Τι είναι ένα γονίδιο;
Ένα γονίδιο είναι μια μονάδα κληρονομικότητας. Είναι μια αλληλουχία DNA που μπορεί να δημιουργήσει μια πρωτεΐνη ή RNA και πλαισιώνεται από ρυθμιστικές περιοχές σε κάθε άκρο.
Όσον αφορά τις λέξεις με τέσσερα γράμματα, ένα γονίδιο είναι ακίνδυνο, αλλά σε αντίθεση με οποιαδήποτε άλλη λέξη με τέσσερα γράμματα, έχει προκαλέσει μεγάλη σύγχυση και συζήτηση στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Από τότε που επινοήθηκε ο όρος το 1909, η έννοια του γονιδίου αναδιαμορφώνεται διαρκώς και ενημερώνεται με κάθε νέα γενετική πρόοδο.
Μια μονάδα κληρονομικότητας
Τα γονίδια ξεκίνησαν ως ένας αόριστος παράγοντας της κληρονομιάς, σύμφωνα με τον Γκρέγκορ Μέντελ, τον διάσημο πατέρα της Γενετικής. Αυτός ο μυστηριώδης παράγοντας ήταν υπεύθυνος για τις διαφορετικές εμφανίσεις των φυτών μπιζελιού του Mendel. Υπήρχε κάποιο πράγμα που μετέδωσε ένα χαρακτηριστικό από τους γονείς στους απογόνους.
Ο Μέντελ δεν ήξερε ποιος είναι αυτός ο παράγοντας φυσικά ήταν και ούτε ο βοτανολόγος Wilhelm Johanssen όταν αντικατέστησε τον νεφελώδη όρο παράγοντας με «γονίδιο» το 1909, μετά την εκ νέου ανακάλυψη του έργου του Μέντελ. Ένα γονίδιο σήμαινε τώρα μια μονάδα κληρονομικότητας. Ένα χαρακτηριστικό μεταβιβάστηκε από τους γονείς στους απογόνους μέσω γονιδίων. Απλό!
Λοιπόν, όχι ακριβώς. Καθώς οι βιοεπιστήμες μετακινούνταν όλο και περισσότερο στο μοριακό και ατομικό επίπεδο, αναπτύξαμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα ενός «γονιδίου». Σε διάστημα 50 ετών, η ιδέα ενός γονιδίου ενημερώθηκε αρκετές φορές καθώς οι βιοεπιστήμες ωρίμαζαν μέσα από το έργο βιοχημικών και μοριακών βιολόγων. Το γονίδιο πήγε από μια ασαφή μονάδα κληρονομικότητας σε ένα συγκεκριμένο σημείο σε ένα χρωμόσωμα σε ένα τμήμα DNA που κωδικοποιεί μια μεμονωμένη πρωτεΐνη.
Ένα γονίδιο, μία πρωτεΐνη:
Η ιδέα «ένα γονίδιο, ένα ένζυμο» αργότερα άλλαξε σε «ένα γονίδιο, μία πρωτεΐνη» και φάνηκε σαν ένα επιστημονικό τζάκποτ. Ως ιδέα, είναι απλό και κομψό, παρέχοντας μια ικανοποιητική δήλωση για όλη τη ζωή. Έκανε τη ζωή πιο εύκολη για όλους—επιστήμονες, δασκάλους και μαθητές. Αρχικά προτάθηκε από έναν Βρετανό γιατρό, τον Sir Archibald Garrod, η υπόθεση «ένα γονίδιο, μία πρωτεΐνη» σταθεροποιήθηκε σιγά-σιγά με το «The Central Dogma» του Crick και την περιγραφή του πώς μοιάζει ένα γονίδιο, μέχρι τη δεκαετία του 1970. Το γονίδιο είχε αποκτήσει έναν μοριακό φυσικό ορισμό.
Ένα γονίδιο είναι ένα κομμάτι DNA που κωδικοποιεί κάτι (μια πρωτεΐνη). Το DNA, το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, αποτελείται από σχέδια νουκλεοτιδίων, τα μεμονωμένα δομικά στοιχεία του DNA. Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια που αντιπροσωπεύονται ως τέσσερα διαφορετικά γράμματα - A για την αδενοσίνη, T για τη θυμίνη, C για την κυτοσίνη και G για τη γουανίνη. Αυτά τα τέσσερα «γράμματα» του DNA ζευγαρώνουν μεταξύ τους (καθώς το DNA έχει δύο κλώνους), έτσι ώστε το A ζεύγη με το T και το C να ζευγαρώνει με το G. Το DNA αποτελείται από μια μακρά ακολουθία αυτών των γραμμάτων που μοιάζουν κάπως έτσι:
ATTTCCCGGCGTTTATGCTAGCCCTTTTTGGA
TAAAGGGCCGCAAATACGATCGGGAAAACCT
Πώς μοιάζει ένα γονίδιο. (Φωτογραφία :Zvitaliy/Shutterstock)
Τα γονίδια είναι μακριές αλληλουχίες αυτών των γραμμάτων που πλαισιώνονται από ορισμένες «ρυθμιστικές» ακολουθίες. Αυτές οι ρυθμιστικές αλληλουχίες λένε στο κύτταρο πού ξεκινά ένα γονίδιο και πού τελειώνει. ουσιαστικά, ρυθμίζει τον τρόπο λειτουργίας των γονιδίων.
Το κύτταρο παράγει πρωτεΐνες σε μια διαδικασία δύο σταδίων που ονομάζεται μεταγραφή και μετάφραση. Σε μετάφραση, το κύτταρο διαβάζει το γονίδιο και δημιουργεί ένα αντίγραφο mRNA του DNA. Αυτό το αντίγραφο του mRNA πηγαίνει στη συνέχεια σε μια μηχανή που ονομάζεται ριβόσωμα. Το ριβόσωμα διαβάζει τις οδηγίες στο mRNA και παράγει μια πρωτεΐνη. Αυτή είναι μετάφραση.
Το γονίδιο του διαχωρισμού
«Όλες οι προσεγγίσεις σε υψηλότερο επίπεδο είναι ύποπτες μέχρι να επιβεβαιωθούν σε μοριακό επίπεδο», είπε ο Φράνσις Κρικ. Η παραπάνω εικόνα ενός γονιδίου είναι μια απλή συνεχής σειρά γραμμάτων που διαβάζεται σε μια πρωτεΐνη. Αυτό ισχύει για τα βακτήρια, αλλά όχι για πιο σύνθετες μορφές ζωής, όπως οι ιπποπόταμοι, τα σαλιγκάρια ή οι άνθρωποι. Οι ευκαρυώτες, τα κύτταρα με έναν πυρήνα μέσα τους, δεν έχουν απλώς μεγάλες προτάσεις πληροφοριών για το πώς να φτιάξουν μια πρωτεΐνη. Αποδεικνύεται ότι ενδιάμεσα έχουν προστεθεί πολλές ασυναρτησίες.
Αυτή η ασυναρτησία ονομάστηκε introns , ενώ τα σημαντικά τμήματα του γονιδίου που κωδικοποιούν πρωτεΐνες έγιναν γνωστά ως εξόνια . Τα ευκαρυωτικά κύτταρα χρησιμοποίησαν ψαλίδια μοριακών πρωτεϊνών για να κόψουν ιντρόνια από το mRNA, έτσι ώστε το ριβόσωμα να διαβάζει μόνο τις χρήσιμες πληροφορίες για την παραγωγή πρωτεΐνης. Αυτή η διαδικασία απόσπασης των σκουπιδιών ονομάζεται splicing .
Η ενημερωμένη εμφάνιση της μεταγραφής στους Ευκαρυώτες. Οι ευκαρυώτες αφαιρούν τα μη ουσιαστικά εσώνια από το mRNA προτού προχωρήσει στην παραγωγή μιας πρωτεΐνης. (Φωτογραφία:Alila Medical Media/Shutterstock)
Αυτός ο νέος μοριακός ορισμός ενός γονιδίου έδειξε μια αλληλουχία DNA που πλαισιώνεται από ρυθμιστικές αλληλουχίες που, για τα ευκαρυωτικά κύτταρα, περιλάμβαναν ελάχιστες ανούσιες διακοπές μεταξύ των πραγματικών κομματιών κωδικοποίησης πρωτεΐνης. Η έννοια «ένα γονίδιο, μία πρωτεΐνη» εξακολουθεί να ταιριάζει σε αυτήν τη δομή.
Γονίδια, γονίδια, παντού:
Μετά το μάτισμα και την κατανόηση των διαχωρισμένων γονιδίων, οι μοριακοί βιολόγοι άρχισαν να μελετούν τα γονίδια διαφορετικών ζώων. Αυτό που βρήκαν ήταν είτε συναρπαστικό (για την ίδια την επιστήμη) αλλά και πονοκέφαλο (για φοιτητές γενετικής).
Όπως αποδείχθηκε, αυτά τα χωρισμένα γονίδια μπορούσαν να συνδυαστούν σε διαφορετικούς συνδυασμούς για να δημιουργήσουν πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Το "κανονικό" μάτισμα θα έκοβε όλα τα εσώνια, θα κολλούσε τα εξόνια ξανά μαζί και voila, το τελικό mRNA ήταν πλήρες. Αυτό δεν συμβαίνει στην εναλλακτική συναρμολόγηση. Τα μηχανήματα ματίσματος μπορούν να αφαιρέσουν και να αναδιατάξουν τα εξόνια από ένα γονίδιο για να δημιουργήσουν δύο ή περισσότερες διαφορετικές πρωτεΐνες. Σκεφτείτε αυτήν την πρόταση:
"Αυτό το παγωτό είναι νόστιμο" είναι ένα γονίδιο.
Με εξόνια και εσώνια, αυτό το γονίδιο θα μοιάζει με αυτό:
Thikjhghs ickjhdfe crejfhgkhme is delickjhsrfksrjjhioujfghks.
Ο συνδυασμός του γονιδίου ή της πρότασης, σε αυτήν την περίπτωση, θα μας έδινε "Αυτό το παγωτό είναι νόστιμο."
Ωστόσο, το εναλλακτικό μάτισμα μπορεί να μας δώσει όλες αυτές τις προτάσεις:
Είναι νόστιμο. Αυτό είναι παγωτό. Το παγωτό είναι νόστιμο. Αυτό το παγωτό είναι κρέμα. Αυτή η νόστιμη κρέμα είναι πάγος.
Αυτό είναι ένα γονίδιο, αλλά μπορεί να παράγει πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Αυτό είναι ένα πιο συχνό φαινόμενο από ό,τι θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί. Στην πραγματικότητα, αυτό συμβαίνει συνεχώς.
Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου μια πρωτεΐνη κατασκευάζεται από δύο διαφορετικούς κλώνους mRNA από δύο διαφορετικά γονίδια κολλημένα μεταξύ τους. Αυτό ονομάζεται trans-splicing. Αυτά τα δύο διαφορετικά γονίδια πλαισιώνονται από τις δικές τους ρυθμιστικές αλληλουχίες, αλλά από μόνα τους δεν δημιουργούν μια ολόκληρη πρωτεΐνη. Έτσι, υπάρχουν ημιγονίδια που μπορούν να δημιουργήσουν μία πρωτεΐνη (ή περισσότερες).
Επιπλέον, υπάρχουν γονίδια μέσα στα γονίδια, γονίδια που βρίσκονται μέσα σε εσώνια άλλων μεγαλύτερων γονιδίων και γονίδια που επικαλύπτονται το ένα με το άλλο. Υπάρχουν γονίδια που μεταπηδούν από μια θέση στο DNA σε άλλη (τρανσποζόνια) και ψευδογονίδια που κάποτε ήταν γονίδια αλλά τώρα είναι άχρηστα. Αυτό θέτει το ερώτημα, πού ξεκινά ένα γονίδιο και πού τελειώνει; Ένα γονίδιο δεν μπορεί πλέον να θεωρείται «μια αλληλουχία DNA που δημιουργεί μια πρωτεΐνη που πλαισιώνεται από ρυθμιστικές αλληλουχίες.» Τα γονίδια δεν βρίσκονται πάντα σε ένα μέρος, ούτε είναι καν μια συγκεκριμένη οντότητα.
Η Barbara McClintock ανακάλυψε ότι τα γονίδια μπορούσαν να πηδήξουν. Το διαφοροποιημένο χρώμα του καλαμποκιού οφείλεται στο ότι ένα γονίδιο πήδηξε γύρω, προκαλώντας το χρώμα του καλαμποκιού να αλλάξει. (Φωτογραφία:of-fr/Shutterstock)
Ακόμα κι έτσι, εξακολουθούμε να εργαζόμαστε με την υπόθεση ότι ένα γονίδιο συνεχίζει να δημιουργεί μια πρωτεΐνη. Το 2005, η Κοινοπραξία FANTOM διαπίστωσε ότι μόνο το 1% έως το 2% των mRNA συνεχίζουν να παράγουν πρωτεΐνες από το 63% του γονιδιώματος που μεταγράφεται. Ορισμένες από αυτές τις μεταγραφές κωδικοποιούν έναν κόσμο RNA που παίζει τους δικούς τους μοναδικούς ρόλους στα κύτταρα.
Τα RNA είναι μονόκλωνα αδέρφια του DNA. Τα RNA θεωρούνται ευρέως ότι εμπλέκονται μόνο στην παραγωγή πρωτεϊνών, αλλά μπορούν να ελέγξουν πολύ περισσότερα από αυτό. Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2005 υπονοούσε ότι το RNA εμπλέκεται στην κληρονομικότητα στο φυτό Arabidopsis thaliana για πληροφορίες που δεν υπήρχαν απαραίτητα στο γονιδίωμα. Αυτό έχει καταγραφεί από τότε σε άλλα ζώα, όπως τα ποντίκια. Επομένως, ένα γονίδιο δεν είναι πάντα η μονάδα κληρονομιάς. Υπάρχουν επίσης RNA που δρουν ως ένζυμα και RNA που εξακολουθούν να προβληματίζουν τους ερευνητές. Με αυτή τη νέα γνώση, τα γονίδια κωδικοποιούν τόσο τις πρωτεΐνες όσο και τα RNA.
Λοιπόν, τι είναι ένα γονίδιο;
Η Επιτροπή Ονοματολογίας Γονιδίων HUGO (HGNC) ορίζει ένα γονίδιο ως «ένα τμήμα DNA που συμβάλλει στον φαινότυπο/λειτουργία. Ελλείψει αποδεδειγμένης λειτουργίας, ένα γονίδιο μπορεί να χαρακτηρίζεται από αλληλουχία, μεταγραφή ή ομολογία». Το Sequence Ontology Consortium ορίζει ένα γονίδιο ως μια «εντοπιζόμενη περιοχή γονιδιωματικής αλληλουχίας, που αντιστοιχεί σε μονάδα κληρονομικότητας, η οποία σχετίζεται με ρυθμιστικές περιοχές, μεταγραφόμενες περιοχές ή/και άλλες περιοχές λειτουργικής αλληλουχίας».
Και οι δύο ορισμοί εξετάζουν την περίεργη γυμναστική που κάνει ένα γονίδιο μέσα στο γονιδίωμα. Για τους επιστήμονες, ωστόσο, η χρήση της λέξης γονίδιο μπορεί να είναι ένα ορυχείο ξηράς υποθέσεων. Ένα γονίδιο είναι μια τέτοια μοριακή έννοια που οι επιστήμονες θεωρούν απαραίτητο να προσθέσουν χαρακτηρισμούς όπως κωδικοποίηση πρωτεϊνών ή αντικαταστήστε τη λέξη με μια άλλη, όπως μεταγραφή mRNA ή τόπος .
Εκατόν έντεκα χρόνια μετά την εμφάνιση του «γονιδίου» και 150 χρόνια από τότε που ο Mendel αναλογίστηκε για πρώτη φορά τη μονάδα κληρονομικότητας, τόσο οι έννοιες μας για την κληρονομικότητα όσο και η ποσοτικοποιήσιμη μονάδα του έχουν αλλάξει. Στο μέλλον, μην εκπλαγείτε αν υπάρχουν περισσότερες ανατροπές που περιμένουν αυτήν την πανίσχυρη λέξη των τεσσάρων γραμμάτων.
