Що таке «ген»
ЖИВИЙ, ЩЕ ЖИВІШИЙ. РЕАЛЬНІ СТРАТЕГІЇ ЯК БУТИ ЖИВИМ
Адаптивне регулювання транскрипції генів у еукаріотів
Декада нового тисячоліття, що пішла, ознаменувалася новими (черговими) спробами сформулювати поняття «ген» і воно виявилося дуже заплутаним. Спробуємо розібратися з генами там, де це можливо.
Якщо мене запитати, що таке ген, то я трохи невиразно помичу, закочуючи очі, почухаю потилицю, а потім скажу щось на кшталт, що ген – це «комплекс причинно-наслідкових молекулярних подій, де певна ділянка дезоксирибонуклеїнової кислоти відіграє ключову роль». Але це моя особиста інтерпретація.
Трохи історії
Освіжимо те, що ми знаємо. У класичній генетиціген - абстрактне поняття, одиниця успадкування, яка передає якісь якості від батька до дитини. Біохімія додала у цю картину першу конкретику: ці якості пов'язані з ферментами чи білками, по одному кожний ген.
А з приходом молекулярної біології гени остаточно втілилися в матеріальну субстанцію -послідовність ДНК, яка при конвертуванні в інформаційну РНК може бути використана як основа для створення білків.
Довгі спіральні молекули ДНК хромосом представлялися як довгі нитки, куди «нанизані» послідовності генів наче бісер. Ця струнка картина все ще існує в умах багатьох молекулярників, хоч і з цілою низкою поправок до центральної догми молекулярної біології. Не те щоб ніхто не цікавився, що таке ген насправді. Просто часто чисто технічно такого уявлення цілком достатньо, щоб виділити дискретну ділянку ДНК, яка кодує якийсь ген, який можна розшифрувати, переписати в РНК, а потім убілок. Пам'ятайте найпростішу схему ДНК – РНК – білок- ознака. Це одна з можливих схем, але поки що її достатньо, щоб зрозуміти, що з геном все не так просто. Звідси ми зараз почнемо танцювати.
Якщо в геномі зовсім немає ділянки ДНК, що кодує якийсь продукт, то ми з упевненістю можемо стверджувати, що гена теж немає. Це, мабуть, єдине, у чому ми можемо бути впевненими на сто відсотків.
Ген-кодуючий ділянку ДНК?
Якщо є ділянка ДНК, яка зчитується у вигляді РНК, де може синтезуватися білок, це вже ген чи ні? Запитання починаються вже з моменту зчитування РНК. Перед геном зазвичай завжди є послідовність, яку називаютьпромотором. На ній розташований цілий ряд регуляторних послідовностей, на які сідає молекулярна машина зчитування РНК.
Перевіряємо гіпотезу. Беремо послідовність ДНК, в якій записаний кінцевий продукт і переносимо її в інший геном. Якщо промотора в неї немає, то вона «не включиться», не буде зчитування РНК, відповідно кінцевого продукту також не буде. Виходить ситуація - ділянка, що кодує білок, у нас є, а продукту немає. Для клітини та цілого організму ця ситуація розглядається як відсутність ознаки. Отже, ген це не тільки послідовність, що кодує, але і промотор - кнопка, її «включає». Ось так.
Ген - кодуючий ділянку ДНК плюс промотор?
Припустимо, тепер у нас є ДНК, що складається як мінімум з двох частин – кодуючого продукту та промотора. Це ген? Щоб перевірити гіпотезу, промутуємо в промоторі ряд важливих регуляторних послідовностей так, щоб їх не впізнавала та сама транскрипційна машина. Через війну синтезу РНК знову немає, білка немає. Для організму це знову ситуація рівна «відсутності ознаки».Таким чином, важливо лише ті, щоб фізично була присутня кодуюча послідовність і промотор, важливо також, щоб у промоторі всі регулюючі елементи були в повному здоров'ї.
Ось як звучить остаточне формулювання гена -
«A locatable region of genomic sequence, відповідність до unit of inheritance, яких is associated with regulatory regions, transcribted regions and/or other functional sequence regions.»
Ген плюс фактори транскрипції
Фактори транскрипції визначають, коли і де саме включити чи заблокувати синтез РНК із тієї чи іншої ділянки ДНК, яку ми вважаємо геном. Немає факторів транскрипції, немає роботи гена, немає ознаки, яку він кодує.
І ось як це виглядає на зображенні. І з цією байдою ми спробуємо злетіти.
Тому, наприклад, така ситуація. Беремо ділянку ДНК, з частиною, що кодує, і промотором-кнопкою в цілості і безпеці (ми думаємо, що це вже нарешті ген, який кодує білок і кодує якусь ознаку) і переносимо в геном якихось клітин. Для кращого розуміння трохи спростимо ситуацію. Припустимо, що ген із рослин, а ми переносимо його в геном клітин шкіри, які ростуть на живильному середовищі. Ви не сильно здивуєтеся, якщо дізнаєтеся, що може статися так, що ген не «включиться»? Найімовірніше пояснення таке, що у тварин клітинах транскрипційна машина не впізнає рослинні регуляторні послідовності. Для тварин клітин це ситуація відсутності гена та відсутність його продукту, отже відсутність ознаки.
Я вже руки розкинула так далеко, що виходить, щоб ген (ділянка ДНК) зробив те, що в класичній генетиці вважається реалізація якоїсь успадкованої ознаки, то в цю картину просто необхідно додатище й умови його роботи.
Фактори транскрипції (кулі на картинці) – цебілки. І якщо це білки, значить вони теж кодуються якимись генами. І точно також зчитуються у вигляді РНК і за допомогою інших факторів транскрипції, які теж гени і так далі. Для кожного гена має свій індивідуальний набір транскрипційної машини, яка збирається залежно від зовнішніх сигналів.
Таким чином, щоб запрацював один ген у конкретний момент часу, у конкретному місці в організмі треба, щоб перед цим там включилися інші гени та підготували все до його включення. Від чого це залежить? Саме в цьому місці в цю епічну картину ми додаємо найголовнішого гравця – зовнішнє та внутрішнє середовище.
Синтез, локалізація та робота факторів транскрипції часто регулюється прийняттям молекулярних сигналів ззовні. Наприклад, у клітину надійшов сигнал – атака патогену чи гормон. Він сприймається якимись рецепторами лежить на поверхні клітини (які теж гени). Далі, як падають доміно-фішок, сигнал передається молекулярному каскаду (які теж гени) до ядра і включає синтез необхідних факторів транскрипції (нагадую, це теж гени), які потім включають ген Х, продукт якого може безпосередньо впливати на патоген. [Див. «Як поведінка управляє генами»
Виходить, що включенню (роботі) завжди гена передують події, які сталися у минулому хоча б на мить раніше та підготували ґрунт для його роботи.
Для тих хто дочитав до кінця. Про все це ви можете спокійно забути. Тому що промотори бувають не лише спереду гена, а й у його хвості. Регуляторні ділянки натикані і всередині частини, що кодує, і взагалі будь-де. Не всі лічені РНК кодують білок, а є регуляторами роботи інших генів. Але й у цьому випадкувони можуть вважатися генами. Один кодуючий ділянку ДНК може розшифровувати різні продукти. І поки молекулярники зійшлися з горем навпіл на загальному знаменнику, що з купою застережень, ознакою працюючого гена можна вважати функціональний транскрипт (РНК), чи він кодує білок, чи ні, деякі бактерії можуть синтезувати білок прямо на ДНК. При цьому ми ще не торкалися епігенетичного регулювання, яке теж до того ж.
І насамкінець, навіщо нам це все знати? Розгортання генетичної програми відбувається у часі у вигляді комплексної взаємодії генів між собою при тісній взаємодії з навколишнім середовищем. Факторів, що впливають на це, безліч. Наприклад, широко відомий приклад незакриття нервової трубки під час внутрішньоутробного розвитку при дефіциті фолієвої кислоти: у мишей цей феномен кодується більш ніж 200 генами. Людина поки що з відносною точністю визначили лише кілька ключових генів, задіяних у метаболізмі фолієвої кислоти. Але їх, напевно, більше.