gene

Representación esquemática de un gen como una sección de la doble hélice de un ADN.
Se muestra un gen eucariota que contiene intrones y exones , y en el fondo la doble hebra de ADN condensada en el cromosoma (de hecho, los exones y los intrones tienen más pares de bases ).

Un gen suele ser una sección de ADN que contiene información básica para el desarrollo de características de un individuo y para la producción de un ARN biológicamente activo . Durante este proceso de transcripción , se produce una copia complementaria en forma de ARN a partir de la sección de la hebra de ADN codogénico .

Existen diferentes tipos de ARN. Durante la traducción , una parte de la biosíntesis de proteínas , la secuencia de aminoácidos de las proteínas se lee del ARNm . Las proteínas asumen funciones específicas en el cuerpo con el que las características se pueden expresar. El estado de actividad de un gen o su expresión, su expresión , se puede regular de manera diferente en células individuales .

En general, los genes que solo son visibles con un microscopio electrónico también se denominan factores hereditarios o factores genéticos ubicados en lugares específicos de los cromosomas, ya que son los portadores de información genética que se transmite a la descendencia a través de la reproducción . La investigación sobre la estructura, función y herencia de los genes es tema de genética . Toda la información genética de una célula se llama genoma .

Historia de la investigación

En 1854, Johann Gregor Mendel comenzó a estudiar la herencia de rasgos en los guisantes. Fue el primero en sugerir la existencia de factores que se transmiten de padres a hijos. En sus intentos de mestizaje, describió que los rasgos pueden heredarse independientemente unos de otros, así como los rasgos dominantes y recesivos . Desarrolló la hipótesis de que puede haber estados homocigotos y heterocigotos y así sentó las bases para diferenciar entre genotipo y fenotipo .

1900 es considerado el año del "redescubrimiento" de las reglas mendelianas , ya que los botánicos Hugo de Vries , Erich Tschermak y Carl Correns retomaron el hecho de que existen reglas cuantificables según las cuales los factores responsables de la expresión de las características son transmitido a la descendencia. Correns acuñó el término " disposición" o " disposición hereditaria" . William Bateson recordó en los Principios de herencia de Mendel en 1902 que hay dos variantes de los factores hereditarios en cada célula. Llamó al segundo elemento alelomorfo después de la palabra griega para "otro" y así acuñó el término alelo . Archibald Garrod , un médico británico, había estudiado las enfermedades metabólicas y descubrió que se heredaban de padres a hijos. Garrod se dio cuenta de que las leyes también eran válidas para los humanos y asumió que la composición genética es la base de la individualidad química de los humanos. En 1902, Walter Sutton sospechaba que los factores que Mendel llamó "elementos" se pueden encontrar en los cromosomas .

En sus conferencias sobre la teoría de la descendencia en 1904 , August Weismann presentó el descubrimiento de que existe una diferencia entre las células corporales y las células germinales y que solo estas últimas pueden producir nuevos organismos. Las células germinales deben contener una "sustancia hereditaria" formada por elementos individuales que él llamó determinantes . Estos determinantes deberían ser responsables de la expresión visible de las extremidades, por ejemplo.

El término "Gen" fue utilizado por primera vez en 1909 por el danés Wilhelm Johannsen . Nombró los objetos con los que la doctrina de la herencia trata con el sustantivo griego γένος genos para "descendencia". Para él, sin embargo, eran solo una unidad de cuenta. Ya tres años antes, William Bateson había llamado a la ciencia de la herencia genética , por el adjetivo griego γεννητικός gennetikos para "producir". En este punto, la naturaleza química de los genes aún no estaba clara.

En los primeros años del siglo XX, los genetistas también observaron insectos y luego pájaros después de varias plantas para probar las leyes de la herencia. En combinación con los cromosomas descubiertos en 1842 y nombrado en 1888, la teoría cromosómica de la herencia surgió . A través de técnicas de tinción mejoradas , se había observado que los cromosomas primero se duplican y luego se dividen con las células. Por tanto, fueron considerados portadores de la estructura genética. Durante este tiempo hubo controversia entre los defensores de la hipótesis de Johannsen y Mendel de que los genes son algo material y sus críticos, que descartaron una conexión entre genes y cromosomas como “fisicalismo” y “mendelismo” y continuaron considerando los genes como entidades abstractas.

Thomas Hunt Morgan también estaba convencido de que no podían ser las unidades físicas las responsables de las diversas características y trató de refutar el mendelismo. Comenzó en 1910 con intentos de cruzamiento de moscas de la fruta de vientre negro . Sin embargo, su trabajo produjo lo contrario: la prueba definitiva de que los genes están en los cromosomas y, por tanto, son de origen material. Junto con sus colegas, incluidos Calvin Bridges , Alfred Sturtevant y Hermann Muller , encontró muchas mutaciones naturales y examinó en innumerables cruces la probabilidad de que dos rasgos se hereden juntos. Pudieron demostrar que los genes están ubicados en ciertos puntos de los cromosomas y están alineados uno detrás del otro. Juntos, el grupo creó el primer mapa genético durante muchos años . Dado que el cruce también se podía observar al microscopio , se sabía que los cromosomas pueden intercambiar secciones. Cuanto más cerca estén dos genes en el cromosoma, mayor será la probabilidad de que se hereden juntos y no se separen por un cruce. Esto hizo posible proporcionar información sobre la eliminación de dos genes que, según Morgan , se dan en centiMorgan .

Algún tiempo después, Hermann Muller comenzó a experimentar con rayos X y pudo demostrar que irradiar moscas aumenta enormemente su tasa de mutación . Este hallazgo de 1927 fue una sensación, ya que de hecho se demostró por primera vez que los genes son objetos físicos sobre los que se puede influir desde el exterior.

En 1928, Frederick Griffith demostró por primera vez en el experimento conocido como " Experimento de Griffith " que los genes se pueden transferir de organismos a otros. El proceso que demostró fue la transformación . En 1941, George Wells Beadle y Edward Lawrie Tatum demostraron que las mutaciones en los genes son responsables de los defectos en las vías metabólicas, lo que demuestra que genes específicos codifican proteínas específicas. Estos hallazgos llevaron a la “ hipótesis de un gen-una-enzima ”, que luego se refinó para convertirse en la “ hipótesis de un polipéptido de un gen-uno ”. Oswald Avery , Colin MacLeod y Maclyn McCarty demostraron en 1944 que el ADN contiene información genética. En 1953 James D. Watson y Francis Crick , basados ​​en el trabajo de Rosalind Franklin y Erwin Chargaff , descifraron la estructura del ADN y diseñaron el modelo de la doble hélice del ADN . En 1969, Jonathan Beckwith fue el primero en aislar un solo gen.

La definición de qué es exactamente un gen ha cambiado constantemente y se ha adaptado a los nuevos hallazgos. Para intentar una definición actual, se necesitaron 25 científicos del Sequence Ontology Consortium en la Universidad de Berkeley dos días a principios de 2006 para lograr una versión con la que todos pudieran vivir. Por lo tanto, un gen es " una región localizable de secuencia genómica, correspondiente a una unidad de herencia, que está asociada con regiones reguladoras, regiones transcritas y / u otras regiones de secuencia funcional " (alemán: "una región localizable de secuencia de ADN genómico que tiene un Corresponde a la unidad hereditaria y se asocia con regiones de secuencia reguladora, transcrita y / o funcional ”).

Y esta definición tampoco es definitiva. A través del proyecto ENCODE ( ENCyclopedia Of DNA Elements ), en el que se mapeó la actividad de transcripción del genoma, se encontraron nuevos patrones reguladores complejos. Se encontró que la transcripción de ARN no codificante está mucho más extendida de lo que se suponía anteriormente. Por tanto, la definición es: " Un gen es una unión de secuencias genómicas que codifican un conjunto coherente de productos funcionales potencialmente superpuestos " (en alemán: "Un gen es una unión de secuencias genómicas que codifican un conjunto coherente de productos funcionales posiblemente superpuestos").

construcción

A nivel molecular, un gen consta de dos áreas diferentes:

  1. Segmento de ADN a partir del cual se produce una copia de ARN monocatenario mediante transcripción .
  2. Todos los segmentos de ADN adicionales que participan en la regulación de este proceso de copia.

Existen diferentes peculiaridades en la estructura de los genes en diferentes seres vivos. El dibujo muestra la estructura de un gen eucariota típico que codifica una proteína.

Gen2.svg

Estructura esquemática de un gen eucariota

Los elementos reguladores, como los potenciadores o promotores, se encuentran delante de la unidad de transcripción o dentro de los exones ( azul claro y azul oscuro ) e intrones ( rosa y rojo ) . Dependiendo de la secuencia, varias proteínas, como los factores de transcripción y la ARN polimerasa, se unen a ella . El pre-mRNA (mRNA inmaduro), que surge inicialmente en el núcleo celular durante la transcripción, se modifica a mRNA maduro en el proceso de maduración. Además del marco de lectura abierto que codifica directamente la proteína , el ARNm también contiene áreas no traducidas, es decir, no codificantes, el área 5 'sin traducir (5' UTR) y el área 3 'sin traducir (3' UTR). Estas áreas sirven para regular el inicio de la traducción y para regular la actividad de las ribonucleasas , que vuelven a descomponer el ARN.

La estructura de los genes procariotas se diferencia de los genes eucariotas en que no tienen intrones. Además, varios segmentos de genes formadores de ARN diferentes se pueden conectar muy juntos (entonces se habla de genes policistrónicos ) y su actividad puede ser regulada por un elemento regulador común. Estos grupos de genes se transcriben juntos, pero se traducen en proteínas diferentes. Esta unidad de elemento regulador y genes policistrónicos se denomina operón . Los operones son típicos de los procariotas.

Los genes codifican no solo el ARNm , a partir del cual se traducen las proteínas , sino también el ARNr y el ARNt , así como otros ácidos ribonucleicos que tienen otras funciones en la célula, por ejemplo en la biosíntesis de proteínas o la regulación de genes . Un gen que codifica una proteína contiene una descripción de la secuencia de aminoácidos de esa proteína. Esta descripción está en un lenguaje químico, es decir, en el código genético en forma de secuencia de nucleótidos del ADN. Los "eslabones de la cadena" (nucleótidos) individuales del ADN, resumidos en grupos de tres ( tripletes , codón), representan las "letras" del código genético. El área de codificación, es decir, todos los nucleótidos que están directamente involucrados en la descripción del secuencia de aminoácidos, se denomina marco de lectura abierto . Un nucleótido consta de una parte de fosfato , una parte de desoxirribosa (azúcar) y una base. Una base es adenina , timina , guanina o citosina .

Los genes pueden mutar , es decir , cambiar de forma espontánea o como resultado de influencias externas (por ejemplo, debido a la radiactividad ). Estos cambios pueden tener lugar en diferentes puntos del gen. Como resultado, después de una serie de mutaciones, un gen puede existir en diferentes estados llamados alelos . Una secuencia de ADN también puede contener varios genes superpuestos. Los genes duplicados por duplicación de genes pueden ser idénticos en secuencia, pero aún así regulados de manera diferente y, por lo tanto, conducen a diferentes secuencias de aminoácidos sin ser alelos.

Relación de intrones a exones

En general, la proporción entre intrones y exones varía mucho de un gen a otro. Hay algunos genes sin intrones, mientras que otros constan de más del 95% de intrones. En el caso del gen de la distrofina , el gen humano más grande con 2,5 millones de pares de bases, la proteína codificada por él consta de 3685 aminoácidos. La proporción de pares de bases codificantes es por tanto del 0,44%.

La siguiente tabla enumera algunas proteínas y el gen codificador respectivo.

proteína Numero de
aminoacidos 		gene Número de
pares de bases 		Número de
pares de bases de codificación		 Porción de
secuencia codificante		 referencia
Distrofina 3685 DMD 2.500.000 11,055 0,44%
FOXP2 715 FOXP2 603.000 2145 0,36%
Neurofibromina 2838 NF1 280.000 8514 3,0%
BRCA2 3418 BRCA2 84.000 10,254 12,2%
BRCA1 1863 BRCA1 81.000 5589 6,9%
Survivin 142 BIRC5 15.000 426 2,9%

Actividad y regulación genética

Los genes están "activos" cuando su información se reescribe en el ARN, es decir, cuando tiene lugar la transcripción . Dependiendo de la función del gen, se produce ARNm , ARNt o ARNr . Como resultado, una proteína puede traducirse a partir de esta actividad en el caso del ARNm, pero no tiene que ser así. Los artículos Expresión génica y Biosíntesis de proteínas ofrecen una descripción general de los procesos .

La actividad de los genes individuales está regulada y controlada por una multitud de mecanismos. Una forma es controlar la velocidad de su transcripción en ARNh . Otra forma es descomponer el ARNm antes de traducirlo, por ejemplo, mediante ARNip . A corto plazo, la regulación génica se produce mediante la unión y el desprendimiento de proteínas, los denominados factores de transcripción , a áreas específicas del ADN, los denominados "elementos reguladores". A largo plazo, esto se logra mediante la metilación o el "empaquetado" de segmentos de ADN en complejos de histonas . Los elementos reguladores del ADN también están sujetos a variaciones. La influencia de los cambios en la regulación genética, incluido el control del corte y empalme alternativo, debería ser comparable a la influencia de las mutaciones en las secuencias codificantes de proteínas. Con los métodos genéticos clásicos, mediante el análisis de patrones de herencia y fenotipos, estos efectos normalmente no pueden separarse unos de otros en la herencia. Solo la biología molecular puede proporcionar información aquí. En el artículo sobre regulación génica se presenta una descripción general de los procesos reguladores de los genes.

Organización de genes

En todos los seres vivos, solo una parte del ADN codifica los ARN definidos. El resto del ADN se llama ADN no codificante . Tiene funciones en la regulación de genes , por ejemplo para la regulación de empalmes alternativos , e influye en la arquitectura de los cromosomas.

La ubicación en un cromosoma donde se encuentra el gen se llama ubicación del gen . Además, los genes no se distribuyen uniformemente en los cromosomas, pero a veces se encuentran en los llamados grupos. Los grupos de genes pueden consistir en genes que se encuentran muy próximos entre sí, o pueden ser grupos de genes que codifican proteínas que están relacionadas funcionalmente. Los genes cuyas proteínas tienen una función similar también pueden estar en diferentes cromosomas.

Hay secciones de ADN que codifican varias proteínas diferentes. Esto se debe a la superposición de marcos de lectura abiertos .

Variación genética y variabilidad genética

Como variación genética , la aparición de variantes genéticas (alelos, genes o genotipos ) referidas en organismos individuales. Surge a través de mutaciones , pero también a través de procesos en la meiosis (" cruzamiento "), a través de los cuales la estructura genética de los abuelos se distribuye de manera diferente a las células sexuales . Las mutaciones o el desarrollo de novo también pueden ser la causa de la creación de nuevos genes .

La variabilidad genética , por otro lado, es la capacidad de una población completa para producir individuos con diferente composición genética. Aquí no solo juegan un papel los procesos genéticos, sino también los mecanismos de elección de pareja . La variabilidad genética juega un papel crucial en la capacidad de una población para sobrevivir en condiciones ambientales cambiantes y es un factor importante en la evolución .

Genes especiales

Genes de ARN en virus

Aunque los genes están disponibles como fragmentos de ADN en todas las formas de vida basadas en células, existen algunos virus cuya información genética está en forma de ARN. Los virus de ARN infectan una célula, que inmediatamente comienza a producir proteínas según las instrucciones del ARN; la transcripción de ADN a ARN no es necesaria. Los retrovirus, por otro lado, traducen su ARN en ADN durante la infección, con la ayuda de la enzima transcriptasa inversa .

Pseudogenes

Un gen en el sentido más estricto suele ser una secuencia de nucleótidos que contiene la información de una proteína que es inmediatamente funcional. Por el contrario, los pseudogenes son copias de genes que no codifican una proteína funcional de longitud completa. Suelen ser el resultado de duplicaciones y / o mutaciones de genes, que posteriormente se acumulan en el pseudogén sin selección y han perdido su función original. Sin embargo, algunos parecen desempeñar un papel en la regulación de la actividad genética. El genoma humano contiene alrededor de 20.000 pseudogenes. El proyecto del genoma humano se fundó con el objetivo de descifrar completamente el genoma humano.

Saltar genes

También se conocen como transposones y son secciones móviles de material genético que pueden moverse libremente dentro del ADN de una célula. Se cortan de su ubicación ancestral en el genoma y se insertan nuevamente en cualquier otro punto. Los biólogos dirigidos por Fred Gage del Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla (EE. UU.) Han demostrado que estos genes saltarines no solo se producen en las células de la línea germinal, como se suponía anteriormente, sino que también son activos en las células progenitoras nerviosas. Los resultados de la investigación de Eric Lander et al. (2007) muestran que los transposones tienen una función importante en el sentido de que, como factor creativo en el genoma, pueden difundir rápidamente importantes innovaciones genéticas en el genoma.

Orphangene

Los genes huérfanos son genes sin homólogos detectables en otras líneas. También se les llama ORFans, especialmente en la literatura microbiana (con ORF como acrónimo de marco de lectura abierto en inglés , marco de lectura abierto ' , una generalización del término gen'). Los genes huérfanos son un subconjunto de genes taxonómicamente restringidos que son únicos en un cierto nivel taxonómico (por ejemplo, específicos de una planta). Por lo general, se considera que son exclusivos de un taxón muy limitado , incluso de una especie (especie). Los genes huérfanos difieren en que son específicos de una línea y no tienen antecedentes conocidos de duplicación y reordenamiento común fuera de su especie o grupo específico. Por ejemplo, en los humanos hay 634 genes de los que carece el chimpancé. Por el contrario, los humanos carecen de 780 genes de chimpancé.

Tamaños típicos del genoma y número de genes

   Organismo / sistema biológico       Numero de genes       Total de pares de    bases
Pulga de agua común 30,907 2 · 10 8
Berro de campo ( Arabidopsis thaliana , planta modelo) > 25.000 10 8 -10 11
humano ~ 22,500 3 · 10 9
Drosophila melanogaster (mosca) 12.000 1,6 · 10 8
Levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ) 6.000 1.3 · 10 7
bacteria 180-7.000 10 5 −10 7
Escherichia coli ~ 5,000 4.65 · 10 6
Carsonella Ruddii 182 160.000
Virus adn 10-300 5,000-200,000
Virus de ARN 1-25 1.000-23.000
Viroide 0 246-401

literatura

enlaces web

Wikcionario: Gen  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Evidencia individual

  1. ^ Wilhelm Ludwig Johannsen: Elementos de la teoría exacta de la herencia con características básicas de las estadísticas biológicas de variación . 1913 ( versión en línea ).
  2. ↑ Helen Pearson: ¿Qué es un gen? En: Naturaleza . Volumen 441, mayo de 2006, págs. 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: ¿Qué es un gen, post-ENCODE? Historia y definición actualizada. En: Genome Research . Volumen 17, No. 6, junio de 2007, págs. 669-681, PMID 17567988 .
  4. ↑ EH McConekey: Cómo funciona el genoma humano . Jones y Bartlett, 2004, ISBN 0-7637-2384-3 , págs. 5 (inglés).
  5. ↑ a b N. Shiga et al.: La interrupción de la secuencia potenciadora de empalme dentro del exón 27 del gen de la distrofina por una mutación sin sentido induce la omisión parcial del exón y es responsable de la distrofia muscular de Becker . En: J. Clin. Invertir. cinta 100 , 1997, págs. 2204-2210 , PMID 9410897 (inglés).
  6. ↑ a b M. Matsuo: Distrofia muscular de Duchenne . En: Sudeste asiático J Trop Med Public Health . cinta 26 , 1995, págs. 166-171 , PMID 8629099 (inglés).
  7. ^ AF Wright, N. Hastie: genes y enfermedades comunes. Genética en Medicina Moderna . Cambridge University Press, 2007, ISBN 0-521-83339-6 (inglés).
  8. ↑ I. Bottillo et al.: Análisis funcional de mutaciones de empalme en el exón 7 del gen NF1 . En: BMC Medical Genetics . cinta 8 , 2007, PMID 17295913 (inglés, biomedcentral.com ).
  9. ↑ a b B. Górski et al.: Utilidad de marcadores polimórficos en la exclusión de mutaciones BRCA1 / BRCA2 en familias con agregación de cánceres de mama / ovario . En: J. Appl. Gineta. cinta 44 , 2003, pág. 419-423 , PMID 12923317 (inglés, poznan.pl [PDF; 43 kB ]).
  10. ↑ UniProt O15392
  11. ↑ M. Kappler: Caracterización molecular de la IAP survivina en sarcoma de tejidos blandos. Importancia para el pronóstico y establecimiento de nuevas estrategias terapéuticas . Universidad de Halle-Wittenberg, 2005 ( uni-halle.de [PDF; 1.4 MB ] disertación).
  12. ↑ AR Carvunis, T. Rolland et al .: Protogenes y nacimiento de genes de novo. En: Naturaleza. Volumen 487, Número 7407, julio de 2012, págs. 370-374. doi: 10.1038 / nature11184 , PMID 22722833 , PMC 3401362 (texto completo gratuito).
  13. ↑ Eric Lander et al: El genoma del marsupial Monodelphis domestica revela innovación en secuencias no codificantes , Nature 447, 167-177 (10 de mayo de 2007).
  14. ↑ Jorge Ruiz-Orera, Jessica Hernandez-Rodriguez, Cristina Chiva, Eduard Sabidó, Ivanela Kondova: Origins of De Novo Genes in Human and Chimpanzee . En: PLOS Genetics . cinta 11 , no. 12 , 31 de diciembre de 2015, ISSN  1553-7404 , p. e1005721 , doi : 10.1371 / journal.pgen.1005721 , PMID 26720152 , PMC 4697840 (texto completo libre) - ( plos.org [consultado el 23 de septiembre de 2019]).
  15. ↑ John K. Colbourne et al .: El genoma de respuesta ecológica de Daphnia pulex . En: Ciencia . Vol. 331, No. 6017 , 4 de febrero de 2011, pág. 555-561 , doi : 10.1126 / science.1197761 .
  16. ↑ Mihaela Pertea y Steven L Salzberg (2010): Entre un pollo y una uva: Estimando el número de genes humanos . Biología del genoma 11: 206
Esta versión se agregó a la lista de artículos que vale la pena leer el 31 de diciembre de 2005 .