Генска експресија

Генската експресија е процес со кој се носат информации кои ќе се користат за генетска синтеза на функционален генетски производ. Генска експресија

Генетски код мини|лево|Генетскиот код ДНК, преку иРНК, кодира белковина со тројчен код Гените обично го експресираат (изразуваат) својот функционален ефект преку производството на белковини, кои се сложени молекули што учествуваат во повеќето процеси во клетката. Белковините се состојат од еден или повеќе полипептидни ланци, од кои секој е изграден од низа на аминокиселини, а ДНК-низата на еден ген (преку посредникот РНК) се користи за создавање на специфична аминокиселинска низа. Овој процес започнува со производство на РНК молекула која има низа што е компатибилна со ДНК-низата на генот - процес познат како транскрипција.

Добиената молекула на РНК по пат на транскрипција, наречена информациска РНК, потоа дава соодветна аминокиселинска низа во процесот транслација. Секоја група од три нуклеотиди во низата (позната како кодон) е соодветна на една од дваесетте можни аминокиселини што влегуваат во состав на белковините или, пак, таа служи како упатство за запирање на создавањето на аминокиселинската низа; оваа соодветност се нарекува генетски код. Протокот на информација е еднонасочен: информацијата се пренесува од нуклеотидните низи во аминокиселинската низа на белковините, но таа никогаш не се пренесува од белковините до низата од ДНК - појава која Френсис Крик ја нарекол централна догма на молекуларната биологија.

Специфичната низа на аминокиселини резултира во единствена тридимензионална градба на дадената белковина, а тридимензионалната градба на белковините е поврзана со нивните функции.Alberts et al. (2002), I.3. Proteins: The Shape and Structure of ProteinsAlberts et al. (2002), I.3. Proteins: Protein Function Некои од нив се едноставни структурни молекули, како влакната составени од белковината колаген. Белковините можат да се сврзат со други белковини и едноставни молекули, понекогаш дејствувајќи како ензими кои ги забрзуваат хемиските реакции што се одвиваат меѓу врзаните молекули (без да се менува самата градба на белковината). Градбата на белковините е динамична; белковината хемоглобин се среќава во разни облици, што и помага да го забрза прифаќањето, преносот и ослободувањето на кислородните молекули во крвта на цицачите.

Една единствена разлика во нуклеотидите на ДНК може да доведе до промена во аминокиселинската низа на една белковина. Бидејќи белковините се добиваат од аминокиселински низи, некои од овие промени можат значително да ги изменат својствата на белковината со нарушување на градбата или промена на површината на белковината така што се менува неговото содејство со останатите белковини и молекули. На пример, српестата анемија е генетско нарушување кај човекот кое се добива од единечна разлика во базите во регионот што го кодира β-глобинскиот дел на хемоглобинот, што води до единечна промена во аминокиселините која ги менува физичките својства на хемоглобинот. Српестите молекули хемоглобин се прилепуваат еден за друг и даваат фибрили кои ја менуваат формата на еритроцитите во кои се наоѓа оваа белковина. Овие српести клетки веќе не се движат глатко низ крвните садови, можат да ги запушат или разградат, предизвикувајќи здравствени проблеми поврзани со оваа болест.

Некои гени се транскрибираат во РНК но не се транслираат во белковински производи. Вакви молекули на РНК се познати како некодирачка РНК. Во одредени случаи, овие производи се менуваат во структури кои се вклучени во критичните функции на клетката (на пример, рибозомска РНК и транспортна РНК). РНК може исто така да има и регулаторен ефект преку хибридизација со други молекули на РНК (на пример, микро РНК).

Наследство или влијание на средината?

Иако во гените се содржи целата потребна информација за функционирање на организмот, околната средина игра важна улога во одредувањето на крајниот фенотип. Оваа појава најчесто се означува како „дилема: наследство или средина?“ (англиски: „nature vs. nurture“). Фенотипот на организмот зависи од содејството на генетиката со средината. Еден пример за ова се мутациите осетливи на температура. Често се случува да една промена во аминокиселините на дадена белковина не го промени однесувањето и заемодејствата со други молекули, но да ја дестабилизира градбата. Во средина со висока температура, каде молекулите се движат побрзо и меѓусебно се судруваат, ова води до рушење на градбата на белковината и губење на нејзината функција. Меѓутоа, во средина со ниска температура, градбата на белковината е стабилна и функционира нормално. Овој тип на мутација е забележлив во обојувањето на крзното на сијамските мачки, кај кои мутација на ензимот одговорен за производство на пигмент доведува до дестабилизација и губење на неговата функција при високи температури. Белковината останува функционална во кожата што се наоѓа во региони кои се поладни: нозе, уши, опашка и лице. На овој начин, мачката има потемно крзно на нејзините екстремитети.

Околната средина игра значителна улога и во ефектите од наследната болест фенилкетонурија кај луѓето. Мутацијата која предизвикува фенилкетонурија ја оневозможува способноста на телото да ја разгради аминокиселината фенилаланин, што води до токсично натрупување на молекула-меѓупроизвод, која предизвикува сериозни симптоми на прогресивна умствена ретардација и епилепсија. Меѓутоа, ако лице со мутација за фенилкетонурија се придржува до строг начин на исхрана со кој се избегнува оваа аминокиселина, тоа останува нормално и здраво.

Популарен метод за одредување на тоа колкава улога имаат наследството и средината е проучувањето на еднојајчени (идентични) и двојајчени (дизиготски) близнаци или браќа/сестри од повеќеплодна бременост.e.g. Поради тоа што идентичните близнаци потекнуваат од истиот зигот, тие се генетски исти. Меѓутоа, дизиготските близнаци се исто толку генетски различни како и нормални браќа/сестри. Со споредба на дизиготски и идентични близнаци, т.е. колку често даден близнак од еден близнаков пар го поседува истото нарушување, научниците можат да дознаат дали е поголем ефектот на наследството или на средината. Еден познат пример на проучување на повеќеплодна бременост е едно американско семејство со идентични квадриплети (четири деца, добиени од четири посебни зиготи, носени едновремено). На сите нив им била дијагностицирана шизофренија.

Генска регулација

Геномот на даден организам содржи илјадници гени, но не е потребно сите тие гени да бидат активни во било кој момент. Еден ген се експресира кога се транскрибира во иРНК (и кога ќе се транслира во белковина), а постојат многу методи со кои клетката врши контрола на експресијата на гените, со помош на кои белковините се произведуваат само кога ѝ се потребни на клетката. Факторите на транскрипција се регулаторни белковини кои се врзуваат за почетоците (старт-местата) на гените, со што ја поттикнуваат или инхибираат транскрипцијата на генот. На пример, во геномот на бактеријата E. coli постои низа од гени потребни за синтеза на аминокиселината триптофан. Меѓутоа, кога триптофанот го има во доволни количества во клетката, овие гени за синтеза на триптофан не се веќе потребни. Присуството на триптофан непосредно влијае врз активноста на гените: триптофанските молекули се врзуваат за триптофанскиот репресор (фактор на транскрипцијата), со што ја менуваат градбата на репресорот така што репресорот се врзува за гените. Триптофанскиот репресор ја блокира транскрипцијата и експресијата на гените, со што создава регулација со негативна повратна врска на процесот на синтеза на триптофан.Alberts et al. (2002), II.3. Control of Gene Expression – The Tryptophan Repressor Is a Simple Switch That Turns Genes On and Off in Bacteria

Разликите во експресијата на гените се особено јасни кај многуклеточните организми, каде сите клетки го содржат истиот геном, но имаат многу различни структури и начини на однесување (функционирање), што е резултат од експресијата на различни групи на гени. Сите клетки во многуклеточниот организам се добиени од една клетка, која се диференцира на различни типови клетки како одговор на надворешни и внатрешни сигнали, и постепено воспоставувајќи различни патишта на генска експресија за да се создадат различни типови однесување. Бидејќи ниеден поединечен ген не е одговорен за развојот на структурите на многуклеточните организми, овие патишта произлегуваат од сложените заемодејства на многу клетки.

Кај еукариотите постојат структурни одлики на хроматинот кои влијаат на транскрипцијата на гените; некои од вака настанатите промени се наследуваат од страна на ќеркините клетки. Овие одлики се наречени „епигенетски“ бидејќи не ја менуваат нуклеотидната низа на ДНК, тие се механизам „над“ ДНК („επί-“ — над) и се задржуваат во текот на наследувањето од едно клеточно поколение до друго. Поради епигенетските фактори, различни клеточни типови израснати на ист медиум можат да имаат многу различни својства. Иако епигенетските одлики обично се динамични во текот на развитокот, некои (појава на парамутација) се наследуваат низ повеќе поколенија и постојат како ретки исклучоци од општото правило за ДНК како основа на наследувањето.

Генетска промена

Мутации

За време на репликацијата на ДНК, повремено се случуваат грешки во полимеризацијата на втората низа. Овие грешки, наречени мутации, можат да имаат влијание врз фенотипот на организмот, особено ако се случат во белковинската кодирачка низа за еден ген. Стапките на грешка се обично многу мали — 1 грешка на секои 10 - 100 милиони бази — како резултат на „верификационата“ способност на ДНК-полимеразите. Без верификација, стапките на грешка се илјада пати повисоки; исто така, бидејќи многу вируси имаат ДНК и РНК-полимерази кои немаат верификациона способност, тие подлежат на повисоки стапки на мутација. Процесите кои ја зголемуваат стапката на промени во ДНК се наречени мутагени: мутагените хемикалии поттикнуваат грешки при репликацијата на ДНК, често по пат на интерферирање во спарувањето на базите, додека ултравиолетовото зрачење индуцира мутации преку оштетување на градбата на ДНК. Хемиското оштетување на ДНК не мора да биде предизвикано од мутагени создадени од човекот и UV зрачење; тоа се случува и без нивно присуство. Клетките користат ДНК-поправни механизми за отстранување на неправилностите во ДНК, но, овие механизми понекогаш не успеваат да ја вратат ДНК до нејзината првобитна низа.

Кај организмите кај кои има хромозомски кросинговер за размена на ДНК и рекомбинација на гените, грешките во подредувањето за време на мејоза можат исто така да предизвикаат мутации. Грешките во кросинговерот се особено очекувани кога слични низи доведуваат до тоа да партнерските хромозоми преземат погрешен сегмент; ова ги прави некои региони посклони на вакви мутации. Овие грешки создаваат големи структурни промени во ДНК-низата — дупликации, инверзии и бришења на цели региони — или случајна размена на цели делови меѓу различни хромозоми (процес познат како транслокација).

Природна селекција и еволуција

Мутациите го изменуваат генотипот на организмите и ова води кон привремена појава на различни фенотипови. Повеќето мутации имаат мал ефект на фенотипот на организмот, неговото здравје или адаптивната вредност. Мутациите кои имаат ефект се најчесто штетни, но повремено се јавуваат и корисни мутации. Проучувањата на винската мушичка (Drosophila melanogaster) укажуваат дека доколку мутацијата ја промени белковината произведен од еден ген, околу 70% од овие мутации ќе бидат штетни, а остатокот неутрални или малку корисни.

мини|лево|300п|Еволутивно дрво на еукариотските организми, создадено со споредба на неколку ортологни генски низи.