
15. ↑ John K. Colbourne et al.: The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex . I: Vitenskap . Vol. 331, nr. 6017 , 4. februar 2011, s. 555-561 , doi : 10.1126 / science.1197761 . 
16. ↑ Mihaela Pertea og Steven L Salzberg (2010): Mellom en kylling og en drue: Estimering av antall menneskelige gener . Genombiologi 11: 206

Denne versjonen ble lagt til i listen over artikler som er verdt å lese 31. desember 2005 .