Ген это участок молекулы: Ген — все статьи и новости

Ген — все статьи и новости

Ген (от греч. genos — «род», «происхождение») — участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), отвечающий за формирование единственного признака. В органоидах (постоянных компонентах клетки, необходимых для ее существования; также органеллы) клеточных ядер — хромосомах — гены кодируют информацию о строении белка живой клетки. Участки молекул ДНК могут быть представлены в одной или большем числе форм, называемых аллелями. Практически все клетки живого организма содержат по два аллеля каждого гена и поэтому называются диплоидными. Исключение составляют только гаметы (клетки, участвующие в половом размножении): они гаплоидны, то есть содержат один аллель.

Гены, формирующие основные признаки организма, передаются по наследству. У человека 23 пары хромосом. В каждой паре одна хромосома наследуется от матери, другая — от отца. При передаче гены могут мутировать. Мутации представляют собой целенаправленные изменения последовательности нуклеотидов (структурных элементов ДНК, составляющих каждую из цепей ДНК и представляющих собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г), пятиатомный сахар (пентозу) дезоксирибозу, по имени которой и получила название сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты). Мутации приводят к изменению последовательности гена и соответственно изменяют характеристики белка и особенности функционирования организма. Такие мутации являются патогенными и вызывают различные заболевания.

Впервые термин «ген» был употреблен в 1909 году Вильгельмом Иогансеном. Ему же принадлежит и другой термин, «генотип», обозначающий совокупность генов данного организма, введенный в противовес «фенотипу» — совокупности внешних характеристик, присущих индивиду. Однако история генетики началась значительно раньше: в 1865 году монах Грегор Мендель представил результаты опытов по скрещиванию различных видов гороха, открыв законы наследственности. У истоков же отечественной генетики стояли трое ученых: Николай Вавилов, Николай Дубинин и Николай Кольцов.

Источник картинки: http://bit.ly/2d8X2HM

ГЕН — это… Что такое ГЕН?

ГЕН

(от греч. genos — род, происхождение), наследственный фа ктор, функционально неделимая единица генетич. материала; участок молекулы ДНК (у нек-рых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или ри-босомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком. Совокупность Г. данной клетки или организма составляет его генотип. Существование дискретных наследств, факторов в половых клетках было гипотетически постулировано Г. Менделем в 1865, в 1909 B. Иогансен назвал их Г. Дальнейшие представления о Г. связаны с развитием хромосомной’ теории наследственности. Т. X. Морган и его школа разработали теорию Г., согласно к-рой Г. представляет собой единицу мутации, рекомбинации и функции, т. е. при мутировании Г. изменяется как целое, рекомбинация происходит только между Г., и Г. контролирует элементарную функцию, к-рая может быть определена на основании функционального теста на аллелизм. По мере увеличения разрешающей способности генетич. анализа стало очевидно, что Г. делим и не является единицей мутации и рекомбинации.

Первые эксперименты, доказавшие сложное строение гена у дрозофилы, были выполнены в 20—30-х гг. 20 в. сов. учёными А. С. Серебровским, Н. П. Дубининым и др. Это открытие нашло подтверждение в исследованиях зарубежных авторов, работавших с дрозофилой, а также с низшими грибами, бактериями и др. биол. объектами. В 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком была раскрыта трёхмерная структура ДНК, что позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биол. функции ДНК в качестве материального носителя наследств. информации. В 60 х гг. амер. исследователь С. Бензер доказал, что Г. бактериофага Т4, развивающегося на кишечной палочке, состоит из линейно расположенных, независимо мутирующих элементов, разделимых рекомбинацией. Исходя из доказанной к тому времени генетич. роли нуклеиновых к-т (см. ТРАНСФОРМАЦИЯ), С. Бензер показал, что наименьшими мутирующими элементами Г. являются отдельные пары нуклеотидов ДНК.

Существ, роль в теории Г. сыграла концепция «один ген — один фермент», выдвинутая в 40-е гг. Дж. Бидлом и Э. Тейтемом, согласно к-рой каждый Г. определяет структуру какого-либо фермента. После множества уточнений эта концепция сводится к тому, что для каждого типа полипептидных цепей в клетке существует т. н. структурный Г., определяющий чередование аминокислотных остатков в ней. Эта концепция вместе с представлениями о сложной структуре гена и генетич. роли нуклеиновых к-т послужила отправной точкой для установления Ф. Криком и др. осн. параметров генетического кода для белков, а затем его полной расшифровки в 1965 C. Очоа, М. Ниренбергом и др. К этому времени утвердилось представление об универсальности осн. черт строения и функции Г. как сложной линейной структуры участка ДНК, к-рый в результате транскрипции и последующей трансляции определяет первичную структуру полипептидней цепи.

Дальнейшее развитие теории Г. связано, с выявлением отличий в организации генетич. материала у организмов, далёких друг от друга в таксономич. отношении, и с установлением осн. тенденций эволюции Г. Для организации генетич. материала прокариот характерны опероны, состоящие из неск. Г. Отсутствие их у эукариот связано, по-видимому, с тем, что рибосомы эукариот в отличие от рибосом прокариот не способны реини-циировать трансляцию на одной и той же молекуле иРНК после прохождения ко-дона-терминатора. Поэтому каждый транскрипт (единица транскрипции) эукариот содержит нуклеотидную последовательность только одного структурного Г. Кроме того, у прокариот в молекуле транслируемой иРНК представлена вся нуклеотидная последовательность структурного Г., в то время как у эукариот мн. Г. содержат от одного до неск. десятков нетранслируемых участков — нитронов, к-рые перемежаются с транслируемыми участками — экзонами. Нитроны представлены в молекуле первичного транскрипта, а при созревании иРНК они вырезаются. Экзоны ковалентно соединяются в молекулу транслируемой иРНК. Этот процесс получил назв. сплайсинга. Для организации генетич. материала эукариот свойственно присутствие т. н. Г.-кластеров (сложных Г.), кодирующих длинные полипептиды с неск. ферментативными активностями. Напр., один из Г. (Neurospora crassa) кодирует полипептид с мол. м. 150 000, к-рый отвечает за пять последоват. этапов в биосинтезе ароматич. аминокислот. Подобные Г.-кластеры, по-видимому, редки у прокариот.

Вирусы имеют структуру Г., отражающую генетич. организацию клетки-хозяина. Так, Г. бактериофагов собраны в опе-роны и не имеют интронов, а вирусы эукариот имеют интроны. В то же время в генетич. материале вирусов прокариот и эукариот обнаруживается общая характерная черта — перекрывание Г. Возможно, это связано у вирусов с тенденцией макс, использования информац. ёмкости небольшого генома. У РНК-содержащих онкогенных вирусов эукариот обнаружена ещё одна особенность строения генетич. материала. Она заключается в том, что генетич. материал этих вирусов служит одновременно в качестве иРНК для синтеза гигантской молекулы полипротеина (мол. м. 270 000), к-рая затем разрезается при помощи специфич. протеолиза на отд. белки, участвующие в формировании частицы вириона. Это отражает неспособность рибосом клетки-хозяина реинициировать трансляцию на одной молекуле иРНК, и поэтому знаки, разделяющие отд. Г., как бы вынесены на гигантскую цепь полипротеина. Т. о., выявляются осн. тенденпии в эволюции Г.: от оперонных структур, содержащих «простые Г.», у прокариот — к автономизации Г. и даже их частей, разделимых нитронами, у эукариот. Полагают, что отд. экзоны соответствуют функционально значимым участкам в полипептидной цепи — её отд. доменам. Перекомбинация экзонов может вести к оптимальным сочетаниям доменов в белках.

По мере проникновения в мол. структуру генетич. материала всё труднее становится находить в молекулах ДНК границы того, что обозначают понятиями «ген» и «гены» (как наследств, задатки, части генотипа). Это связано с тем, что сигналы таких матричных процессов, как транскрипция (на ДНК) и трансляция (на иРНК), не совпадают как по локализации, так и по сочетаниям нуклеотидов. Наконец, растёт число открываемых генетич. единиц. Наряду со структурными и регуляторными Г., обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции к-рых неизвестны, мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены). Найдены также т. н. псевдогены у эукариот, к-рые представляют собой копии известных Г., расположенные в других частях генома и лишённые интронов или инак-тивированные мутациями и поэтому не функционирующие. Все эти сведения расширяют представления о строении гене-тич. материала и показывают, что теория Г. продолжает развиваться.

Теория Г.— основа прикладной генетической инженерии, методы к-рой позволяют, напр., создавать штаммы бактерий, производящие мн. физиологически активные вещества, используемые в медицине и с. х-ве. При этом знание структуры конкретных Г., мол. основ их экспрессии позволяет выбирать оптим. стратегию химич. или ферментативного их синтеза, присоединения к ним «сильных» промоторов, использования соотв. молекул ДНК для переноса их из одних организмов в другие. Кроме того, на основе многочисл. мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетич. активности факторов среды, в т. ч. для выявления канцерогенных соединений.

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

ген единица генетического материала; участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов – РНК), определяющий (кодирующий) возможность развития какого-либо признака. Ген – функционально неделимая единица, т.е. один ген, как правило, отвечает за один элементарный признак. Таким признаком на молекулярном уровне может быть молекула белка или РНК, а на уровне организма, напр., цвет семян гороха или цвет глаз человека. Вместе с тем возможность реализации гена, его проявления в виде признака зависят от ряда факторов, прежде всего от взаимодействия с другими генами, образующими генотипиче-скую среду (см.
Генотип
).
Изучение строения, организации, принципов работы генов (или несколько шире – генетического материала) – центральная проблема генетики на всех этапах её развития. При этом представления о гене как о наследственном факторе, обладающем функцией, физической природой, способностью к изменчивости и другими свойствами, существенно изменялись и дополнялись. В 1865 г. Г. Мендель на основании своих опытов по гибридизации растений доказал существование дискретных наследственных «задатков», которые датский генетик В. Иогансен в 1909 г. назвал генами. Работы Менделя открыли возможность точного генетического (гибридологического) анализа наследственности и после их повторения в 1900 г. дали толчок необычайно быстрому становлению генетики. Уже в первой трети 20 в. было установлено, что гены линейно расположены в
хромосомах
клеточного ядра (см. Хромосомная теория наследственности), что они могут подвергаться естественным или вызываемым искусственно наследуемым изменениям – мутациям и что при передаче их от родителей к потомкам происходит их перераспределение – рекомбинация. При этом оказалось, что ген как единица функции и ген как единица мутации и рекомбинации – не одно и то же. Так возникло представление о сложном строении гена, однако вопрос о его химической природе оставался нерешённым. Наконец, в 40-х гг. на микроорганизмах было показано, что веществом генов является
дезоксирибонуклеиновая кислота
(ДНК), а в 1953 г. создана её пространственная модель (т.н. двойная спираль), объяснявшая биологические функции этой гигантской молекулы её строением. Началось бурное развитие молекулярной биологии гена. Вскоре были раскрыты способы записи генетиче-ской информации (генетический код) и механизм её передачи в процессах репликации, транскрипции и трансляции. Ещё в 40-х гг. была выдвинута концепция: «один ген – один фермент», согласно которой каждый ген определяет структуру какого-либо фермента (белка). Теперь это положение уточнялось: если белок состоит из нескольких полипептидных цепей, то каждая из них кодируется отдельным геном, т.е. более верна формула: «один ген – одна полипептидная цепь». В клетках существуют набор генов, специфичный для организмов одного биологического вида, и механизмы регуляции их активности. Благодаря этому происходит регулируемый синтез ферментов и других белков, обеспечивающих специализацию клеток и тканей в процессе развития организма из оплодотворённой яйцеклетки и поддерживающих характерный для вида тип обмена веществ.
В дальнейшем были исследованы особенности организации генетического материала у прокариот, эукариот и вирусов, а также у клеточных органоидов – митохондрий и хлоропластов, открыты т.н. мобильные гены, перемещающиеся по геному, расшифрована структура (нуклеотидная последовательность) геномов ряда организмов, в т.ч. человека. Разработка методов выделения, клонирования и гибридизации отдельных генов (участков ДНК) привела к появлению важной в практическом отношении генной инженерии, ряда направлений в биотехнологии. См. также Аллель, Геном, Хроматин.

.(Источник: «Биология. Современная иллюстрированная энциклопедия.» Гл. ред. А. П. Горкин; М.: Росмэн, 2006.)

.

Презентация на тему: Ген – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре

1

Первый слайд презентации

Ген – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка. Гены находятся в хромосомах, где они расположены линейно, образуя «группы сцепления».

Изображение слайда

2

Слайд 2

Аллельные гены – это пара генов, определяющих альтернативные признаки организма. Каждый ген этой пары называется аллелью. Аллельные гены расположены в одних и тех же участках ( локусах) гомологичных (парных) хромосом.

Изображение слайда

3

Слайд 3

Альтернативные признаки – это взаимоисключающие, контрастные признаки (например, жёлтые и зелёные семена гороха). Часто один из альтернативных признаков является доминантным, а другой – рецессивным.

Изображение слайда

4

Слайд 4

Гомозигота – клетка или организм, содержащие одинаковые аллели одного и того же гена (АА или аа ). Гетерозигота – клетка или организм, содержащие разные аллели одного и того же гена ( Аа ).

Изображение слайда

5

Слайд 5

Генотип – совокупность всех генов организма. Фенотип – совокупность признаков организма, формирующихся при взаимодействии генотипа с окружающей средой. Гибридологический метод – изучение признаков родительских форм, проявляющихся в ряду поколений у потомства, полученного путём гибридизации (скрещивания). Моногибридное скрещивание – это скрещивание форм, отличающихся друг от друга по одной паре изучаемых контрастных (альтернативных) признаков, которые передаются по наследству. Дигибридное скрещивание – это скрещивание форм, отличающихся друг от друга по двум парам изучаемых альтернативных признаков.

Изображение слайда

6

Слайд 6

Оформление задач по генетике. 1.На первом (слева) месте пишется женская (материнская) особь, на втором (справа) пишется мужская (отцовская) особь. 2. Аллельные гены пишутся рядом (ААВВ). 3. При записи генотипа буквы пишутся в алфавитном порядке ( ааВВ, а не ВВаа ). 4. Под генотипом пишут фенотип. 5. Фенотипы и гаметы пишутся строго под соответствующим генотипом. 6. Записывается ход решения с объяснениями. Можно оформлять в решётке Пеннета. 7. Записывается ответ.

Изображение слайда

7

Слайд 7

Техника решения задач Алгоритм Символика 1. Краткая запись условий задачи. Введение буквенных обозначений генов, обычно А и В. Определение типа наследования (доминантность, рецессивность), если это не указано. 2. Запись фенотипов и схемы скрещивания словами. 3.Определение фенотипов в соответствии с условиями. Запись генотипов символам генов под фенотипами. 4. Определение гамет. Выяснение их числа и находящихся в них генов на основе установленных генотипов. 5. Составление решетки Пеннета. 6. Анализ решетки согласно поставленным вопросам. 7. Краткая запись ответов 1. Р – перента – родители. Родительские организмы, взятые для скрещивания, отличающиеся наследственными задатками. 2.F – филис – дети. Гибридное потомство. 3. F 1 –гибриды I поколения, F 2 – гибриды II поколения. 4. G — гаметы А а …. 5. А, В – доминантные гены, отвечающие за доминантные признаки (например, желтую окраску и гладкую поверхность семян гороха). 6. а, в – рецессивные гены, отвечающие за развитие рецессивных признаков (например, зелёной окраски семян гороха и морщинистой поверхности семян гороха). 7. А, а – аллельные гены, определяющие конкретный признак. 8. АА, ВВ – доминантные гомозиготы, аа, вв – рецессивные гомозиготы. 9. Х – знак скрещивания. 10. ♀ — символ, обозначающий женский пол особи. 11.♂ — символ, обозначающий мужской пол особи

Изображение слайда

8

Слайд 8

Правила при решении задач по генетике. Правило первое. Если при скрещивании двух фенотипически одинаковых особей в их потомстве наблюдается расщепление признаков, то эти особи гетерозиготны. Правило второе. Если в результате скрещивания особей, отличающихся фенотипически по одной паре признаков, получается потомство, у которого наблюдается расщепление по этой же паре признаков, то одна из родительских особей гетерозиготна, а другая – гомозиготна по рецессивному признаку. Правило третье. Если при скрещивании фенотипически одинаковых особей (по одной паре признаков) в первом поколении гибридов происходит расщепление признаков на три фенотипические группы в отношениях 1:2:1, то это свидетельствует о неполном доминировании и о том, что родительские особи гетерозиготны.

Изображение слайда

9

Последний слайд презентации: Ген – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре

Закономерности наследования при дигибридном скрещивании. Задача 2. Условие: Напишите возможные генотипы и фенотипы детей, если известно, что у отца – вьющиеся волосы и веснушки (как у всех его предков), а у матери – прямые и нет веснушек. Решение: Дано: А – вьющиеся волосы а — прямые волосы В – веснушки в – веснушки отсутствуют F 1 — ? Генотип отца – ААВВ; генотип матери – аавв. Р ♀ аавв х ♂ ААВВ G ав АВ F 1 АаВв Ответ: все дети будут с вьющимися волосами и веснушками.

Изображение слайда

Ген

В общем смысле ген – это единица наследственности. Однако структурно-функциональная организация гена сложная и разнообразная. Ее изучает молекулярная генетика.

Упрощенно ген представляют как участок молекулы ДНК, который кодирует определенный полипептид (опосредованно через информационную РНК) или функциональную РНК (транспортную, рибосомальную и др.). Однако данное представление усложняется в том числе следующим:

  • Поскольку транскрипция контролируется управляющими последовательностями ДНК, то возникает вопрос: относить ли их к гену? В связи с этим вводится понятие «оперон».

  • Управляющие последовательности могут контролировать несколько генов.

  • Некоторые гены перекрываются, т. е. различающиеся РНК синтезируются почти на одном и том же участке ДНК. Это возможно за счет сдвига рамки считывания.

Ген не является неделимой единицей мутации и рекомбинации. Мутировать и рекомбинировать может даже одна пара нуклеотидов, а ген обычно включает множество нуклеотидов. Размеры генов варьируют в широких пределах: от десятков нуклеотидов до миллионов.

Так как ген как однозначную структурную единицу выделить трудно, то нередко под геном понимают исключительно функциональную единицу наследственности.

В середине XX века был провозглашен принцип классической генетики: один ген — один белок. Однако более поздние исследования отчасти опровергали данный принцип. Во-первых, были гены, кодирующие различные виды РНК (а не только иРНК). Во-вторых, были обнаружены перекрывающиеся гены (впервые у прокариот, позже у эукариот), имеющие общие нуклеотидные участки. При этом бывают варианты, когда один ген полностью содержится в другом.

Учеными выдвигаются гипотезы о пользе и роли перекрывающихся генов. При этом отмечается существенный недостаток подобной организации генома: мутация, возникшая на участке ДНК, относящемся к двум и более генам, сразу «портит» все эти гены.

В кодирующей последовательности гена чередуются участки: интроны и экзоны. Интроны не кодируют полипептид. Экзоны — кодируют. Так на ДНК на самом деле синтезируется пре-информационная РНК (пре-иРНК), которая в ядре подвергается созреванию, в процессе которого вырезаются интроны, а экзоны сшиваются между собой. В результате получается иРНК.

Количество интронов и экзонов в одном гене различно (от единиц до сотен), также сильно варьирует и их длина (количество нуклеотидов). При этом бывают гены вообще без интронов.

Функция интронов предположительно заключается в регуляции экспрессии генов, а также в их участии в рекомбинации.

В ДНК эукариот были обнаружены достаточно длинные регуляторные области. Они могут располагаться в непосредственной близости к обслуживающемуся ими гену, находится на удалении (в другом месте ДНК), обслуживать несколько разных генов.

Регуляторная область генома состоит из промотора, энхансера, сайленсера. Промотор представляет собой небольшой участок ДНК, где происходит связывание факторов транскрипции, и образуется комплекс ДНК-РНК-полимеразы, позволяющий запустить синтез РНК.

Энхансер усиливает транскрипцию, а сайленсер — ее ослабляет. При этом один и тот же участок ДНК в зависимости от типа клеток может выступать как в роли первого, так и второго. В области энхансеров и сайленсеров прикрепляются различные регуляторные белки.

Кроме этого существуют инсуляторы — последовательности ДНК, блокирующие взаимодействие между промоторами и энхансерами.

ДНК состоит не только из генов и регуляторных частей. Также на ней есть спейсеры — межгенные последовательности.

В геноме есть повторяющиеся последовательности. При этом выделяют уникальные последовательности (до нескольких копий), умеренные повторы (до несколько тысяч копий), высокоповторяющаяся ДНК (до миллиона копий на геном). Большинство функционирующих генов представлены уникальными последовательностями.

Повторы нуклеотидов могут располагать как рядом (образуя кластеры), так и быть разбросанными по геному. Кластеры образуют сателлитную ДНК (находится преимущественно в теломерах и центромерах хромосом).

В геномах среди повторов были найдены псевдогены — нефункционирующие участки ДНК, сходные с функционирующими генами.

Таким образом, геном — это сложная система, взаимосвязанных участков ДНК. Дать однозначное определение понятию ген не представляется возможным. Под ним можно понимать как только транскрибируемую область ДНК, так и включить управляющие части. В любом случае ДНК состоит не только из генов, но и межгенных последовательностей нуклеотидов, роль которых еще не изучена в полной мере.

Что это такое – ген?

«Партнер» №10 (193) 2013г.

Д-р Светлана Кабанова (Дюссельдорф)

 

 

Открытие стало эпохой,

Звучала молитва труду,

Кто создал гибриды гороха?

Аббат в монастырском саду!

Светлана Кабанова

 

Солнце только начинало свой малиновый путь восхождения, а трудолюбивый монах, а затем аббат августинского монастыря Св.Фомы в г.Брюнне (ныне г. Брно в Чехии) после утренней молитвы уже был на своем рабочем месте. Вы догадались, о ком идет речь? Конечно, о Грегоре Иоганне Менделе. Небольшой участок в саду монастыря он превратил в райский уголок: на ухоженной грядке размером 7х35 метров Мендель высадил тщательно отобранные родительские сорта гороха в надежде изучить полученные гибриды. Необычное занятие для монаха, не правда ли?

 

Надо отдать должное не только выдающимся интеллектуальным способностям и усердию Грегора Менделя, но и лояльности его начальства, в частности аббата Кирилла Наппа. Вопреки позиции большинства консервативных коллег, Кирилл Напп поощрял занятия наукой и выделил молодому монаху средства на обучение естественным дисциплинам в Венском университете. Получив в 1854 году возможность преподавать физику, Грегор Мендель стал любимейшим учителем и уважаемым коллегой в одной из школ города Брно. Характерно, что при этом он дважды не сдал экзамены на право быть учителем биологии. Вероятно, еще в молодом возрасте Мендель настолько глубоко познал суть биологических процессов, что рядовые экзаменаторы оказались не в состоянии оценить ход мыслей ученого.

 

Каковы же были те изящные и дерзкие эксперименты, которые проводил неутомимый монах в своем райском уголке? Он скрещивал растения гороха, различающиеся по форме горошин: с гладкими и морщинистыми семенами. Ученый с нетерпением ждал появления гибридов, планируя рассчитать процентное соотношение каждого из видов семян, полученных в первом поколении. Каково же было его удивление, когда в ожидаемом первом поколении гибридов вообще не оказалось растений с морщинистыми семенами, а только с гладкими. «Случайность? Ошибка? Правило?» – стал размышлять Мендель и повторил опыты по изучению гибридов первого поколения теперь уже не только с гладкими и морщинистыми семенами, но и с желтыми и зелеными. Природа охотно подтвердила свои закономерности: семена гибридов первого поколения, образованных после скрещивания растений с гладкими и морщинистыми семенами, оказались только гладкими, а семена гибридов, полученных от скрещивания растений с желтыми и зелеными семенами, – только желтыми. «Не исключено, что в этом есть некий природный принцип, необходимо продолжать скрещивать растения!» – принял решение Мендель и поместил в отдельные коробочки желтые и гладкие горошины гибридов первого поколения. В следующем году он скрестил гибриды первого поколения: растения с желтыми семенами друг с другом, равно как и растения с гладкими семенами друг с другом. И тут любознательного монаха поджидал очередной сюрприз. Несмотря на то, что на сей раз скрещивались растения только с гладкими семенами, в потомстве наряду с гладкими были обнаружены также и морщинистые семена. Аналогично выглядели результаты скрещивания желтосемянных гибридов первого поколения: во втором поколении были обнаружены растения гороха с зелеными семенами. Удивленный исследователь подсчитал общее количество полученных горошин и обнаружил, что гладких горошин оказалось примерно в 3 раза больше, чем морщинистых, а количество желтых также почти троекратно превышало количество зеленых. Как и должен был поступить ответственный ученый, Грегор Мендель в течение последующих нескольких лет заново повторил все вышеизложенные эксперименты. Это был колоссальный труд. В общей сложности ученый провел около десяти тысяч (!) опытов. Один. Без чьей-либо помощи.

Неистовое стремление познать истину должно было увенчаться успехом. Так и случилось: результаты проведенных ранее опытов полностью воспроизводились. «Закономерность!» – радостно подытожил исследователь. Так Грегором Менделем, смиренным священнослужителем и проницательным естествоиспытателем, в 1856-1865 годах были открыты фундаментальные законы генетики, впоследствии названные в его честь.

 

Формулировки этих законов мы обсудим в отдельной статье, а пока отметим тот факт, что в середине XIX века научный биологический мир достаточно прохладно отнесся к сделанным ученым наблюдениям. Ведущие естествоиспытатели XIX века поставили под сомнение чистоту экспериментов, проведенных в монастырском дворике. Не исключено, что результаты, изложенные в книге Грегора Менделя «Эксперименты с растительными гибридами» (1866), могли бы заинтересовать его знаменитого коллегу Чарльза Дарвина, собиравшего в это время дополнительные материалы для переиздания свого сенсационного труда «Происхождение видов…». Наверное, но книге Менделя не суждено было попасть в руки Дарвина, а история, как известно, не имеет сослагательного наклонения.

 

Не признанный современниками и совершенно ослепший Грегор Мендель тихо покинул наш мир в 1884 году. «Мое время еще придет!» – такая надпись была пророчески выбита на его надгробной плите. И оно вскоре пришло.

 

Эпоха переоткрытия и всеобщего признания законов Менделя наступила в начале XX века в связи с развитием представлений о генах. О генах? Так что же это такое – гены? «Гены – это открытые Грегором Менделем дискретные наследственные факторы»­, – так в 1909 году трактовал свое понимание сути генетических кирпичиков известный датский биолог, автор термина «ген», Вильгельм Людвиг Иогансен (Wilhelm Ludvig Johannsen).

 

 

Интересно, что официально термин «ген» был введен в употребление три года спустя после обозначения термина «генетика». Называть новую научную дисциплину генетикой в 1906 году предложил английский натуралист Уильям Бэтсон (William Bateson).

 

 Как же устроены наши наследственные кирпичики? Данный вопрос является не только биологическим, но и философским. Ген – это не просто сложная биохимическая молекула. Ген – это живой организм. Ген – это…

«Ген – это единица наследственности…», продолжите вы. А если вы читали предыдущую статью, в которой Ее величество ДНК хвастается своими двухцепочечными завитушками, то сразу же добавите: «Ген – это фрагмент молекулы ДНК».

 

Всё верно, ген – это, действительно, единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК. Данное определение по сути верное, только не совсем полное. Первое уточнение нашему определению будет сделано на том основании, что у ряда вирусов носителем наследственной информации является не дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), а ее ближайшая родственница – рибонуклеиновая кислота (РНК). У других организмов, включая нас с вами, РНК не является носителем наследственной информации, а играет роль матрицы для синтеза белков. Тем не менее, если мы хотим унифицировать понятие гена, то должны учесть указанный факт и дополнить определение: ген – это единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК (или РНК для некоторых вирусов).

А теперь нам предстоит решить вопрос о том, какой единицей наследственности является ген? Cтруктурной? Функциональной? Логично было бы ее назвать структурно-функциональной, но мы назовем ее прежде всего элементарной. Согласитесь, что поскольку носителями генетической информации являются фрагменты ДНК, то именно они, а не единичные атомы или их составляющие, являются элементарными частицами наследственности. А как же быть с характеристикой «структурно-функциональная» единица? Безусловно, мы ее учтем. Понятие «структурная» уже заложено в нашем определении, когда мы говорим об отрезке (части структуры) молекулы ДНК. А прилагательное «функциональная» мы превратим в существительное «функция» и, таким образом, заново перепишем определение: «ген – это элементарная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК (или РНК для некоторых вирусов) и отвечающая за выполнение специфической функции».

 

«А почему бы не обозначить ген как структуру, контролирующую развитие определенного признака или свойства?» – спросите вы. Это очень важный вопрос, потому что совсем недавно именно так и звучало определение термина «ген». Еще несколько десятков лет назад на уроках биологии школьники заучивали классическую схему «один ген – один белок – один признак». Расшифровка этого правила означала, что каждый ген кодирует соответствующий белок, который, в свою очередь, отвечает за формирование конкретного признака (например, цвета горошин). Иначе говоря, было принято считать, что ДНК состоит из стандартных, как близнецы похожих друг на друга генов, содержащих информацию обо всех признаках организма, передающуюся от родителей к потомкам.

 

Бурное развитие молекулярной генетики последнего времени разбило в пух и прах представления о полной идентичности генов. Оказалось, что гены поразительно разнообразны по размерам, строению и способам действия. О необычных характерах и темпераментах генов, а также о гениальных ученых, познавших суть генетических отношений и доказавших миру свою правоту, мы поговорим в следующей статье.

 

Если у вас, уважаемый читатель, есть вопросы, замечания или предложения к автору, просьба обращаться по адресу [email protected] или в редакцию.


Консультация генетика в Новосибирске | ЦНМТ

Что такое геном человека?

Геном человека состоит из 25 тыс. генов, распределенных по 46 хромосом. Ген — это участок молекулы ДНК, который содержит информацию о строении определённого белка, либо функциональной РНК, выполняющих какую-либо функцию для поддержания жизнедеятельности человека. Ген состоит из протяженного участка молекулы ДНК – нуклеотидной последовательности, назовем их для простоты «генетическими буквами» (например, АТТСGG). Каждые три последовательно расположенных буквы соответствуют определенной аминокислоте в белке. Таких букв в геноме одного человека — 3 миллиарда. Размер одного среднего гена составляет 3 тысячи, но разброс очень большой от 20 «букв» до 2,4 миллионов в самом большом гене.

Что такое генетический полиморфизм?

Изменение буквенной последовательности в гене называются мутациями и могут привести к изменению свойства белка (от незначительного до критического). Наличие тех или иных изменений (мутаций) в одном и том же гене у разных людей соответствует понятию аллельного варианта гена. Мутации, которые встречаются более, чем у 1% людей принято называть полиморфизмами или полиморфными вариантами генов. По структуре мутации делятся на разные группы такие как делеции (недостаток участка ДНК) инсерции (вставки «лишнего» участка ДНК), а также замены одного нуклеотида на другой так называемые SNP (Single Nucleotide Polymorphism). За исключением монозиготных близнецов, все люди имеют различия в информации, закодированной в ДНК, и эти различия делают каждого уникальным. Каждый человек имеет две копии любого гена – одна наследуется от матери другая от отца. Когда обе копии являются одинаковыми аллельными вариантами (либо нормальные, либо с мутацией) — это так называемые два вида гомозиготного состояния: «Норма/Норма» и «Мутация/Мутация». Если изменение происходит только в одной копии гена такое состояние называется гетерозиготным: «Норма/Мутация». Во многих случаях (когда выполняется аддитивная модель наследования) степень выраженности фенотипического признака (болезни или особенностей внешнего облика) зависит от количества «мутантного» аллеля — при гетерозиготном варианте меньше, чем при гомозиготном по мутации варианте. Как правило, гомозиготные мутации распространены реже.

Все ли мутации вредны?

Большинство генетических вариаций безвредно и они являются частью нормального генетического разнообразия. В разных группах людей, один генетический вариант может быть более распространен, чем другой. Исторически, ученые называют более распространенный вариант нормальным (или «диким типом»), и менее распространенный вариант мутантным. В некоторых случаях, мутантный вариант может содержать в себе изменения, приводящие либо к нарушению структуры продукта гена, либо к изменению его активности и, соответственно, количеству производимого белка. Бывают случаи, при которых так называемая мутантная форма гена имеет оптимальную структуру или активность продукта данного гена. В этом частном случае, нормальная или наиболее распространенная форма, будет ассоциирована с повышенным риском развития заболеваний, а мутантная с протективным («защитным») эффектом. При подсчете многофакторного риска, протективные варианты также вносят вклад и их необходимо учитывать.

Как генетика может влиять на развитие заболеваний?

С точки зрения вклада генетических особенностей в предопределенность заболевания все болезни делятся на следующие категории:

  •  Хромосомные болезни. В основе которых лежит изменение числа или структуры хромосом. Наиболее ярким примером этой группы заболеваний является синдром Дауна. Лабораторным методом диагностики является цитогенетический анализ (кариотипирование), а для поиска небольших изменений, находящихся за рамками разрешения микроскопа, применяется микроматричный анализ и FISH-анализ.
  • Генные болезни. В основе которых лежит изменение внутри определенного гена. Именно к этой группе заболеваний относятся законы Менделя, известные многим со школы, «доминантный» или «рецессивный» характер наследования. Для лабораторной диагностики данной группы заболеваний применяются молекулярно-генетические методы исследования. К ним относятся: ПЦР-диагностика для определения конкретной однобуквенной замены, секвенирование (прочитка последовательности генетических «букв» всего гена или даже всего генома). Диагностика генных болезней довольно сложно в связи с большим их разнообразием и редкой встречаемостью. Постоянно обновляемый международный каталог генных болезней содержит более 6000 наименований.
  • Многофакторные заболеванияВ основе которых лежат, как изменения в генах, так и особенности образа жизни пациента. В большинстве случаев генетическая составляющая многофакторного признака, является суммарным действием нескольких генетических маркеров. Каждый генетический маркер характеризуется определенным параметром — «относительным риском» (ОР) – который он привносит, в случае его обнаружения у индивида. При анализе нескольких генетических локусов, рассчитывается суммарный риск, который может значительно превышать среднепопуляционный риск для данного заболевания. Для многих многофакторных заболеваний разработана система профилактики, которую можно применять у людей с высоким риском.
  • Заболевания, возникающие в соматических клетках. При этом генетические поломки возникают не во всех клетках тела а только в определенной области, что связано с развитием злокачественных опухолей.

Ген это участок молекулы ДНК (или хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы. Каждый ген располагается в определенном участке хромосомы локусе


С этим файлом связано 1 файл(ов). Среди них: Генетика.docx.
Показать все связанные файлы
Подборка по базе: Р_К_13 участок 6.pdf, Строение вещества. Молекулы..ppt, МУП Строительный участок (2).docx, ОГЭ 2022 №01-05 Участок (т)с.pdf, Тема 2 Участок кузн прессового цеха_.pdf, 7, Химия, 7.2А Атомы. Молекулы. Вещества (Урок 4), План урока.do, реферат атомы и молекулы 2.pptx, 2 Диплом Шиномонтажный участок.docx, Взаимодействие молекулы газа с центром рассеяния.(Программа и оп, Переписной эпикриз 115 участок.docx

Ген – это участок молекулы ДНК (или хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы. Каждый ген располагается в определенном участке хромосомы – локусе. Аллельные гены – это пара генов, определяющая альтернативные признаки организма. Аллельные гены располагаются в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом. Альтернативные признаки – взаимоисключающие или контрастные признаки. Часто один из альтернативных признаков является доминантным, а другой рецессивным. Доминантный признак (АА) – это признак проявляющийся у гибридов первого поколения при скрещивании чистых линий. Рецессивный признак (аа) – передается по наследству при скрещивании, но не проявляется у гибридов первого поколения. Половые клетки несут какой-либо один признак. При слиянии половых клеток образуется зигота. В соответствии от того какие аллели одного и того же гена она содержит, различают гомозиготу и гетерозиготу. Гомозигота – это клетка или организм содержащие одинаковые аллели одного и того же гена. Гомозигота – это организм, образующий один сорт гамет, в потомстве не наблюдается расщепления, имеют одинаковые гены. Гетерозигота – это клетка или организм, содержащие разные аллели одного и того же гена. Это организм образующий 2 сорта гамет. Совокупность всех генов одного организма называют генотипом.Генотип это не только сумма генов. Возможность и форма проявления гена зависит от среды. В понятие среды входит не только внешние условия, но и присутствие других генов. Гены взаимодействуют друг с другом и могут повлиять на проявление действия соседних генов. Совокупность всех признаков организма, формирующихся при взаимодействии организма с средой – фенотип. Сюда относят не только внешние признаки (цвет глаз, рост), но и биохимические (структура белка, активность фермента), гистологические (форма и размер клеток, строение тканей и органов), анатомические (строение тела и взаимное расположение органов).

Законы Менделя. Моногибридным скрещиваниемназывают скрещивание двух организмов, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков. Следовательно, при таком скрещивании прослеживается закономерности наследования только двух вариантов признака, развитие которых обусловлено парой аллельных генов. Например, признак – цвет семян, альтернативные варианты – желтый или зеленый. Все остальные признаки, свойственные данным организмам во внимание не принимаются.

Первый закон Менделя (закон единообразия гибридов первого поколения).У всех особей данного поколения признак проявляется одинаково. Сформулировать этот закон можно следующим образом: при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающимся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей. Р.: АА (желтые) × аа (зеленые) g.: А а F1.: Аа (желтые). Ph.: 100% Единообразие гибридов первого поколения.

Второй закон Менделя (закон расщепления). Расщепление – это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомков в определенном соотношении. Если потомков первого поколения – гетерозиготных особей, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки обоих родителей проявляются в определенном числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только проявляется во втором гибридном поколении (F1). F1. : Аа (желтые семена) × Аа (желтые семена) g.: А а А а F2.: АА; Аа; Аа; аа (1:2:1) Ph.: 3 желтые семена : 1 зеленые семена (3:1)

Таким образом второй закон Менделя можно сформулировать следующим образом: при скрещивании потомков первого поколения между собой, во втором поколении наблюдается расщепление: по генотипу 1:2:1; по фенотипу 3:1. Это означает, что среди потомков 25% организмов будут обладать доминантным признаком и являться гомозиготой, 50% потомков, также с доминантным фенотипом, окажутся гетерозиготой, а остальные 25% особей, несущих рецессивный признак, будут гомозиготны по рецессивному признаку.

Закон чистоты гамет. Связь между поколениями происходит за счет половых клеток – гамет. Каждая гамета содержит один фактор наследственности из двух имеющихся в соматических клетках. На основании этого Мендель сформулировал закон чистоты гамет: при образовании гамет в каждую из них попадает только один из двух «элементов наследственности», отвечающий за данный признак.

Третий закон Менделя «Закон независимого комбинирования». Расщепление признаков в потомстве при скрещивании гетерозиготных особей Мендель объяснил тем, что гаметы с генетической точки зрения чисты, т.е. несут только один ген из аллельной пары. При образовании половых клеток в каждую гамету попадает только один ген из аллельной пары. В процессе развития гамет у гибрида гомологичные хромосомы во время первого мейотического деления попадают в разные клетки. Образуется два сорта гамет по данной аллельной паре. Цитологической основой расщепления признаков у потомства при моногибридном скрещивании является расхождение гомологичных хромосом и образование гаплоидных половых клеток в мейозе.

Для дигибридного скрещивания Мендель взял гомозиготные растения гороха, различающиеся по двум генам: окраске семян (желтые и зеленые) и форме семян (гладкие и морщинистые). При таком скрещивании признаки определяются различными парами генов: одна аллель отвечает за цвет семян, другая за форму семян. Желтая окраска горошин (А) доминирует над зеленой (а), а гладкая форма (В) над морщинистой (b). При образовании гамет у гибрида первого поколения из каждой пары аллельных генов в гамету попадает только один. Поскольку в организме образуется много половых клеток, у гибрида F1 возникает четыре сорта гамет в одинаковом количестве: АВ; аВ; Аb; ab. Во время оплодотворения каждая из гамет одного организма случайно встречается с любой из гамет другого организма. Все возможные сочетания мужских и женских гамет можно легко установить с помощью решетки Пеннета. Р.: ААВВ (желтый гладкий) × ааbb (зеленый морщинистый) g.: АВ аb F1.: АаВb (желтый гладкий) × АаВb g.: АВ; аВ; Аb; ab АВ; аВ; Аb; ab F2.:


 

AB

Ab

aB

ab

АВ

AABB
желтый гладкий

AABb
желтый гладкий

AaBB
желтый гладкий

AaBb
желтый гладкий

Аb

AABb
желтый гладкий

AAbb
Желтый морщинистый

AaBb
желтый гладкий

Aabb
желтый морщинистый

aB

AaBB
желтый гладкий

AaBb
желтый гладкий

aaBB
зеленый гладкий

aaBb
зеленый гладкий

ab

AaBb
желтый гладкий

Aabb
желтый морщинистый

aaBb
зеленый гладкий

aabb
зеленый морщинистый

9 (жг) : 3 (жм) : 3 (зг) : 1 (зм)

Теперь можно сформулировать III закон Менделя: при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающимся друг от друга по двум парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Неполное доминирование – это такой тип наследования, при котором гетерозиготные особи имеют промежуточный фенотип по сравнению с родительскими организмами, и связано это с тем, что доминантный ген не полностью подавляет действие рецессивного. Р:   АА (кр)    х     аа (бел)
G:   А    а 
F1: Аа
    Фенотип: Aa — сочетание генов, при которых проявляются промежуточный признак (розовые цветки).  Р:   Аа     х       Аа
G:   А,  а;           A, а.
F2:  АА, Аа. Аа, аа.

Таким образом, при неполном доминировании в F2 образуется три фенотипических класса: красные, розовые, белые в соотношении 1:2:1.

Анализирующее скрещивание используется для выяснения неизвестного генотипа одного из родителей. При анализирующем скрещивании расщепление по фенотипу совпадает с расщеплением по генотипу, что позволяет сделать вывод о генотипе исследуемого родителя.

Сцепленное наследование. Закон Моргана. Сцепление – явление совместного наследования признаков. Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно и образуют группу сцепления. Количество групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом. Закон Т. Моргана можно сформулировать следующим образом: гены, находящиеся в одной хромосоме, образуют группу сцепления и часто наследуются совместно, при этом частота совместного наследования зависит от расстояния между генами (чем ближе, тем чаще). Причиной, по которой сцепленное наследование нарушается, является кроссинговер, протекающий в мейозе при конъюгации хромосом. При этом гомологичные хромосомы обмениваются своими участками, и таким образом ранее сцепленные гены могут оказаться в разных гомологичных хромосомах, что обуславливает независимое распределение признаков.

генов | Национальное географическое общество

Почему вы больше похожи на своих родственников, чем на кого-либо еще? Почему дети часто вырастают похожими на своих родителей? Почему «однояйцевые» близнецы выглядят почти одинаково? Ответ на все эти вопросы связан с генами.

Гены — единицы наследственной информации, которую организмы передают новым поколениям. Гены содержат закодированную информацию для производства белков, которые позволяют клеткам функционировать. Вся совокупность генов организма называется его геномом.

Геном человека содержит от 20 000 до 25 000 генов. Вы похожи на членов вашей семьи, потому что ваши гены больше похожи на их гены, чем на гены незнакомцев. С другой стороны, ваши гены больше похожи на гены всех других людей, чем на гены другого вида организма, например кролика. Вот почему ты совсем не похож на кролика. Но люди действительно напоминают шимпанзе, потому что у нас почти 99% одинаковых генов.Чем более тесно связаны между собой организмы, тем больше у них сходства между их геномами.

Геномы могут сильно различаться, но все гены устроены одинаково. Ген — это участок длинной молекулы, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), или — у некоторых вирусов — аналогичной молекулы, называемой рибонуклеиновой кислотой (РНК). ДНК и РНК состоят из строительных блоков, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид построен вокруг одной из четырех различных субъединиц, называемых основаниями. Эти основания известны как гуанин, цитозин, аденин и тимин (в РНК тимин заменен урацилом).Ген несет информацию в последовательности своих нуклеотидов, так же как предложение несет информацию в последовательности своих букв. Хотя большинство генов состоит из ДНК, гены используют РНК для создания белков, закодированных в ДНК.

Гены расположены на нитевидных структурах, называемых хромосомами, в ядре клетки. Хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК с прикрепленными к ней белками. Каждая клетка организма несет по крайней мере одну хромосому. Многие организмы, включая человека, имеют в своих клетках множество хромосом..

Чтобы сделать белок из гена в ДНК, клетка сначала строит цепочку РНК, которая копирует информацию из молекулы ДНК. Этот процесс называется транскрипцией гена. Затем клетка использует сообщение в цепи РНК для построения белковой молекулы. Этот процесс называется трансляцией гена.

Только около одного процента нашей ДНК находится в генах, кодирующих белки. Остальные 99 процентов — это некодирующая ДНК. Генетикам неизвестно назначение всей этой некодирующей ДНК, но они считают, что по крайней мере часть ее необходима для правильного функционирования клеток, особенно для контроля функций генов.

 

Объяснитель: Что такое гены? | Новости науки для студентов

Гены — это чертежи для создания химических механизмов, поддерживающих жизнь клеток. Это верно для людей и всех других форм жизни. Но знаете ли вы, что с 20 000 генов у людей почти на 11 000 меньше генов, чем у водяных блох? Если количество генов не предсказывает сложность, то что?

Ответ заключается в том, что наш генетический материал содержит гораздо больше, чем единицы, которые мы называем генами.Столь же важны переключатели, которые включают и выключают ген. И то, как клетки читают и интерпретируют генетические инструкции, у людей гораздо сложнее, чем у этих водяных блох.

ДНК

имеет скрученную лестничную структуру. Внешние опорные части лестницы изготовлены по сахарно-фосфатной рецептуре. Между этими внешними опорами находятся пары химических веществ, известных как основания.

ttsz/iStockphoto

Гены и переключатели, которые их контролируют, состоят из ДНК. Это длинная молекула, напоминающая спиральную лестницу.Его форма известна как двойная спираль. В общей сложности три миллиарда ступеней соединяют две внешние ветви — вертикальные опоры — этой лестницы. Мы называем ступени парами оснований для двух химических веществ (пар), из которых они сделаны. Ученые называют каждое химическое вещество его инициалом: А (аденин), С (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). A всегда сочетается с T; C всегда сочетается с G.

В клетках человека двухцепочечная ДНК не существует в виде одной гигантской молекулы. Он разделен на более мелкие фрагменты, называемые хромосомами (KROH-moh-soams).Они упакованы по 23 пары на ячейку. Всего получается 46 хромосом. Вместе 20 000 генов в наших 46 хромосомах составляют человеческий геном .

Роль ДНК аналогична роли алфавита. Он может нести информацию, но только в том случае, если буквы комбинируются таким образом, чтобы получились осмысленные слова. Связывание слов вместе дает инструкции, как в рецепте. Таким образом, гены являются инструкциями для клетки. Подобно инструкциям, гены имеют «начало».Их последовательность пар оснований должна следовать в определенном порядке, пока они не достигнут определенного «конца».

Если гены подобны основному рецепту, то аллели (Ah-LEE-uhls) являются версиями этого рецепта. Например, аллели гена «цвета глаз» определяют, как сделать глаза голубыми, зелеными, карими и так далее. Мы наследуем один аллель или версию гена от каждого из наших родителей. Это означает, что большинство наших клеток содержат два аллеля, по одному на хромосому.

Но мы не точные копии наших родителей (или братьев и сестер).Причина: прежде чем мы унаследуем их, аллели перетасовываются, как колода карт. Это происходит, когда организм вырабатывает яйцеклетки и сперматозоиды. Это единственные клетки с одной версией каждого гена (вместо двух), упакованной в 23 хромосомы. Яйцеклетки и сперматозоиды сливаются в процессе, известном как оплодотворение. С этого начинается развитие нового человека.

Путем объединения двух наборов по 23 хромосомы — одного набора из яйцеклетки и одного набора из сперматозоида — новый человек получает обычные два аллеля и 46 хромосом.И ее уникальная комбинация аллелей никогда больше не возникнет точно так же. Это то, что делает каждого из нас уникальным. Но мы не точные копии наших родителей (или братьев и сестер). Причина: прежде чем мы унаследуем их, аллели перетасовываются, как колода карт. Это происходит, когда организм вырабатывает яйцеклетки и сперматозоиды. Это единственные клетки с одной версией каждого гена (вместо двух), упакованной в 23 хромосомы. Яйцеклетки и сперматозоиды сливаются в процессе, известном как оплодотворение. С этого начинается развитие нового человека.

Оплодотворенная клетка должна размножаться, чтобы образовались все органы и части тела ребенка. Для размножения клетка делится на две одинаковые копии. Клетка использует инструкции своей ДНК и химических веществ в клетке, чтобы создать идентичную копию ДНК для новой клетки. Затем процесс повторяется много раз, когда одна клетка копируется в две. И две копии, чтобы стало четыре. И так далее.

Чтобы создавать органы и ткани, клетки используют инструкции своей ДНК для создания крошечных машин.Они контролируют реакции между химическими веществами в клетке, в результате которых образуются органы и ткани. Крошечные машины состоят из белков . Когда клетка считывает инструкции гена, мы называем это выражением гена . Оплодотворенная клетка должна размножаться, чтобы образовались все органы и части тела ребенка. Для размножения клетка делится на две одинаковые копии. Клетка использует инструкции своей ДНК и химических веществ в клетке, чтобы создать идентичную копию ДНК для новой клетки. Затем процесс повторяется много раз, когда одна клетка копируется в две.И две копии, чтобы стало четыре. И так далее.

Как работает экспрессия генов?

Для экспрессии генов клетка копирует сообщение ДНК в молекулу мРНК (транскрипция) внутри светло-розовой области вверху — ядра. Затем мРНК покидает ядро, и молекулы тРНК читают ее сообщение, чтобы создать белок (трансляция).

Национальный образовательный центр генетики и геномики NHS/Wikimedia (CC BY 2.0), адаптировано Л. Стинбликом Хвангом

Экспрессия генов зависит от вспомогательных молекул.Они интерпретируют инструкции гена, чтобы производить правильные типы белков. Одна важная группа этих помощников известна как РНК. Он химически похож на ДНК. Одним из типов РНК является информационная РНК (мРНК). Это одноцепочечная копия двухцепочечной ДНК.

Создание мРНК из ДНК — это первый шаг в экспрессии генов. Этот процесс известен как транскрипция и происходит внутри ядра клетки, или ядра . Второй этап, называемый трансляцией , происходит вне ядра.Он превращает сообщение мРНК в белок, собирая соответствующие химические строительные блоки, известные как аминокислоты (Ah-MEE-no).

Все белки человека представляют собой цепи с различными комбинациями из 20 аминокислот. Некоторые белки контролируют химические реакции. Некоторые несут сообщения. Третьи служат строительным материалом. Всем организмам нужны белки, чтобы их клетки могли жить и расти.

Для построения белка вдоль цепи мРНК выстраиваются молекулы другого типа РНК — транспортной РНК (тРНК).Каждая тРНК несет трехбуквенную последовательность на одном конце и аминокислоту на другом. Например, последовательность GCG всегда несет аминокислоту аланин (AL-uh-neen). ТРНК сопоставляют свою последовательность с последовательностью мРНК, по три буквы за раз. Затем другая вспомогательная молекула, известная как рибосома (RY-boh-soam), присоединяется к аминокислотам на другом конце, образуя белок.

Один ген, несколько белков

Сначала ученые думали, что каждый ген содержит код для создания только одного белка.Они были не правы. Используя механизм РНК и его помощников, наши клетки могут производить более 20 000 белков из своих 20 000 генов. Ученые не знают точно, сколько еще. Это может быть несколько сотен тысяч, а может быть, и миллион!

Как один ген может производить более одного типа белка? Только некоторые участки гена, известные как экзонов , кодируют аминокислоты. Области между ними составляют интронов . Прежде чем мРНК покинет ядро ​​клетки, вспомогательные молекулы удаляют ее интроны и сшивают вместе ее экзоны.Ученые называют это сплайсингом мРНК.

Одна и та же мРНК может подвергаться сплайсингу по-разному. Это часто происходит в разных тканях (возможно, в коже, мозге или печени). Как будто читатели «говорят» на разных языках и по-разному интерпретируют одно и то же послание ДНК. Это один из способов, которым тело может иметь больше белков, чем генов.

Вот еще один способ. Большинство генов имеют несколько переключателей. Переключатели определяют, где мРНК начинает считывать последовательность ДНК и где останавливается.Различные начальные и конечные сайты создают разные белки, некоторые более длинные, некоторые более короткие. Иногда транскрипция не начинается до тех пор, пока несколько химических веществ не присоединятся к последовательности ДНК. Эти сайты связывания ДНК могут быть далеко от гена, но все равно влияют на то, когда и как клетка считывает свое сообщение.

Вариации сплайсинга и генные переключения приводят к различным мРНК. И они транслируются в разные белки. Белки также могут измениться после того, как их строительные блоки были собраны в цепь.Например, клетка может добавить химические вещества, чтобы придать белку какую-то новую функцию.

ДНК содержит больше, чем инструкции по сборке

Создание белков — далеко не единственная роль ДНК. На самом деле только один процент ДНК человека содержит экзоны, которые клетка транслирует в белковые последовательности. Оценки доли ДНК, контролирующей экспрессию генов, колеблются от 25 до 80 процентов. Ученые пока не знают точного числа, потому что найти эти регуляторные участки ДНК сложнее.Некоторые из них являются генными переключателями. Другие производят молекулы РНК, которые не участвуют в построении белков.

Контролировать экспрессию генов почти так же сложно, как дирижировать большим симфоническим оркестром. Просто подумайте, что требуется для того, чтобы одна оплодотворенная яйцеклетка превратилась в ребенка в течение девяти месяцев.

Так имеет ли значение, что у водяных блох больше генов, кодирующих белок, чем у людей? Не совсем. Большая часть нашей сложности скрыта в регуляторных областях нашей ДНК. И расшифровка этой части нашего генома займет ученых на многие-многие годы.

Изучение экспрессии и функций генов — молекулярная биология клетки

В конечном счете, нужно определить, как гены и белки, которые они кодируют, функционируют в интактном организме. Хотя это может показаться нелогичным, один из самых прямых способов узнать, что делает ген, — это посмотреть, что происходит с организмом, когда этот ген отсутствует. Изучение мутантных организмов, которые приобрели изменения или делеции в своих нуклеотидных последовательностях, является проверенной временем практикой в ​​биологии.Поскольку мутации могут прерывать клеточные процессы, мутанты часто являются ключом к пониманию функции генов. При классическом подходе к важной области генетики начинают с выделения мутантов, имеющих интересный или необычный внешний вид: например, дрозофилы с белыми глазами или завитыми крыльями. Работая в обратном направлении от фенотипа — внешности или поведения особи — затем определяют генотип организма, форму гена, ответственного за эту характеристику (рис. 8-1).

Сегодня, когда многочисленные геномные проекты ежедневно добавляют в общедоступные базы данных десятки тысяч последовательностей нуклеотидов, исследование функции генов часто начинается с последовательности ДНК. Здесь задача состоит в том, чтобы перевести последовательность в функцию. Один из подходов, обсуждавшийся ранее в этой главе, заключается в поиске в базах данных хорошо охарактеризованных белков, которые имеют сходную аминокислотную последовательность с белком, кодируемым новым геном, и на этой основе использовать некоторые из методов, описанных в предыдущем разделе, для изучения структуры гена. функционировать дальше.Но для непосредственного решения проблемы функционирования гена в клетке или организме наиболее эффективным подходом является изучение мутантов, у которых либо отсутствует ген, либо экспрессируется его измененная версия. Определение того, какие клеточные процессы были нарушены или скомпрометированы у таких мутантов, часто дает представление о биологической роли гена.

В этом разделе мы описываем несколько различных подходов к определению функции гена, начиная с последовательности ДНК или с организма с интересным фенотипом.Мы начнем с классического генетического подхода к изучению генов и функций генов. Эти исследования начинаются с генетического скрининга для выделения представляющих интерес мутантов, а затем переходят к идентификации гена или генов, ответственных за наблюдаемый фенотип. Затем мы рассмотрим набор методов, подпадающих под определение обратной генетики , в которой человек начинает с гена или последовательности гена и пытается определить его функцию. Этот подход часто включает некоторые разумные догадки — поиск гомологичных последовательностей и определение того, когда и где экспрессируется ген, — а также создание мутантных организмов и характеристику их фенотипа.

Классический подход начинается со случайного мутагенеза

До появления технологии клонирования генов большинство генов идентифицировали по процессам, нарушенным при мутации гена. Этот классический генетический подход — идентификация генов, ответственных за мутантные фенотипы, — легче всего осуществить на организмах, которые быстро размножаются и поддаются генетическим манипуляциям, таких как бактерии, дрожжи, черви-нематоды и плодовые мушки. Хотя спонтанные мутанты иногда могут быть обнаружены при исследовании чрезвычайно больших популяций — тысяч или десятков тысяч отдельных организмов — процесс выделения мутантов можно сделать гораздо более эффективным, производя мутации с помощью агентов, повреждающих ДНК.Обрабатывая организмы мутагенами, можно быстро создать очень большое количество мутантов, а затем провести их скрининг на наличие интересующего конкретного дефекта, как мы скоро увидим.

Альтернативный подход к химическому или радиационному мутагенезу называется инсерционным мутагенезом . Этот метод основан на том факте, что экзогенная ДНК, вставленная случайным образом в геном, может вызывать мутации, если вставленный фрагмент прерывает ген или его регуляторные последовательности. Вставленная ДНК, последовательность которой известна, затем служит молекулярной меткой, помогающей в последующей идентификации и клонировании нарушенного гена (14).В Drosophila использование мобильного элемента P для инактивации генов произвело революцию в изучении функции генов у плодовой мушки. Мобильные элементы (см. Таблицу 5-3, стр. 287) также использовались для создания мутантов в бактериях, дрожжах и в цветковом растении Arabidopsis . Ретровирусы, которые копируют себя в геном хозяина (см. Ресурсы), использовались для разрушения генов у рыбок данио и мышей.

Рисунок 8-55

Вставочный мутант львиного зева, Antirrhinum. Мутация в одном гене, кодирующем регуляторный белок, вызывает развитие листовых побегов вместо цветов. Мутация позволяет клеткам приобретать характер, соответствующий другому (далее…)

Такие исследования хорошо подходят для анализа биологических процессов у червей и мух, но как мы можем изучать функции генов у людей? В отличие от организмов, которые мы обсуждали, люди не размножаются быстро, и их не обрабатывают намеренно мутагенами. Более того, любой человек с серьезным дефектом в таком важном процессе, как репликация ДНК, умрет задолго до рождения.

Есть два ответа на вопрос, как мы изучаем человеческие гены. Во-первых, поскольку гены и их функции сохранялись на протяжении всей эволюции, изучение менее сложных модельных организмов дает важную информацию о сходных генах и процессах у людей. Соответствующие гены человека можно затем дополнительно изучить в культивируемых клетках человека. Во-вторых, многие нелетальные мутации — например, тканеспецифические дефекты в лизосомах или рецепторах клеточной поверхности — возникают спонтанно в человеческой популяции.Анализ фенотипов пораженных людей вместе с исследованиями их культивируемых клеток предоставил множество уникальных сведений о важных функциях клеток человека. Хотя такие мутации редки, они очень эффективно обнаруживаются благодаря уникальному человеческому свойству: особи-мутанты привлекают к себе внимание, обращаясь за специальной медицинской помощью.

Генетический скрининг идентифицирует мутантов с дефицитом клеточных процессов

После создания коллекции мутантов в модельном организме, таком как дрожжи или мухи, обычно необходимо исследовать тысячи особей, чтобы найти интересующий измененный фенотип.Такой поиск называется генетическим скринингом. Поскольку получение мутации в интересующем гене зависит от вероятности того, что ген будет инактивирован или иным образом мутирован во время случайного мутагенеза, чем больше геном, тем меньше вероятность того, что какой-либо конкретный ген будет мутирован. Следовательно, чем сложнее организм, тем больше мутантов нужно исследовать, чтобы не потерять гены. Исследуемый фенотип может быть простым или сложным. Легче всего обнаружить простые фенотипы: например, метаболический дефицит, при котором организм больше не может расти в отсутствие определенной аминокислоты или питательного вещества.

Более сложные фенотипы, например мутации, вызывающие дефекты в обучении или памяти, могут потребовать более тщательного скрининга (). Но даже генетические скрининги, которые используются для анализа сложных физиологических систем, должны быть максимально простыми по конструкции и, по возможности, должны позволять исследовать большое количество мутантов одновременно. Например, один особенно элегантный экран был разработан для поиска генов, участвующих в зрительной обработке у рыбок данио. В основе этого экрана, отслеживающего реакцию рыб на движение, лежит изменение поведения.Рыбы дикого типа склонны плавать в направлении воспринимаемого движения, в то время как мутанты с дефектами зрительной системы плавают в случайных направлениях — поведение, которое легко обнаружить. Один мутант, обнаруженный в этом скрине, называется lakritz , у которого отсутствуют 80% ганглиозных клеток сетчатки, которые помогают передавать визуальные сигналы от глаза к мозгу. Поскольку клеточная организация сетчатки рыбок данио отражает клеточную организацию всех позвоночных, изучение таких мутантов также должно дать представление об обработке изображений у людей.

Рисунок 8-56

Скрининг может обнаруживать мутации, влияющие на поведение животного. (A) Дикий тип C. elegans участвует в социальном питании. Черви плавают, пока не встретят своих соседей и не начнут питаться. (B) Животные-мутанты питаются сами по себе. (Courtesy of Cornelia (подробнее…)

Поскольку дефекты в генах, которые необходимы для фундаментальных клеточных процессов — например, синтеза и процессинга РНК или контроля клеточного цикла — обычно смертельны, функции этих генов часто изучают при температуре -чувствительные мутанты.У этих мутантов белковый продукт мутантного гена нормально функционирует при средней температуре, но может быть инактивирован небольшим повышением или понижением температуры. Таким образом, аномалию можно включать и выключать экспериментально, просто изменяя температуру. Клетка, содержащая чувствительную к температуре мутацию в гене, необходимом для выживания при непермиссивной температуре, может, тем не менее, расти при нормальной или пермиссивной температуре. Ген, чувствительный к температуре, у таких мутантов обычно содержит точечную мутацию, вызывающую незначительные изменения в его белковом продукте.

Рисунок 8-57

Скрининг мутантов бактерий или дрожжей, чувствительных к температуре. Мутагенизированные клетки высевали при разрешающей температуре. Полученные колонии переносят на две идентичные чашки Петри методом посева реплик; одна из этих чашек инкубируется при (подробнее…)

Многие чувствительные к температуре мутанты были выделены в генах, кодирующих бактериальные белки, необходимые для репликации ДНК, путем скрининга популяций обработанных мутагеном бактерий на наличие клеток, которые перестают производить ДНК, когда они нагреваются от 30°C до 42°C.Позднее эти мутанты были использованы для идентификации и характеристики соответствующих белков репликации ДНК (обсуждается в главе 5). Чувствительные к температуре мутанты также привели к идентификации многих белков, участвующих в регуляции клеточного цикла и в перемещении белков по секреторному пути у дрожжей (см. панель 13-1). Связанные подходы к скринингу продемонстрировали функцию ферментов, участвующих в основных метаболических путях бактерий и дрожжей (обсуждается в главе 2), а также обнаружили многие генные продукты, ответственные за упорядоченное развитие эмбриона дрозофилы (обсуждается в главе 21).

Тест на комплементацию показывает, относятся ли две мутации к одному или к разным генам

Крупномасштабный генетический скрининг может выявить много разных мутантов, которые демонстрируют одинаковый фенотип. Эти дефекты могут быть связаны с разными генами, которые функционируют в одном и том же процессе, или они могут представлять собой разные мутации в одном и том же гене. Как тогда мы можем сказать, происходят ли две мутации, приводящие к одному и тому же фенотипу, в одном и том же гене или в разных генах? Если мутации являются рецессивными — если, например, они представляют собой потерю функции определенного гена, — можно использовать тест на комплементацию, чтобы установить, относятся ли мутации к одному и тому же или к разным генам.В самом простом типе комплементарного теста особь, гомозиготная по одной мутации, то есть обладающая двумя идентичными аллелями рассматриваемого мутантного гена, скрещивается с особью, гомозиготной по другой мутации. Если две мутации происходят в одном и том же гене, потомство демонстрирует мутантный фенотип, потому что у них по-прежнему не будет нормальных копий рассматриваемого гена (см. панель 8-1, стр. 526–527). Если, напротив, мутации приходятся на разные гены, в результате потомство будет иметь нормальный фенотип.Они сохраняют одну нормальную копию (и одну мутантную копию) каждого гена. Таким образом, мутации дополняют друг друга и восстанавливают нормальный фенотип. Тестирование комплемента мутантов, идентифицированных во время генетического скрининга, показало, например, что дрожжам требуется 5 генов для переваривания сахарной галактозы; что 20 генов необходимы для E. coli , чтобы построить функциональный жгутик; что 48 генов участвуют в сборке вирусных частиц бактериофага Т4; и что сотни генов участвуют в развитии взрослого червя-нематоды из оплодотворенной яйцеклетки.

После идентификации набора генов, участвующих в определенном биологическом процессе, следующим шагом является определение порядка функционирования генов. Определение того, когда действует ген, может облегчить реконструкцию целых генетических или биохимических путей, и такие исследования сыграли центральную роль в нашем понимании метаболизма, передачи сигналов и многих других процессов развития и физиологических процессов. По сути, распутывание порядка, в котором функционируют гены, требует тщательной характеристики фенотипа, вызванного мутациями в каждом отдельном гене.Представьте, например, что мутации в нескольких генах вызывают остановку клеточного деления на раннем этапе развития эмбриона. Тщательное изучение каждого мутанта может выявить, что некоторые действуют очень рано, препятствуя делению оплодотворенной яйцеклетки на две клетки. Другие мутации могут способствовать раннему делению клеток, но препятствуют достижению эмбрионом стадии бластулы.

Для проверки предсказаний о порядке функционирования генов можно создать организмы, мутантные по двум разным генам.Если эти мутации влияют на две разные стадии одного и того же процесса, то такие двойных мутантов должны иметь фенотип, идентичный фенотипу мутации, которая действует на самом раннем пути. Например, таким образом был расшифрован путь секреции белка у дрожжей. Различные мутации в этом пути вызывают аберрантное накопление белков в эндоплазматическом ретикулуме (ER) или в аппарате Гольджи. Когда клетка сконструирована таким образом, что содержит как мутацию, которая блокирует процессинг белка в ER , так и мутацию , которая блокирует процессинг в компартменте Гольджи, белки накапливаются в ER.Это указывает на то, что белки должны пройти через ER, прежде чем попасть в аппарат Гольджи перед секрецией.

Рисунок 8-58

Использование генетики для определения порядка функционирования генов. В нормальных клетках белки загружаются в везикулы, которые сливаются с плазматической мембраной и секретируют свое содержимое во внеклеточную среду. В секреторном мутанте А белки накапливаются в (подробнее…)

Гены могут быть обнаружены с помощью анализа сцепления

Имея в руках мутанты, следующим шагом является идентификация гена или генов, которые, по-видимому, ответственны за измененный фенотип.Если для исходного мутагенеза использовался инсерционный мутагенез, локализация нарушенного гена довольно проста. Фрагменты ДНК, содержащие вставку (например, транспозон или ретровирус), собирают и амплифицируют, после чего определяют нуклеотидную последовательность фланкирующей ДНК. Эта последовательность затем используется для поиска в базе данных ДНК, чтобы идентифицировать ген, который был прерван вставкой мобильного элемента.

Если для создания мутантов использовалось химическое вещество, повреждающее ДНК, то идентификация инактивированного гена часто является более трудоемкой и может быть достигнута с помощью нескольких различных подходов.В одном из них первым шагом является определение того, где в геноме расположен ген. Чтобы нанести на карту недавно обнаруженный ген, сначала определяют его примерное хромосомное расположение путем оценки того, насколько далеко ген находится от других известных генов в геноме. Оценка расстояния между генетическими локусами обычно выполняется с помощью анализа сцепления — метода, основанного на том факте, что гены, расположенные рядом друг с другом в хромосоме, обычно наследуются вместе. Чем ближе гены, тем выше вероятность того, что они перейдут потомству в паре.Однако даже близко сцепленные гены могут быть разделены рекомбинацией во время мейоза. Чем больше расстояние между двумя генетическими локусами, тем выше вероятность того, что они будут разделены кроссовером (см. панель 8-1, стр. 526–527). Рассчитав частоту рекомбинации между двумя генами, можно определить приблизительное расстояние между ними.

Поскольку гены не всегда расположены достаточно близко друг к другу, чтобы можно было точно определить их положение, анализ сцепления часто опирается на физические маркеры вдоль генома для оценки местоположения неизвестного гена.Эти маркеры обычно представляют собой нуклеотидные фрагменты с известной последовательностью и расположением в геноме, которые могут существовать по крайней мере в двух аллельных формах. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), например, представляют собой короткие последовательности, которые различаются на один или несколько нуклеотидов у разных людей в популяции. SNP могут быть обнаружены методами гибридизации. Многие такие физические маркеры, распределенные по всей длине хромосом, были собраны для различных организмов, в том числе более 10 6 для человека.Если распределение этих маркеров достаточно плотное, можно с помощью анализа сцепления, проверяющего тесную конаследственность одного или нескольких SNP с мутантным фенотипом, сузить потенциальное местоположение гена до хромосомной области, которая может содержать только несколько последовательности генов. Затем они считаются генами-кандидатами, и их структура и функция могут быть проверены непосредственно, чтобы определить, какой ген отвечает за исходный мутантный фенотип.

Анализ сцепления можно использовать таким же образом для идентификации генов, ответственных за наследственные заболевания человека.Такие исследования требуют, чтобы образцы ДНК были собраны у большого числа семей, затронутых этим заболеванием. Эти образцы проверяются на наличие физических маркеров, таких как SNP, которые, по-видимому, тесно связаны с геном болезни — эти последовательности всегда будут наследоваться больными людьми, а не их здоровыми родственниками. Затем ген болезни располагается, как описано выше (). Так, например, были открыты гены муковисцидоза и болезни Гентингтона.

Рисунок 8-59

Генетический анализ сцепления с использованием физических маркеров в ДНК для поиска человеческого гена. В этом примере изучается конаследственность определенного человеческого фенотипа (здесь генетического заболевания) с SNP-маркером. Если люди, которые наследуют болезнь, почти всегда (подробнее…)

Поиск гомологии может помочь предсказать функцию гена

После того, как ген идентифицирован, его функцию часто можно предсказать, идентифицируя гомологичные гены, функции которых уже известны.Как мы обсуждали ранее, можно осуществлять поиск в базах данных, содержащих нуклеотидные последовательности различных организмов, включая полные последовательности геномов многих десятков микробов, C. elegans , A. thaliana , D. melanogaster и человека. для последовательностей, сходных с последовательностями неохарактеризованного гена-мишени.

При анализе недавно секвенированного генома такой поиск служит попыткой первого прохода присвоить функции как можно большему количеству генов, процесс, называемый аннотацией .Затем проводятся дальнейшие генетические и биохимические исследования, чтобы подтвердить, кодирует ли ген продукт с предсказанной функцией, как мы вскоре обсудим. Гомологический анализ не всегда раскрывает информацию о функции: в случае генома дрожжей 30% ранее не охарактеризованных генов можно было определить предполагаемую функцию с помощью анализа гомологии; у 10% были гомологи, функция которых также была неизвестна; и еще 30% не имели гомологов ни в одной из существующих баз данных. (Остальные 30% генов были идентифицированы до секвенирования генома дрожжей.)

В некоторых случаях гомологический поиск обнаруживает ген в организме А, который продуцирует белок, который в другом организме слит со вторым белком, продуцируемым независимым геном в организме А. Например, у дрожжей , два отдельных гена кодируют два белка, которые участвуют в синтезе триптофана; однако в E. coli эти два гена сливаются в один (). Знание того, что эти два белка у дрожжей соответствуют двум доменам в одном бактериальном белке, означает, что они, вероятно, функционально связаны и, вероятно, работают вместе в белковом комплексе.В более общем плане этот подход используется для установления функциональных связей между генами, которые у большинства организмов широко разнесены в геноме.

Рисунок 8-60

Слияние доменов выявляет отношения между функционально связанными генами. В этом примере функциональное взаимодействие генов 1 и 2 в организме А определяется слиянием гомологичных доменов в один ген (ген 3) в организме В.

Репортерные гены показывают, когда и где экспрессируется ген

Подсказки функции гена часто можно получить, изучив, когда и где ген экспрессируется в клетке или во всем организме.Определение характера и времени экспрессии гена можно осуществить, заменив кодирующую часть исследуемого гена репортерным геном. В большинстве случаев экспрессию репортерного гена затем отслеживают, отслеживая флуоресценцию или ферментативную активность его белкового продукта (стр. 518–519).

Как подробно обсуждалось в главе 7, экспрессия генов контролируется регуляторными последовательностями ДНК, расположенными выше или ниже кодирующей области, которые обычно не транскрибируются.Эти регуляторные последовательности, которые контролируют, какие клетки будут экспрессировать ген и при каких условиях, также могут управлять экспрессией репортерного гена. Просто заменяют кодирующую последовательность целевого гена последовательностью репортерного гена и вводят эти рекомбинантные молекулы ДНК в клетки. Уровень, время и клеточная специфичность продукции репортерного белка отражают действие регуляторных последовательностей, принадлежащих исходному гену (12).

Рисунок 8-61

Использование репортерного белка для определения характера экспрессии гена.(A) В этом примере последовательность, кодирующая белок X, заменена последовательностью, кодирующей белок Y. (B) Различные фрагменты ДНК, содержащие регуляторные последовательности-кандидаты, (подробнее…)

Несколько других методов, обсуждавшихся ранее, могут также можно использовать для определения паттерна экспрессии гена. Методы гибридизации, такие как Нозерн-анализ (см. ) и гибридизация in situ для обнаружения РНК (см. ), могут выявить, когда гены транскрибируются и в какой ткани, а также сколько мРНК они продуцируют.

Микрочипы Мониторинг экспрессии тысяч генов одновременно

До сих пор мы обсуждали методы, которые можно использовать для одновременного мониторинга экспрессии только одного гена. Многие из этих методов довольно трудоемки: создание конструкций репортерных генов или слияний GFP требует манипулирования ДНК и трансфекции клеток полученными рекомбинантными молекулами. Даже северные анализы ограничены количеством образцов, которые можно запустить на агарозном геле. Разработанные в 1990-х годах ДНК-микрочипы произвели революцию в том, как сейчас анализируется экспрессия генов, позволяя одновременно отслеживать РНК-продукты тысяч генов.Изучая экспрессию столь многих генов одновременно, мы теперь можем начать идентифицировать и изучать паттерны экспрессии генов, лежащие в основе клеточной физиологии: мы можем видеть, какие гены включаются (или выключаются) по мере того, как клетки растут, делятся или реагируют на гормоны или гормоны. к токсинам.

ДНК-микрочипы представляют собой не более чем предметные стекла микроскопа, усеянные большим количеством фрагментов ДНК, каждый из которых содержит нуклеотидную последовательность, служащую зондом для определенного гена. Самые плотные массивы могут содержать десятки тысяч таких фрагментов на площади меньше почтовой марки, что позволяет параллельно проводить тысячи реакций гибридизации (1).Некоторые микрочипы генерируются из больших фрагментов ДНК, полученных с помощью ПЦР, а затем наносимых на предметные стекла роботом. Другие содержат короткие олигонуклеотиды, которые синтезируются на поверхности стеклянной пластины методами, аналогичными тем, которые используются для вытравливания схем на компьютерных чипах. В любом случае известна точная последовательность и положение каждого зонда на чипе. Таким образом, любой фрагмент нуклеотида, который гибридизуется с зондом на матрице, может быть идентифицирован как продукт определенного гена просто путем определения положения, с которым он связан.

Рисунок 8-62

Использование микрочипов ДНК для одновременного мониторинга экспрессии тысяч генов. Для подготовки микроматрицы фрагменты ДНК, каждый из которых соответствует определенному гену, наносятся роботом на предметное стекло. Подготовленные массивы также доступны в продаже. (подробнее…)

Чтобы использовать ДНК-микрочип для мониторинга экспрессии генов, мРНК из исследуемых клеток сначала выделяют и превращают в кДНК (см. ). Затем кДНК метят флуоресцентным зондом. Микроматрицу инкубируют с этим меченым образцом кДНК и дают возможность произойти гибридизации (см. ).Затем массив промывают для удаления кДНК, которая не является прочно связанной, и положения в микрочипе, с которыми связаны меченые фрагменты ДНК, идентифицируют с помощью автоматизированного сканирующего лазерного микроскопа. Затем позиции массива сопоставляются с конкретным геном, образец ДНК которого был обнаружен в этом месте.

Обычно флуоресцентную ДНК из экспериментальных образцов (помеченную, например, красным флуоресцентным красителем) смешивают с эталонным образцом фрагментов кДНК, помеченных флуоресцентным красителем другого цвета (например, зеленым).Таким образом, если количество РНК, экспрессируемой из определенного гена в представляющих интерес клетках, увеличивается по сравнению с эталонным образцом, результирующее пятно становится красным. И наоборот, если экспрессия гена снижена по сравнению с эталонным образцом, пятно становится зеленым. Используя такую ​​внутреннюю ссылку, профили экспрессии генов могут быть сведены в таблицу с большой точностью.

До сих пор ДНК-микрочипы использовались для изучения всего: от изменений в экспрессии генов, заставляющих клубнику созревать, до «признаков» экспрессии генов различных типов раковых клеток человека (см. Ресурсы).Массивы, содержащие зонды, представляющие все 6000 генов дрожжей, использовались для мониторинга изменений, происходящих в экспрессии генов по мере перехода дрожжей от ферментации глюкозы к росту на этаноле; как они реагируют на внезапный переход к теплу или холоду; и как они проходят через разные стадии клеточного цикла. Первое исследование показало, что по мере того, как дрожжи израсходовали последнюю глюкозу в своей среде, характер экспрессии их генов заметно меняется: почти 900 генов транскрибируются более активно, а активность других 1200 снижается.Около половины этих генов не имеют известной функции, хотя это исследование предполагает, что они каким-то образом участвуют в метаболическом перепрограммировании, которое происходит, когда дрожжевые клетки переключаются с ферментации на дыхание.

Всесторонние исследования экспрессии генов также обеспечивают дополнительный уровень информации, полезной для прогнозирования функции генов. Ранее мы обсуждали, как идентификация партнеров по взаимодействию с белком может дать ключ к пониманию функции этого белка. Аналогичный принцип справедлив и для генов: информацию о функции гена можно вывести, идентифицируя гены, которые разделяют его паттерн экспрессии.Используя технику, называемую кластерным анализом , можно идентифицировать наборы генов, которые координировано регулируются. Гены, которые одновременно включаются или выключаются при различных обстоятельствах, могут работать в клетке согласованно: они могут кодировать белки, являющиеся частью одной и той же мультипротеиновой машины, или белки, участвующие в сложной скоординированной деятельности, такой как ДНК. репликации или сплайсинга РНК. Характеристика функции неизвестного гена путем группирования его с известными генами, которые разделяют его транскрипционное поведение, иногда называют «виной по ассоциации».«Кластерный анализ использовался для анализа профилей экспрессии генов, лежащих в основе многих интересных биологических процессов, включая заживление ран у людей ().

Рисунок 8-63

Использование кластерного анализа для выявления наборов генов, которые координированно регулируются. Гены, принадлежащие к одному и тому же кластеру, могут быть вовлечены в общие клеточные пути или процессы. Для проведения кластерного анализа данные микрочипа получают из образцов клеток (подробнее…)

Целевые мутации могут раскрыть функцию гена

Хотя у быстро размножающихся организмов часто нетрудно получить мутанты, дефектные в определенном процессе, таких как репликация ДНК или развитие глаз, может потребоваться много времени, чтобы отследить дефект до определенного измененного белка.В последнее время технология рекомбинантной ДНК и бурное развитие секвенирования генома сделали возможным другой тип генетического подхода. Вместо того, чтобы начинать со случайно сгенерированного мутанта и использовать его для идентификации гена и его белка, можно начать с конкретного гена и приступить к его мутациям, создавая мутантные клетки или организмы, чтобы проанализировать функцию гена. Поскольку новый подход меняет традиционное направление генетических открытий — от генов и белков к мутантам, а не наоборот, — его обычно называют обратной генетикой.

Обратная генетика начинается с клонированного гена, белка с интересными свойствами, выделенного из клетки, или просто последовательности генома. Если отправной точкой является белок, то сначала идентифицируют кодирующий его ген и, при необходимости, определяют его нуклеотидную последовательность. Затем последовательность гена может быть изменена in vitro для создания мутантной версии. Этот сконструированный мутантный ген вместе с соответствующей регуляторной областью переносится в клетку. Внутри клетки он может интегрироваться в хромосому, становясь постоянной частью генома клетки.Все потомки модифицированной клетки теперь будут содержать мутантный ген.

Если исходной клеткой, используемой для переноса гена, является оплодотворенная яйцеклетка, могут быть получены целые многоклеточные организмы, содержащие мутантный ген, при условии, что мутация не вызывает летального исхода. У некоторых из этих животных измененный ген будет включен в зародышевые клетки — мутация зародышевой линии — что позволит передать мутантный ген их потомству.

Генетические преобразования такого рода в настоящее время регулярно проводятся с такими сложными организмами, как плодовые мушки и млекопитающие.Технически даже люди теперь могут быть преобразованы таким образом, хотя такие процедуры не предпринимаются даже в терапевтических целях из-за опасения непредсказуемых аберраций, которые могут возникнуть у таких людей.

Ранее в этой главе мы обсуждали другие подходы к обнаружению функции гена, включая поиск гомологичных генов в других организмах и определение времени и места экспрессии гена. Этот тип информации особенно полезен для предположения, какие фенотипы следует искать в мутантных организмах.Например, ген, который экспрессируется только во взрослой печени, может играть роль в деградации токсинов, но вряд ли влияет на развитие глаза. Все эти подходы можно использовать либо для изучения отдельных генов, либо для проведения крупномасштабного анализа функции каждого гена в организме — это развивающаяся область, известная как функциональная геномика .

Клетки и животные, содержащие мутированные гены, могут быть изготовлены на заказ

Мы видели, что поиск гомологичных генов и анализ паттернов экспрессии генов могут дать представление о функции генов, но они не раскрывают, что именно ген делает внутри клетки.Генетика предлагает мощное решение этой проблемы, потому что мутанты, у которых отсутствует конкретный ген, могут быстро выявить функцию белка, который он кодирует. Как мы увидим, методы генной инженерии позволяют специально производить такие нокауты генов. Однако можно также получить мутантов, которые экспрессируют ген на аномально высоких уровнях (сверхэкспрессия), в неправильной ткани или в неподходящее время (неправильная экспрессия) или в слегка измененной форме, проявляющей доминантный фенотип. Чтобы облегчить такие исследования функции гена, можно сконструировать кодирующую последовательность гена и его регуляторные области для изменения функциональных свойств белкового продукта, количества продуцируемого белка или конкретного типа клеток, в которых продуцируется белок.

Измененные гены вводятся в клетки различными способами, некоторые из которых подробно описаны в главе 9. ДНК можно вводить в клетки млекопитающих с помощью стеклянной микропипетки или вводить с помощью вируса, созданного для переноса чужеродных генов. В клетки растений гены часто вводятся с помощью техники, называемой бомбардировкой частицами: образцы ДНК наносятся на крошечные золотые шарики, а затем буквально выстреливаются сквозь клеточную стенку из специально модифицированного пистолета. Электропорация является методом выбора для введения ДНК в бактерии и некоторые другие клетки.В этом методе кратковременный электрический удар временно делает клеточную мембрану проницаемой, позволяя чужеродной ДНК проникнуть в цитоплазму.

Теперь мы рассмотрим, как изучение таких мутантных клеток и организмов позволяет анализировать биологические пути.

Нормальный ген в клетке может быть непосредственно заменен сконструированным мутантным геном в бактериях и некоторых низших эукариотах

В отличие от высших эукариот (которые являются многоклеточными и диплоидными), бактерии, дрожжи и клеточные слизевики Dictyostelium обычно существуют как гаплоидные одиночные клетки.В этих организмах искусственно введенная молекула ДНК, несущая мутантный ген, может с относительно высокой частотой заменить единственную копию нормального гена путем гомологичной рекомбинации (см. стр. 276), так что легко получить клетки, в которых мутантный ген заменил нормальный ген (). Таким образом, клетки могут быть созданы для производства измененной формы любого конкретного белка или молекулы РНК вместо нормальной формы молекулы. Если мутантный ген полностью неактивен, а продукт гена в норме выполняет важную функцию, клетка погибает; но в этом случае менее сильно мутировавшая версия гена может быть использована для замены нормального гена, так что мутантная клетка выживает, но является аномальной в процессе, для которого требуется ген.Часто предпочтительным мутантом является мутант, продуцирующий чувствительный к температуре генный продукт, который нормально функционирует при одной температуре, но инактивируется, когда клетки перемещаются в более высокую или более низкую температуру.

Рисунок 8-64

Замена гена, нокаут гена и добавление гена. Нормальный ген может быть изменен несколькими способами в генно-инженерном организме. (A) Нормальный ген (зеленый) может быть полностью заменен мутантной копией гена (красный) , процесс, называемый заменой гена.(подробнее…)

Возможность осуществлять прямую замену генов у низших эукариот в сочетании с возможностями стандартного генетического анализа этих гаплоидных организмов в значительной степени объясняет, почему исследования этих типов клеток так важны для разработки детали тех процессов, которые являются общими для всех эукариот. Как мы увидим, замены генов возможны, но более трудны для осуществления у высших эукариот по причинам, которые до конца не понятны.

Сконструированные гены можно использовать для создания специфических доминантных негативных мутаций в диплоидных организмах

Высшие эукариоты, такие как млекопитающие, дрозофилы или черви, являются диплоидными и поэтому имеют две копии каждой хромосомы.Более того, трансфекция измененным геном обычно приводит к добавлению гена, а не к замещению гена: измененный ген вставляется в случайное место в геноме, так что клетка (или организм) в конечном итоге получает мутировавший ген в дополнение к своему нормальному гену. копии.

Поскольку добавить ген гораздо легче, чем заменить ген в высших эукариотических клетках, полезно создавать специфические доминантно-негативные мутации, при которых мутантный ген устраняет активность своих нормальных аналогов в клетке.Один оригинальный подход использует специфичность реакций гибридизации между двумя комплементарными цепями нуклеиновых кислот. Обычно только одна из двух цепей ДНК в данной части двойной спирали транскрибируется в РНК, и это всегда одна и та же цепочка для данного гена (см. Ресурсы). Если клонированный ген сконструировать таким образом, чтобы вместо него транскрибировалась противоположная цепь ДНК, он будет продуцировать антисмысловые молекулы РНК, последовательность которых комплементарна нормальным транскриптам РНК. Такая антисмысловая РНК при синтезе в достаточно больших количествах часто может гибридизоваться со «смысловой» РНК, продуцируемой нормальными генами, и тем самым ингибировать синтез соответствующего белка ().Родственный метод включает химический или ферментативный синтез коротких молекул антисмысловой нуклеиновой кислоты, а затем их инъекцию (или иную доставку) в клетки, снова блокируя (хотя и только временно) производство соответствующего белка. Чтобы избежать деградации введенной нуклеиновой кислоты, вместо обычной РНК часто используют стабильный синтетический аналог РНК, называемый морфолино-РНК.

Рисунок 8-65

Стратегия антисмысловой РНК для создания доминантно-негативных мутаций.Мутантные гены, которые были сконструированы для производства антисмысловой РНК, комплементарной по последовательности РНК, вырабатываемой нормальным геном X, могут вызывать образование двухцепочечной РНК внутри (подробнее…)

По мере того, как исследователи продолжали изучать антисмысловые РНК, они сделали интересное открытие. Антисмысловая нить РНК может блокировать экспрессию гена, но препарат двухцепочечной РНК (дцРНК), содержащий как смысловую, так и антисмысловую цепи гена-мишени, ингибирует активность генов-мишеней еще более эффективно (см.Это явление, получившее название РНК-интерференция (РНКи), , в настоящее время используется для изучения функции генов у нескольких организмов.

Метод РНК-интерференции широко использовался для изучения функции генов у нематод C. elegans . При работе с червями введение дцРНК достаточно просто: РНК можно вводить непосредственно в кишечник животного, либо червя можно скармливать E. coli , экспрессирующим целевой ген дцРНК (). РНК распределяется по всему телу червя и, как обнаружено, ингибирует экспрессию гена-мишени в различных типах тканей.Кроме того, как объяснено в , интерференция часто наследуется потомством животного, которому была сделана инъекция. Поскольку весь геном C. elegans был секвенирован, РНКи используется для помощи в назначении функций всему набору генов червей. В одном исследовании исследователи смогли ингибировать 96% из примерно 2300 предсказанных генов на C. elegans хромосоме III. Таким образом, они идентифицировали 133 гена, участвующих в делении клеток у эмбрионов C. elegans ().Из них только 11 функция была ранее приписана прямым экспериментом.

Рисунок 8-66

Доминантные негативные мутации, созданные интерференцией РНК. (A) Двухцепочечная РНК (дцРНК) может быть введена в C. elegans (1) путем кормления червей E. coli , экспрессирующих дцРНК, или (2) путем инъекции дцРНК непосредственно в кишечник. (B) Эмбрион червя дикого типа. (подробнее…)

По неизвестным причинам РНК-интерференция не эффективно инактивирует все гены.И интерференция иногда может подавлять активность целевого гена в одной ткани, но не в другой. Альтернативный способ получения доминантно-негативной мутации использует тот факт, что большинство белков функционируют как часть более крупного белкового комплекса. Такие комплексы часто можно инактивировать включением всего одного нефункционального компонента. Таким образом, сконструировав ген, продуцирующий большое количество мутантного белка, который является неактивным, но все еще способным собираться в комплекс, часто можно получить клетку, в которой все комплексы инактивированы, несмотря на присутствие нормального белка. .

Рисунок 8-67

Доминантный негативный эффект белка. Здесь ген создается для производства мутантного белка, который не позволяет нормальным копиям того же белка выполнять свою функцию. В этом простом примере нормальный белок должен образовывать мультисубъединичный комплекс (подробнее…)

Если белок необходим для выживания клетки (или организма), доминантно-негативный мутант погибает, что делает невозможным тестирование функцию белка. Чтобы избежать этой проблемы, можно соединить мутантный ген с контрольными последовательностями, которые были сконструированы так, чтобы производить продукт гена только по команде, например, в ответ на повышение температуры или присутствие специфической сигнальной молекулы.Клетки или организмы, содержащие такой доминантный мутантный ген под контролем индуцируемого промотора , могут быть лишены определенного белка в определенное время, после чего можно проследить эффект. Индуцибельные промоторы также позволяют включать и выключать гены в определенных тканях, что позволяет исследовать эффект мутантного гена в выбранных частях организма. В будущем методы получения доминантно-негативных мутаций для инактивации определенных генов, вероятно, будут широко использоваться для определения функций белков в высших организмах.

Мутации с усилением функции дают представление о роли, которую гены играют в клетке или организме

Таким же образом можно сконструировать клетки для экспрессии доминантно-негативной версии белка, что приводит к фенотипу потери функции , они также могут быть сконструированы для проявления нового фенотипа посредством мутации с приобретением функции . Такие мутации могут придавать новую активность конкретному белку или вызывать экспрессию белка с нормальной активностью в неподходящее время или в неподходящей ткани животного.Независимо от механизма, мутации с приобретением функции могут привести к появлению нового фенотипа в клетке, ткани или организме.

Часто мутанты с приобретением функции генерируются путем экспрессии гена на гораздо более высоком уровне, чем обычно, в клетках. Такая сверхэкспрессия может быть достигнута путем присоединения гена к мощной промоторной последовательности и помещения его на многокопийную плазмиду или интеграции его в нескольких копиях в геном. В любом случае ген присутствует во многих копиях, и каждая копия направляет транскрипцию необычно большого количества молекул мРНК.Хотя эффект, который такая сверхэкспрессия оказывает на фенотип организма, следует интерпретировать с осторожностью, этот подход позволил получить бесценную информацию об активности многих генов. В альтернативном типе мутации с приобретением функции мутантный белок вырабатывается в нормальных количествах, но гораздо более активен, чем его нормальный аналог. Такие белки часто обнаруживаются в опухолях, и их использовали для изучения путей передачи сигналов в клетках (обсуждается в главе 15).

Гены также могут быть экспрессированы в организме в неподходящее время или в неподходящем месте — часто с поразительными результатами ().Такая неправильная экспрессия чаще всего достигается путем реинжиниринга самих генов, тем самым снабжая их регуляторными последовательностями, необходимыми для изменения их экспрессии.

Рисунок 8-68

Эктопическая неправильная экспрессия Wnt, сигнального белка, влияющего на развитие оси тела у раннего эмбриона Xenopus . В этом эксперименте мРНК, кодирующую Wnt, вводили в вентральный вегетативный бластомер, индуцируя вторую ось тела (обсуждается в (подробнее…)

Гены могут быть переработаны для производства белков любой желаемой последовательности

При изучении действия гена и белка, который он кодирует, не всегда хочется вносить радикальные изменения — заливать клетки огромным количеством гиперактивного белка или полностью устранять продукт гена.Иногда полезно внести небольшие изменения в структуру белка, чтобы можно было начать анализировать, какие части белка важны для его функции. Например, активность фермента можно изучить, заменив одну аминокислоту в его активном центре. Для изменения генов и их белковых продуктов такими тонкими способами требуются специальные методы. Первым шагом часто является химический синтез короткой молекулы ДНК, содержащей желаемую измененную часть нуклеотидной последовательности гена.Этот синтетический ДНК-олигонуклеотид гибридизуется с одноцепочечной плазмидной ДНК, содержащей изменяемую последовательность ДНК, с использованием условий, которые позволяют несовершенно согласованным цепям ДНК спариваться (). Синтетический олигонуклеотид теперь будет служить праймером для синтеза ДНК с помощью ДНК-полимеразы, тем самым создавая двойную спираль ДНК, которая включает измененную последовательность в одну из двух ее цепей. После трансфекции получают плазмиды, несущие полностью модифицированную последовательность гена. Затем соответствующую ДНК встраивают в вектор экспрессии, чтобы реконструированный белок можно было продуцировать в соответствующем типе клеток для детального изучения его функции.Изменяя таким образом выбранные аминокислоты в белке — метод, называемый сайт-направленным мутагенезом, — можно точно определить, какие части полипептидной цепи важны для таких процессов, как фолдинг белка, взаимодействие с другими белками и ферментативный катализ.

Рисунок 8-69

Использование синтетического олигонуклеотида для модификации области гена, кодирующей белок, путем сайт-направленного мутагенеза. (A) Рекомбинантная плазмида, содержащая вставку гена, разделена на две нити ДНК.Синтетический олигонуклеотидный праймер, соответствующий (подробнее…)

Сконструированные гены можно легко встроить в зародышевую линию многих животных

нормальный ген с измененным, чтобы можно было проанализировать функцию мутантного белка в отсутствие нормального белка. Как обсуждалось выше, это может быть легко достигнуто у некоторых гаплоидных одноклеточных организмов. В следующем разделе мы увидим, что были разработаны гораздо более сложные процедуры, позволяющие проводить замены генов такого типа у мышей.Однако чужеродная ДНК может быть довольно легко интегрирована в случайные положения геномов многих животных. У млекопитающих, например, линейные фрагменты ДНК, введенные в клетки, быстро лигируются встык под действием внутриклеточных ферментов с образованием длинных тандемных массивов, которые обычно интегрируются в хромосому в явно случайном месте. В этом отношении оплодотворенные яйца млекопитающих ведут себя как другие клетки млекопитающих. Яйцеклетка мыши, которой инъецировали 200 копий линейной молекулы ДНК, часто развивается в мышь, содержащую во многих своих клетках тандемный ряд копий инъецированного гена, интегрированных в одном случайном месте одной из ее хромосом.Если модифицированная хромосома присутствует в клетках зародышевой линии (яйцеклетки или сперматозоиды), мышь передаст эти чужеродные гены своему потомству.

Животные, подвергшиеся перманентной реинжинирингу путем вставки гена, делеции гена или замены гена, называются трансгенными организмами, а любые добавленные чужеродные или модифицированные гены называются трансгенами . Когда нормальный ген остается, в фенотипическом анализе будут проявляться только доминирующие эффекты изменения. Тем не менее, трансгенные животные со вставленными генами предоставили важную информацию о том, как регулируются гены млекопитающих и как определенные измененные гены (называемые онкогенами) вызывают рак.

Также возможно получение трансгенных плодовых мушек, у которых отдельные копии гена вставляются случайным образом в геном Drosophila . В этом случае фрагмент ДНК сначала вставляется между двумя концевыми последовательностями транспозона Drosophila , называемого Р-элементом. Концевые последовательности позволяют Р-элементу интегрироваться в хромосомы дрозофилы , когда также присутствует фермент транспозаза Р-элемента (см. стр. 288). Таким образом, для получения трансгенных плодовых мушек соответствующим образом модифицированный фрагмент ДНК вводят в очень молодой эмбрион плодовой мушки вместе с отдельной плазмидой, содержащей ген, кодирующий транспозазу.Когда это делается, инъецированный ген часто входит в зародышевую линию в единственной копии в результате события транспозиции.

Нацеливание на гены делает возможным получение трансгенных мышей, у которых отсутствуют определенные гены

Если молекула ДНК, несущая мутировавший ген мыши, переносится в клетку мыши, она обычно вставляется в хромосомы случайным образом, но примерно один раз из тысячи , он заменяет одну из двух копий нормального гена путем гомологичной рекомбинации. Используя эти редкие события «нацеливания на гены», любой конкретный ген может быть изменен или инактивирован в клетке мыши путем прямой замены гена.В особом случае, когда интересующий ген инактивирован, полученное животное называют «нокаутной» мышью.

Методика работает следующим образом: на первом этапе фрагмент ДНК, содержащий желаемый мутантный ген (или фрагмент ДНК, предназначенный для прерывания гена-мишени), встраивается в вектор, а затем вводится в особую линию эмбриональных мышей. стволовые клетки, называемые эмбриональными стволовыми клетками или клетками ЭС, которые растут в клеточной культуре и способны продуцировать клетки многих различных типов тканей.После периода клеточной пролиферации выделяют редкие колонии клеток, в которых событие гомологичной рекомбинации, вероятно, вызвало замену гена. Правильные колонии среди них идентифицируют с помощью ПЦР или Саузерн-блоттинга: они содержат рекомбинантные последовательности ДНК, в которых встроенный фрагмент полностью или частично заменил одну копию нормального гена. На втором этапе отдельные клетки из идентифицированной колонии помещают в тонкую микропипетку и вводят эмбриону ранней мыши.Трансфицированные стволовые клетки, полученные из эмбриона, взаимодействуют с клетками эмбриона-хозяина, чтобы получить нормально выглядящую мышь; большие части этого химерного животного, включая — в благоприятных случаях — клетки зародышевой линии, часто происходят из искусственно измененных стволовых клеток (4).

Рисунок 8-70

Краткое изложение процедур, используемых для замены генов у мышей. На первом этапе (А) измененную версию гена вводят в культивируемые ЭС (эмбриональные стволовые) клетки. Только в некоторых редких ЭС клетках будут заменены их соответствующие нормальные гены (больше…)

Мышей с трансгеном в зародышевой линии скрещивают для получения как самца, так и самки животного, каждая из которых гетерозиготна по замене гена (то есть у них есть одна нормальная и одна мутантная копия гена). При скрещивании этих двух мышей четверть их потомства будет гомозиготна по измененному гену. Исследования этих гомозигот позволяют исследовать функцию измененного гена или эффекты устранения активности гена в отсутствие соответствующего нормального гена.

Возможность получения трансгенных мышей, лишенных известного нормального гена, стала большим достижением, и в настоящее время этот метод используется для анализа функций большого количества генов млекопитающих (). Связанные методы можно использовать для получения условных мутантов, при которых выбранный ген разрушается в определенной ткани в определенный момент развития. Стратегия использует систему рекомбинации для конкретного сайта, чтобы вырезать и, таким образом, отключить ген-мишень в определенном месте или в определенное время.Наиболее распространенная из этих систем рекомбинации, называемая Cre/lox , широко используется для создания замен генов у мышей и растений (см.). В этом случае ген-мишень в ES-клетках заменяется полностью функциональной версией гена, фланкированной парой коротких последовательностей ДНК, называемых lox-сайтами, которые распознаются белком рекомбиназы Cre. Полученные трансгенные мыши фенотипически нормальны. Затем их скрещивают с трансгенными мышами, экспрессирующими ген рекомбиназы Cre под контролем индуцибельного промотора.В специфических клетках или тканях, в которых Cre включен, он катализирует рекомбинацию между последовательностями lox, вырезая ген-мишень и устраняя его активность. Подобные системы рекомбинации используются для создания условных мутантов у Drosophila (см.).

Рис. 8-71

Мышь со сконструированным дефектом фактора роста фибробластов 5 (FGF5). FGF5 является негативным регулятором образования волос. У мыши, лишенной FGF5 (справа) , шерсть длиннее по сравнению с ее гетерозиготным однопометником (слева) .Трансгенные мыши с фенотипами, которые (подробнее…)

Трансгенные растения важны как для клеточной биологии, так и для сельского хозяйства

Когда растение повреждено, оно часто может восстанавливаться в процессе, в котором зрелые дифференцированные клетки «дедифференцируются», пролиферируют, а затем редифференцируются в другие типы клеток. В некоторых случаях дедифференцированные клетки могут даже образовывать апикальную меристему, которая затем может дать начало целому новому растению, включая гаметы. Эта замечательная пластичность растительных клеток может быть использована для создания трансгенных растений из клеток, растущих в культуре.

Когда кусочек растительной ткани культивируется в стерильной среде, содержащей питательные вещества и соответствующие регуляторы роста, многие клетки стимулируются к неопределенно долгому беспорядочному размножению, образуя массу относительно недифференцированных клеток, называемую каллюсом. Если тщательно манипулировать питательными веществами и регуляторами роста, можно вызвать образование побега, а затем корневых апикальных меристем внутри каллюса, и у многих видов можно регенерировать целое новое растение.

Культуры каллуса также можно механически диссоциировать на отдельные клетки, которые будут расти и делиться как суспензионная культура. У некоторых растений, включая табак, петунию, морковь, картофель и Arabidopsis , из одной такой суспензионной культуры можно вырастить небольшой комок (клон), из которого можно регенерировать целое растение. Такая клетка, обладающая способностью давать начало всем частям организма, считается тотипотентной . Подобно тому, как мутантные мыши могут быть получены путем генетических манипуляций с эмбриональными стволовыми клетками в культуре, так и трансгенные растения могут быть созданы из одиночных тотипотентных растительных клеток, трансфицированных ДНК в культуре.

Рисунок 8-72

Процедура получения трансгенного растения. (A) Схема процесса. Из листа вырезают диск и инкубируют в культуре с Agrobacteria , которые несут рекомбинантную плазмиду как с селектируемым маркером, так и с желаемым трансгеном. Раненые клетки в (подробнее…)

Возможность получения трансгенных растений значительно ускорила прогресс во многих областях биологии клеток растений. Он сыграл важную роль, например, в выделении рецепторов регуляторов роста и в анализе механизмов морфогенеза и экспрессии генов у растений.Это также открыло много новых возможностей в сельском хозяйстве, которые могут принести пользу как фермеру, так и потребителю. Это позволило, например, изменить запасы липидов, крахмала и белка, зарезервированные в семенах, придать растениям устойчивость к вредителям и вирусам, а также создать модифицированные растения, устойчивые к экстремальным средам обитания, таким как солончаки или почва с недостатком воды. .

Многие важные достижения в понимании развития животных были достигнуты благодаря исследованиям плодовой мушки Drosophila и червя-нематоды Caenorhabditis elegans , которые поддаются обширному генетическому анализу, а также экспериментальным манипуляциям.По сравнению с этим прогресс в биологии развития растений в прошлом был относительно медленным. Многие растения, наиболее поддающиеся генетическому анализу, например кукуруза и помидоры, имеют длительный жизненный цикл и очень большие геномы, что делает как классический, так и молекулярно-генетический анализ трудоемким. Следовательно, все большее внимание уделяется быстрорастущему мелкому сорняку, кресс-салату обыкновенному (Arabidopsis thaliana), , который имеет несколько основных преимуществ в качестве «образцового растения» (см. и ).Относительно небольшой геном Arabidopsis был первым полностью секвенированным геномом растения.

Большие коллекции меченых нокаутов предоставляют инструмент для изучения функции каждого гена в организме

В настоящее время ведутся обширные совместные усилия по созданию полных библиотек мутаций в нескольких модельных организмах, включая S. cerevisiae, C. elegans , Drosophila , Arabidopsis и мышь. Конечной целью в каждом случае является создание коллекции мутантных штаммов, в которых каждый ген в организме либо систематически удален, либо изменен таким образом, что его можно условно разрушить.Коллекции такого типа обеспечат бесценный инструмент для исследования функции генов в геномном масштабе. В некоторых случаях каждый из отдельных мутантов в коллекции будет иметь отдельную молекулярную метку — уникальную последовательность ДНК, предназначенную для быстрой и рутинной идентификации измененного гена.

В S. cerevisiae задача создания набора из 6000 мутантов, в каждом из которых отсутствует только один ген, упрощается благодаря склонности дрожжей к гомологичной рекомбинации. Для каждого гена готовят «делеционную кассету».Кассета состоит из специальной молекулы ДНК, содержащей 50 нуклеотидов, идентичных по последовательности каждому концу гена-мишени, окружающих селектируемый маркер. Кроме того, в эту молекулу ДНК встроена специальная метка последовательности «штрих-код», чтобы облегчить последующую быструю идентификацию каждого полученного мутантного штамма (). Затем можно выращивать большую смесь таких мутантов с нокаутом гена в различных условиях селективного тестирования, таких как лишение питания, температурный сдвиг или присутствие различных лекарств, и выжившие клетки можно быстро идентифицировать по их уникальным меткам последовательности.Оценивая, насколько хорош каждый мутант в смеси, можно начать оценивать, какие гены необходимы, полезны или не важны для роста в различных условиях.

Рисунок 8-73

Создание коллекций мутантных организмов. (A) Делеционная кассета для использования в дрожжах содержит последовательности, гомологичные каждому концу гена-мишени x (красный), селективный маркер (синий), и уникальную последовательность «штрих-кода», примерно 20 нуклеотидов (больше. ..)

Сложность получения информации при изучении таких дрожжевых мутантов заключается в определении активности или биологической роли гена на основе мутантного фенотипа.Некоторые дефекты — например, неспособность жить без гистидина — прямо указывают на функцию гена дикого типа. Другие связи могут быть не столь очевидны. Что может свидетельствовать внезапная чувствительность к холоду о роли, которую тот или иной ген играет в дрожжевой клетке? Таких проблем еще больше в организмах, которые являются более сложными, чем дрожжи. Потеря функции одного гена у мыши, например, может повлиять на множество различных типов тканей на разных стадиях развития, в то время как потеря других генов не имеет очевидного эффекта.Адекватная характеристика мутантных фенотипов у мышей часто требует тщательного изучения, а также обширных знаний об анатомии, гистологии, патологии, физиологии и сложном поведении мышей.

Тем не менее, изучение библиотек мутантов принесет отличные результаты. Например, исследования обширной коллекции мутантов Mycoplasma genitalium — организма с наименьшим из известных геномов — выявили минимальный набор генов, необходимых для клеточной жизни.Анализ пула мутантов предполагает, что 265–350 из 480 кодирующих белок генов в M. genitalium необходимы для роста в лабораторных условиях. Приблизительно 100 из этих важных генов имеют неизвестную функцию, что говорит о том, что удивительное количество основных молекулярных механизмов, лежащих в основе клеточной жизни, еще предстоит открыть.

Резюме

Генетика и генная инженерия предоставляют мощные инструменты для изучения функций генов как в клетках, так и в организмах.В классическом генетическом подходе случайный мутагенез сочетается со скринингом для выявления мутантов, дефектных в конкретном биологическом процессе. Затем эти мутанты используются для обнаружения и изучения генов, ответственных за этот процесс.

Функцию гена также можно установить с помощью методов обратной генетики. Методы инженерии ДНК можно использовать для мутации любого гена и повторной вставки его в хромосомы клетки, чтобы он стал постоянной частью генома. Если клетка, используемая для этого переноса гена, представляет собой оплодотворенную яйцеклетку (для животного) или тотипотентную растительную клетку в культуре, могут быть получены трансгенные организмы, которые экспрессируют мутантный ген и передают его своему потомству.Особенно важной для клеточной биологии является способность изменять клетки и организмы весьма специфическими способами, что позволяет определить влияние на клетку или организм запланированного изменения в отдельном белке или молекуле РНК.

Многие из этих методов расширяются для изучения функции генов в масштабе всего генома. Такие технологии, как ДНК-микрочипы, можно использовать для одновременного мониторинга экспрессии тысяч генов, обеспечивая подробные и всесторонние снимки динамических паттернов экспрессии генов, которые лежат в основе сложных клеточных процессов.И создание мутантных библиотек, в которых каждый ген в организме был систематически удален или нарушен, предоставит бесценный инструмент для изучения роли каждого гена в сложной молекулярной кооперации, которая дает начало жизни.

ДНК, гены, хромосомы | Genetic Alliance UK

Люди, как и любой другой организм, состоят из клеток. Мы все начинаем как одна клетка во время оплодотворения. Когда отдельная клетка делится, все гены копируются, так что каждая новая клетка обладает полным набором генетического материала: геномом.Механизм копирования генома весьма примечателен, учитывая, что в человеческом теле примерно 10 триллионов клеток. Геном состоит из химического вещества, называемого ДНК или дезоксирибонуклеиновой кислотой, и организован в виде хромосом, содержащих гены.

Что такое ДНК?

ДНК — это длинная молекула, содержащая наш уникальный генетический код. Подобно книге рецептов, она содержит инструкции по производству всех белков в нашем организме. ДНК состоит из двух нитей, которые обвивают друг друга, образуя форму двойной спирали, наподобие винтовой лестницы.Каждая нить ДНК состоит из четырех основных строительных блоков или «оснований»: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т). Порядок или последовательность этих оснований определяет наш уникальный генетический код и содержит инструкции по производству молекул в нашем организме. Один ген может состоять из многих тысяч оснований. Молекулярный механизм клетки считывает код ДНК по три буквы за раз. Каждая трехбуквенная последовательность кодирует определенную аминокислоту: строительные блоки белков. Эти белки выполняют большую часть работы в клетках и необходимы для структуры, функционирования и регуляции тканей и органов организма.Примеры белков включают кератин в волосах, пигменты, придающие цвет глазам, и ферменты, переваривающие пищу в желудке.

Что такое ген?

Гены — это участки ДНК, которые содержат набор инструкций для производства одной конкретной молекулы в вашем теле, обычно белка. Эти белки контролируют рост и работу нашего тела; они также отвечают за многие наши характеристики, такие как цвет глаз, группа крови или рост.

Геном человека содержит около 20 687 генов, кодирующих белок.Различные гены или инструкции считываются в разное время в разных клетках в ответ на требования нашего тела. Каждая клетка содержит два набора генов, один от матери и один от отца. Для простоты хранения и доступа гены упакованы в 46 пакетов, называемых хромосомами.

Что такое хромосома?

Хромосомы представляют собой пучки плотно свернутой ДНК, расположенные в ядре почти каждой клетки нашего тела. У человека 46 хромосом в соматических (не репродуктивных) клетках.Мы наследуем один набор из 23 хромосом от матери и один набор из 23 хромосом от отца. Итак, у нас есть два набора по 23 хромосомы или 23 пары.

Что такое мутация?

В течение жизни наша ДНК может подвергаться изменениям или мутациям, которые приводят к различиям в последовательности ДНК и могут влиять на производимые белки. Мутации могут возникать как естественное следствие ошибок в репликации ДНК или в результате воздействия факторов окружающей среды, таких как курение, солнечный свет или радиация.Мутации также могут передаваться по наследству, если они присутствуют в зародышевых клетках, сперме или яйцеклетке.

Часто клетки нашего тела могут распознавать мутации и исправлять их. Мутации, которые не удается исправить, могут нарушить нормальную активность генов и вызвать генетическое заболевание, поскольку ген не передает телу правильные инструкции.

Мутации также могут иметь положительный эффект, поскольку они способствуют генетической изменчивости внутри вида. Например, серповидноклеточная анемия вызывается мутацией в гене, который содержит инструкции для производства белка, называемого гемоглобином, важного для транспорта кислорода в нашем организме.Эта мутация приводит к тому, что эритроциты становятся ненормальными, жесткими и приобретают серповидную форму. Хотя у людей с этой мутацией возникают проблемы, когда эти серповидные эритроциты блокируют поток крови, вызывая боль в суставах и другие симптомы, они также защищены от заражения малярией.

Дополнительную информацию также можно найти здесь.

Полезна ли эта информация? Вам нужна дополнительная информация или доступ к источникам? Есть что-нибудь непонятное? Свяжитесь с нами

Эта информация подготовлена ​​в соответствии с нашей политикой информационных стандартов и будет пересмотрена в мае 2019 года.

Молекулярная генетика (Стэнфордская философская энциклопедия)

Термин молекулярная генетика теперь излишен, потому что современная генетика полностью молекулярна.Генетика не выдумана двух наук, одной молекулярной и одной немолекулярной. Тем не менее, практикующие биологи до сих пор используют этот термин. Когда они это делают, они как правило, относится к набору лабораторных методов, направленных на идентификация и / или манипулирование сегментами ДНК, участвующими в синтезе важных биологических молекул. Ученые часто говорят и пишут о применении этих методов в широком диапазоне биомедицинские науки. Для них молекулярная генетика следственный подход , включающий применение лабораторные методы и исследовательские стратегии.Этот подход предполагает базовые знания об экспрессии и регуляции генов в молекулярном уровне.

Однако философский интерес к молекулярной генетике был сосредоточен не на исследовательские подходы или лабораторные методы, но на теории. Рано философское исследование касалось основной теории о состав, экспрессия и регуляция генов. Больше всего внимания сосредоточился на проблеме теоретического редукционизма. Мотивация Вопрос касался ли классической генетики, науки Т.ЧАС. Морган и его сотрудники сводились к молекулярной генетике. С появлением генетики развития и биологии развития впоследствии философское внимание переключилось на критику фундаментальная теория, связанная с современной генетикой. фундаментальная теория касается не только макияжа, экспрессии и регуляции генов, но и общую роль генов внутри организма. Согласно фундаментальной теории, гены и ДНК управляет всеми жизненными процессами, предоставляя информацию, которая определяет развитие и функционирование организмов.

Эта статья начинается с краткого обзора основной теории связаны с молекулярной генетикой. Поскольку эта теория включает идеи моргановской школы классической генетики полезно зарисовать его развитие от Моргана генетика. Изучив основную теорию, я исследую четыре вопроса. ведет философские исследования молекулярной генетики. Первое вопрос спрашивает, была ли классическая генетика сведена или будет сведена к молекулярная генетика. Второй вопрос касается концепции гена и изжило ли оно свою полезность.Третий вопрос касается состоятельность фундаментальной теории. Четвертый вопрос, который еще не привлек большого философского внимания, спрашивает, почему так много биологических исследований сосредоточено на генах и ДНК.

2.1 Основы теории классической генетики

Основная теория, связанная с классической генетикой, объяснение передачи признаков от родителей к потомству. Морган и его сотрудники провели концептуальное разделение между генетический состав организма, называемый его генотипом , и его наблюдаемое проявление назвало его фенотип (см. вход на различие генотип/фенотип).Связь между ними трактовалась как причинная: генотип в соединение с окружающей средой производит фенотип. Теория объяснила передача фенотипических различий от родителей потомству после передачи генных различий от поколения к поколения и приписывание наличия альтернативных признаков наличие альтернативных форм генов.

Я проиллюстрирую классический способ объяснительного рассуждения простой исторический пример с плодовой мухой Drosophila меланогастор .Следует подчеркнуть, что способ рассуждения проиллюстрированный этим историческим примером, до сих пор остается важным способом рассуждение в современной генетике, в том числе то, что иногда называют молекулярная генетика.

Гены дрозофилы расположены парами, расположенными в соответствующих позиции на четырех парах хромосом, содержащихся в каждой клетке мухи. Мутант цвета глаз, известный как фиолетовый, связан с геном, расположенным на второй хромосоме. Две копии этого гена, существующие либо в мутированной, либо в нормальной форме дикого типа, расположены в одно и то же место (соответствующее положение) в двух вторые хромосомы.Альтернативные формы гена, встречающиеся в локуса называются аллели . Передача генов от от родителей к потомству осуществляется в специальном процессе клеточного деление, называемое мейоз , которое производит клетки гамет содержащие по одной хромосоме из каждого парного набора. Половина набора хромосомы из яйцеклетки и половина набора из сперматозоида соединяются во время оплодотворение, которое дает каждому потомству копию одного гена от каждого пара генов своего женского родителя и копия одного гена от каждого гена пара своего родителя-мужчины.

Объяснения передачи признаков связаны с наличием альтернативные гены (генотип) наличию альтернативных наблюдаемых признаки (фенотип). Иногда это делается с точки зрения доминантные/рецессивные отношения. Фиолетовый цвет глаз, например, рецессивный признак дикого типа (красный цвет глаз). Это означает летает с двумя копиями пурпурного аллеля (мутантная форма ген, который обозначен pr ) имеют фиолетовые глаза, но гетерозиготы , мухи с одной копией пурпурного аллеля и одна копия аллеля дикого типа (обозначенная +), имеют нормальный дикий тип глаза (как и мухи с двумя копиями аллеля дикого типа).См. таблицу 1.

Чтобы увидеть, как классическая теория объясняет передачу признаков, рассмотрим скрещивание красноглазых самок с пурпурноглазыми самцами, которое было осуществленный сотрудниками Моргана. Потомство у всех были красные глаза. Так что черта красных глаз передалась от самок. всему их потомству, даже если потомство у родителей мужского пола были фиолетовые глаза. Классическое объяснение этого схема наследования продолжается, как и все классические объяснения наследования в два этапа.

Первая стадия связана с передачей генов и протекает как следует (рис. 1): каждый потомок получил одну копию хромосомы II от каждого родителя. Хромосомы материнского происхождения должны иметь содержал аллель дикого типа (поскольку обе вторые хромосомы каждого женский родитель, использованный в эксперименте, содержал аллель дикого типа — это было известно на основе предыдущих экспериментов). по-отечески производные хромосомы должны были содержать пурпурный аллель (поскольку обе Вторые хромосомы каждого родителя-мужчины содержали пурпурный аллель. это было выведено из знания о том, что фиолетовый рецессивный по отношению к красному. цвет глаз).Следовательно, все потомство было гетерозиготным ( pr / + ). Объяснив генетический состав потомства проследив передачу генов от родителей потомству, мы можем перейти ко второму этапу объяснения: сделать вывод о фенотипических проявлениях. Так как все потомство было гетерозиготным ( pr / + ), а так как фиолетовый является рецессивным к дикому типу, все потомство имело красный цвет глаз (признак дикого типа). См. рисунок 1.

Обратите внимание, что рассуждения здесь не зависят от идентификации материальный состав, способ действия или общая функция лежащего в основе ген.Это зависит только от представлений о том, что копии гена передается от поколения к поколению и что разница в ген (т. е. разница между pr и + ), каким бы ни было это различие, оно вызывает фенотипическое различие. Идея что ген является создателем различий, необходимо уточнить: различия в гене вызывают фенотипические различия, в частности генетический и экологический контексты. Эта идея настолько важна и так часто упускают из виду, что он заслуживает артикуляции в качестве принципа (Уотерс 1994):

Принцип различия : различия в классической генетической причине однородные фенотипические различия в конкретных генетических и экологических контексты.

Также стоит отметить, что принцип различия обеспечивает означает объяснение передачи фенотипических признаков от от поколения к поколению, не объясняя, как эти характеристики образуются в процессе жизнедеятельности организма разработка. Это эффективно позволило классическим генетикам разработать наука о наследственности, не отвечая на вопросы о разработка.

Практика классической генетики включала теоретический анализ сложные схемы передачи, включающие рекомбинацию фенотипические признаки.Анализ этих закономерностей дал информацию о основные биологические процессы, такие как хромосомная механика, а также информацию о линейном расположении генов в группах сцепления. Эти теоретические объяснения не зависели от представлений о том, какие гены как реплицируются гены, что делают гены или как различаются гены обусловливают различия в фенотипических признаках.

2.2 Ответы на молекулярном уровне на вопросы, оставленные классической генетикой

Исследования в области молекулярной биологии и генетики дали ответы на основные вопросы, на которые не ответила классическая генетика. состав генов, механизм репликации генов, что делают гены и как генные различия приводят к фенотипическим различиям.Эти ответы формулируются в терминах феноменов молекулярного уровня, и они обеспечивают большую часть основной теории, связанной с молекулярными генетика.

Что такое ген? Этот вопрос рассматривается более подробно в разделе 4 этой статьи, но краткий ответ достаточно для настоящих целей: гены представляют собой линейные последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Каждая молекула ДНК состоит из двойного цепь нуклеотидов. В ДНК есть четыре вида нуклеотидов: гуанин, цитозин, тимин и аденин.Пара нуклеотидных цепочек в молекуле ДНК закручиваются друг вокруг друга в виде двойного спираль. Две цепи в спирали связаны водородными связями между нуклеотиды из соседних цепей. Водородная связь специфична, поэтому что гуанин в одной цепи всегда расположен рядом с цитозином в соседней цепи (и наоборот) и тимин в одной цепи всегда рядом с аденином (и наоборот). Следовательно, линейная последовательность нуклеотидов в одной цепи нуклеотидов в молекуле ДНК комплементарна линейной последовательности нуклеотидов в другой цепи молекулы ДНК.Ген – это участок нуклеотидов в одном из цепи молекулы ДНК. Конечно, не каждая строка нуклеотиды в ДНК — это ген; сегменты ДНК идентифицируются как гены в зависимости от того, что они делают (см. ниже).

Как реплицируются гены? Идея о том, что гены сегментов двойной спирали ДНК дает прямой ответ на этот вопрос. Гены точно реплицируются, когда парные цепи молекулы ДНК раскручиваются, и вдоль нее образуются новые цепи. разделение цепей путем спаривания комплементарных нуклеотидов.Когда процесс завершен, две копии исходной двойной спирали имеют были сформированы, и, следовательно, гены в исходной молекуле ДНК были эффективно тиражируется.

Что делают гены? Грубо говоря, гены служат матрицы в синтезе молекул РНК. Результат состоит в том, что линейная последовательность нуклеотидов во вновь синтезированной молекуле РНК соответствует линейной последовательности нуклеотидов в сегменте ДНК используется в качестве шаблона. Разные молекулы РНК выполняют разные функциональные роли в клетке, а многие молекулы РНК играют роль матрицы в синтез полипептидных молекул.Недавно синтезированные полипептиды представляют собой линейные последовательности аминокислот, из которых состоят белки и Белки выполняют в клетке самые разнообразные функциональные роли. организма (и среды). Способность полипептида функционировать в конкретными способами зависит от линейной последовательности аминокислот, из которых он сформирован. И этой линейной последовательности соответствует линейная последовательность триплетов нуклеотидов в РНК (кодонов), что в свою очередь соответствует к линейной последовательности нуклеотидов в сегментах ДНК, и это последний сегмент является геном этого полипептида.

Как различия в генах вызывают различия в фенотипические признаки? Скромный ответ, данный выше на вопрос «Что делают гены?» дает основу для объяснения того, как различия в генах могут привести к о различиях фенотипических признаков. Разница в нуклеотиде последовательность гена приведет к разнице в нуклеотиде последовательности молекул РНК, что, в свою очередь, может привести к различию последовательность аминокислот полипептида. Различия в линейном последовательности аминокислот в полипептидах (и в линейных последовательностях нуклеотидов в функциональных молекулах РНК) могут влиять на роль, которую они играют в клетке и организме, иногда оказывая эффект, наблюдается как фенотипическое различие.Мутации (различия в гены), идентифицированные группой Моргана (например, пурпурная мутация), имеют обычно идентифицируют как различия в нуклеотидных последовательностях в ДНК.

2.3 Различие между основными и фундаментальными теориями молекулярной генетики

Скромный ответ на вопрос «Что делают гены?» что они «кодируют» или «определяют» линейную последовательности в молекулах РНК и полипептидах, синтезируемых в клетка. (Даже этот скромный ответ нуждается в уточнении, поскольку РНК молекулы часто сплайсируются и редактируются таким образом, что это влияет на линейную последовательность аминокислот в конечном полипептидном продукте.) Но биологи также предложили гораздо менее скромный ответ. Чем смелее ответ является частью широкой, фундаментальной теории. Согласно этому теории, гены являются «фундаментальными» сущностями, которые «управлять» развитием и функционированием организмов путем «продуцирующие» белки, которые, в свою очередь, регулируют все важные клеточные процессы. Часто утверждают, что гены обеспечивают «информация», «схема» или «программа» для организма. Полезно различать этот широкий, фундаментальный теория о якобы фундаментальную роль генов от скромных, основных теория о том, что гены делают в отношении синтеза РНК и полипептиды.

Философы науки были заинтригованы идеалами редукционизм и великий замысел, которым когда-нибудь станет вся наука. «сведена» к универсальной науке о фундаментальная физика (см. запись на межтеоретическими отношениями в физике) для философских и научных концепций редукционизма в контексте физической науки). Философы-редукционисты считают, что научное знание прогрессирует, когда науки более высокого уровня (например, химия) сводятся к наукам более низкого уровня (т.е.г., физика). Так называемый получил представление научных знания , кодифицированные Нагелем (1961) и Хемпелем (1966), продвинутые редукционизм как центральный идеал науки и уверенно утверждал что большой прогресс был достигнут в сведении химии к физика. Нагель построил формальную модель редукции и применил ее чтобы осветить, как наука термодинамика, которая была сформулирована в термины понятий более высокого уровня, таких как давление и температура, были якобы сводится к статистической механике, сформулированной в терминах концепции более низкого уровня ньютоновской динамики, такие как сила и среднее кинетическая энергия.В 1969 году Шаффнер утверждал, что такой же прогресс в настоящее время происходит в генетике, и что наука о классическая генетика сводилась к формирующейся науке о «молекулярная генетика». Однако заявление Шаффнера было быстро бросил вызов Халлу. Другие философы биологии разработали Антиредукционистские аргументы Халла и почти консенсус привели к тому, что классическая генетика не сводилась и не будет сводиться к молекулярной генетика. Хотя философское обоснование антиредукционизма подвергается сомнению, многие философы до сих пор полагают, что антиредукционистский взгляд на генетику служит образцом для антиредукционистский анализ других наук.

3.1 Тезис Шаффнера о том, что классическая генетика теоретически редуцируется

Редукционизм имеет много значений. Например, фраза генетический редукционизм касается идеи о том, что все биологические явления обусловлена ​​генами и, следовательно, предполагает онтологический смысл редукционизм, согласно которому один вид микросущности (в данном случае ген) вызывает исключительно разнообразные явления более высокого уровня (в этом случай, биологические особенности, явления культуры и пр.).Но это не то значение редукционизма, о котором идет речь в философской литературы о редукции классической генетики. Эта литература больше занимается эпистемологией, чем метафизикой. Концепция чего-либо редукционизм — это концепция Нагеля о теоретическое сокращение . (См. Sarkar 1992 и Schaffner 1993 для обсуждения альтернативных концепций редукции.) Согласно Нагеля, сведение одной науки к другая наука влечет за собой сведение центральной теории одной науки к центральной теории другой.Нагель считал что такого рода теоретическая редукция привела к прогрессивным изменениям в научные знания. Он сформулировал два формальных требования к теоретические сокращения.

Первым формальным требованием Нагеля было то, что «законы» редуцированная теория должна быть выводима из законов и связанных согласование определений редуцирующей теории. Эта выводимость требование было направлено на то, чтобы зафиксировать идею о том, что объяснительная принципы (или законы) редукционной теории должны объяснять объяснительные принципы (или законы) редуцированной теории.Нагеля второе формальное требование, требование связности, заключалось в том, что все существенные члены редуцированной теории должны либо содержаться в пределах или должным образом связаны с условиями сокращения теории посредством дополнительных предположений. Возможность подключения требование предполагается требованием выводимости, но если сделать это явным, это поможет подчеркнуть важную задачу и потенциал камень преткновения для проведения теоретической редукции.

Шаффнер (1969) модифицировал модель Нагеля, включая идею о том, что редукционная теория на самом деле выводит (и, следовательно, объясняет) является исправленной версией редуцированной теории, а не оригинальная теория.Он утверждал, что эта пересмотренная модель лучше уловил редукции в физических науках. Он утверждал, что его пересмотренная модель также может быть использована, чтобы показать, как скорректированная версия классическая генетика сводилась к новой теории физико-химических наука называется молекулярная генетика. Халл (1974) выступил против этого классического генетика не редуцировалась, по крайней мере, не по модели редукция, применяемая Шаффнером. Халл утверждал, что генетика не примером редукции Нагеля, потому что фундаментальные термины классического генетика не может быть надлежащим образом связана с выражениями, сформулированными в термины ДНК.

3.2 Антиредукционистский консенсус в отношении генетики

Большинство философов, пишущих о генетике и редукционизме, утверждали, что молекулярная генетика не редуцировала и не будет редуцировать классическую генетику (например, см. Wimsatt 1976a, Darden and Maull 1977, Kitcher 1984, Розенберг 1985 и 1994, Дюпре 1993 и Буриан 1996). Два возражения против редукционистского тезиса Шаффнера были наиболее убедительный: возражение о невозможности подключения и кровавые подробности возражение. Возражение о невозможности подключения утверждает, что терминология классической генетики не может быть переопределена на молекулярном уровне с точки зрения ДНК.Это возражение эффективно утверждает, что Второе формальное требование Нагеля, возможность соединения требование, не может быть удовлетворено. кровавые подробности возражение утверждает, что молекулярная генетика не может и не будет объяснить классическую генетику или лучше объяснить явления, которые уже объясняются классической теорией. Это возражение касается первое формальное требование Нагеля, выводимость требование. Но возражение против кровавых подробностей звучит философски. глубже, поскольку подразумевает, что даже если объясняющие принципы классическая генетика может быть выведена из объяснительных принципов молекулярная генетика, выводы не были бы объяснительными.

Самая строгая формулировка возражения против невозможности соединения может быть можно найти в ранних работах Розенберга, который когда-то утверждал, что существует представляет собой непреодолимый концептуальный разрыв между классическим и молекулярным теории генетики (1985, 1994). В поддержку этого утверждения, Розенберг утверждал, что отношения между генной концепцией классического генетика и концепции молекулярной генетики безнадежно сложные отношения «многие-многие», которые навсегда расстроить любую попытку систематически соединить две теории.Розенберг начал свой анализ с указания на то, что в классическом Генетика идентифицирует гены по их фенотипическим эффектам. Классические генетики идентифицировали ген пурпурного цвета глаз, Например, путем проведения тщательно спланированных экспериментов по разведению и следя за распределением фенотипов цвета глаз в последовательных поколений лабораторного населения. Причина классической генетики никогда не будет сведена к науке молекулярного уровня, согласно Розенберга (1985), заключается в том, что нет управляемой связи между понятие менделевского фенотипа и молекулярного гена:

Путь к выработке пигмента красных глаз начинается во многих различных молекулярных генов и протекает через несколько альтернативных разветвленных пути.… Путь от [молекулярных] генов также содержит избыточные, неоднозначные и взаимозависимые пути. Если мы дадим биохимическая характеристика гена красного цвета глаз либо по обращение к частям своего пути синтеза, или обращение к сегментов ДНК, с которых он начинается, наше молекулярное описание этого ген будет слишком сложным, чтобы иметь какое-либо практическое объяснение. результат. (Розенберг 1985, стр. 101)

Розенберг пришел к выводу, что, поскольку связь между молекулярными генами и менделевские фенотипы чрезвычайно сложны, связь между любой молекулярной концепцией и концепцией менделевского гена также должно быть быть чрезвычайно сложным, тем самым блокируя любую систематическую, редуктивную объяснение классической генетики с точки зрения молекулярного уровня теория.

Возражение против кровавых подробностей восходит к трудам Патнэм (1965) и Фодор (1968), выступавшие против редукционизма психические на том основании, что психологические функции многократно реализованный. Это возражение против редукционизма было далее разработан в контексте генетики, наиболее тщательно Китчер (например, см. Kitcher 1984, 1999, 2001). Вслед за Халлом Китчер предполагает что классическая генетика — это трансмиссионная генетика. Классический Теория, по мнению Китчера, объясняет передачу фенотипических черты, а не развитие фенотипических признаков у отдельных организмы.И явления передачи, по мнению Китчера, лучше всего объясняется на уровне цитологии: «Распределение генов гаметам следует объяснять, а не повторять кровавые подробности перетасовке молекул, а через наблюдение, что хромосомы выстраиваются парами непосредственно перед мейотическим делением, и что одна хромосома из каждой подобранной пары передается каждому гамета». (Китчер 1984, стр. 370). Китчер предполагает, что спаривание и разделение хромосом относятся к естественному виду пары процессы разделения, которые являются гетерогенными от молекулярного точки зрения, потому что различные виды сил ответственны за сближение и разъединение различных парных сущностей. разделение парных сущностей, утверждает он, «может произойти из-за действие электромагнитных сил или даже ядерных сил; но это легко придумать примеры, в которых разделение осуществляется действие силы тяжести». (Китчер 1984, стр. 350)

Образ генетики, возникающий у антиредукционистов литература представляет собой двухуровневую науку, состоящую из двух дискретных теоретические рассуждения, основанные на принципах о сущностях в цитологическом уровне (например, хромосомы), а другой основан на принципов о сущностях на молекулярном уровне (таких как нуклеотиды последовательности в ДНК).Антиредукционисты верят в некоторые явления, включая передачу генов, лучше всего объясняются теорией обоснованные на цитологическом уровне и другие явления, в том числе экспрессии генов, лучше всего объясняются теорией, основанной на молекулярном уровне. Хотя Китчер утверждает, что классическая генетика дает лучшее объяснение в объективном смысле, некоторые антиредукционисты (например, Розенберг 1985, 1994) считают, что препятствия к уменьшению чисто практические . Розенберг (1985, г. 1994) обратился к концепции супервентности, чтобы доказать, что в принцип , молекулярная генетика обеспечит наилучшее объяснения.Но он утверждал, что на практике , классический генетика дает «лучшее» объяснение передачи явлений в том смысле, что это лучшее объяснение, доступное существа с нашими когнитивными ограничениями. Впоследствии, однако, Розенберг изменил свою позицию по этому вопросу, в основном на том основании, что что технологические достижения в области хранения и обработки информации «может существенно повысить нашу способность понимать макромолекулярные процессы и их комбинации» (Розенберг 2006, с.14).

Несмотря на философски значимые различия во взглядах на окончательное основание несводимости классической генетики, образ биологического знания, возникающий из сочинения антиредукционистов аналогичны. Биологический мир состоит из разных областей явлений, и каждая область лучше всего объясняются на определенном уровне теоретического дискурса. Следовательно идеальная структура для биологии сродни слоеному пирогу с ярусами теорий, каждая из которых дает наилучшее объяснение своей область явлений.Биологические науки, такие как классическая генетика которые сформулированы с точки зрения более высоких уровней организации, должны сохраняться, защищенные от редуктивной хватки молекулярной науки, потому что их центральные теории (или модели рассуждений) объясняют области явления, которые лучше всего объясняются на уровнях выше молекулярного уровень.

3.3 Вызовы антиредукционистскому консенсусу

Антиредукционистский консенсус не остался без ответа (см. 1989, 1992 и 1998, Шаффнер, 1993, и Уотерс, 1990 и 2000).По мнению критиков, главные возражения в поддержку консенсуса ошибаются. Возражение относительно несвязности основано на предположении что классическая генетика взяла отношения между генами и фенотипические признаки представляют собой простые отношения один к одному. Но классический генетикам виднее. Подумайте о том, что Стертевант, один из моргановских звездные студенты и сотрудники, должны были сказать о генах и глазах цвет:

Отличие нормальных красных глаз от бесцветных (белых) в Дрозофила обусловлена ​​различием в одном гене.Еще красный очень сложный цвет, требующий взаимодействия как минимум пяти (и, вероятно, очень многих других) разных генов для его производство. И эти гены достаточно независимы, каждая хромосома несущие некоторые из них. Более того, цвет глаз косвенно зависит от большое количество других генов, таких как те, от которых зависит жизнь летать зависит. Тогда мы никоим образом не можем отождествить данный ген с красный цвет глаз, хотя там один ген отличая его от бесцветного глаза .Так это для всех символов… (курсив мой, цитата из Carlson 1988, стр. 69)

Эта цитата предполагает, что связь между геном и цвет глаз в классической генетике проявлял ту же сложность, что и Розенберг обсуждал на молекулярном уровне (сравните эту цитату с отрывок из Rosenberg 1985, процитированный в разделе 3.2). В соответствии с эта критика возражения о несвязываемости, это не так что отношения генотип-фенотип кажутся простыми и однородными в уровне классической генетики и сложной и разобщенной на молекулярном уровне.Ситуация выглядит одинаково сложной на обоих уровнях анализа (Уотерс, 1990).

Тем не менее классическая генетика находит простой способ объяснить явления передачи, обращаясь к принципу различия, по которым конкретно отличий в конкретных генах вызывают особые различия фенотипических признаков у конкретных контекстах (см. раздел 2.1). Стертевант намекает на это. принцип в первом предложении цитаты выше и снова в подчеркнутая оговорка.Поэтому возникает вопрос, могут ли эти отношения уловить на молекулярном уровне? И да. различия, используемые классическими генетиками для объяснения наследственности паттерны обычно идентифицируются на молекулярном уровне с помощью современные генетики.

Согласно этой критике, возражение против кровавых подробностей также не проходит. Это возражение утверждает, что биологи не могут улучшить классические объяснения явлений передачи, цитируя молекулярные детали. Считается, что цитологический уровень обеспечивает наилучшие уровень объяснения, потому что объяснения на этом уровне единообразно учитывать широкий спектр случаев, которые выглядели бы неоднородными с молекулярная перспектива.Рассмотрим формулировку Китчера этого возражение. Китчер считает, что объяснять — значит объединять (1989). Это Отсюда следует, что лучшим объяснением класса явлений является объяснение, которое объясняет класс единым образом. Китчер утверждает, что мейоз иллюстрирует такую ​​​​ситуацию. Единообразие процессы разделения пар проявляются на цитологическом уровне, но теряются в кровавых подробностях на молекулярном уровне, где процесс «могут возникнуть из-за действия электромагнитных сил или даже ядерных сил…» (Китчер, 1984, с.350). Но неясно, что Китчер мог иметь в виду. молекулярный Механизмы, лежащие в основе спаривания и разделения хромосом, удивительно однородны существа, начиная от дрожжей и заканчивая людьми; Это дело не в том, что одни включают электромагнитные силы, а другие включают ядерные силы. Китчер утверждает, что «легко думать о примерах, в которых разделение осуществляется действием гравитации» не имеет никакого основания в том, что говорят молекулярные биологи. узнали о спаривании и разделении хромосом.

Мейоз — бесперспективный кандидат для иллюстрации идеи о том, что оказывается однородным на уровне классической генетики оказывается гетерогенны на молекулярном уровне. Но эту мысль иллюстрирует другие генетические явления. Рассмотрим феномен генетического доминирования. В классической генетике рассматриваются все примеры полного доминирования. одинаково для целей объяснения явлений передачи. Но современная генетика показывает, что существует несколько очень разных механизмы, лежащие в основе различных случаев доминирования.В соответствии с Китчеровская унифицирующая теория научного объяснения, классическая теория доминирования дает объективную лучшая основа для объяснения явлений передачи, поскольку она обеспечивает более единая организация явлений. Но это будет означать, что поверхностные объяснения классической генетики объективно предпочтительнее более глубоких объяснений, предоставляемых молекулярной теорией (Уотерс, 1990).

3.4 Выход за пределы теоретической редукции и антиредукционизма слоеного пирога

Хотя концепция Нагеля о теоретической редукции отправной точкой для дискуссий о кажущемся сокращении классической генетики большая часть литературы по редукции направлена ​​на стремясь лучше понять природу редукции, ища заменить концепцию Нагеля более ясной.Это верно антиредукционистов, пытающихся объяснить, почему молекулярная генетика не может свести классическая генетика, а также те, кто был более симпатизирует редукционизму. Таким образом, существует два уровня дискурса. в литературе, рассматривающей вопрос о том, является ли молекулярная генетика редуцирует классическая генетика. Один уровень касается того, что происходит в науке о генетике. Другой касается более абстрактных вопросов. о природе (гносеологической) редукции.

Абстрактный уровень дискурса начался с идеи Шаффнера о том, что редуцируется не исходная теория, а скорее исправленная версия исходной теории.Wimsatt (1976a) предлагает более амбициозную модификация. Он отвергает предположение, что научные теории наборы утверждений, подобных законам, и что объяснения являются аргументами в явления, подлежащие объяснению, выводятся из законов. Вместо полагаясь на эти предположения, Вимсатт использует отчет Сэлмона о объяснение (Salmon 1971) для проверки утверждений о том, что молекулярная генетика предлагал редуктивные объяснения. Китчер (1984) также отвергает учет теоретизирования, лежащего в основе концепции редукции Нагеля.Он конструирует новую концепцию редуктивного объяснения, основанную на его собственном представление о том, что фактически составляет научную теорию и его унифицирующий подход к научному объяснению (1989). Так же, Саркар (1998) отвергает теорию и объяснение предполагалось в концепции редукции Нагеля. На самом деле он явно избегает полагаться на какую-либо конкретную версию научных теорий или теоретическое объяснение. Вместо этого он предполагает, что редуктивное объяснения — это объяснения без указания того, что такое объяснение есть, а затем стремится выявить черты, которые задают редуктивное объяснения в отрыве от других объяснений.

Вимсатт, Китчер и Саркар пытаются заменить концепцию Нагеля о редукция с концепцией, которая не предполагает, что научная объяснение предполагает подчинение универсальным законам. Вебер (2005), однако стремится заменить концепцию Нагеля той, которая сохраняет идея о том, что редуктивное объяснение предполагает подчинение законам сокращение науки. Что Вебер отвергает, так это идею о том, что редукционизм в биология включает в себя объяснение биологических законов более высокого уровня. Он утверждает что, за некоторыми редкими исключениями, биологические науки не имеют законы.Он утверждает, что редукционизм в биологии предполагает объяснение биологические явления непосредственно с точки зрения физических законов. Следовательно, он отвергает концепцию редукции «слоеного пирога», подразумеваемую Нагелем. учетная запись.

Литература по редукции и молекулярной генетике оказала влияние размышления философов о редукции в других науках. Например, Концепция редукции Китчера, которую он использует, чтобы объяснить, почему молекулярная генетика не может редуцировать классическую генетику, впоследствии нанятый Хардкаслом (1992) для изучения отношений между психологией и неврологией.С другой стороны, Трезвый развивается и расширяет критику возражения Китчера о кровавых деталях (раздел 3.3), пересматривая аргументы Патнэма (1967, 1975) и Фодора. (1968, 1975) о множественной реализуемости.

Собер (1999) утверждает, что науки более высокого уровня могут описывать закономерности. невидимы на более низком уровне и, следовательно, могут предлагать более общие объяснения. Но он настаивает на том, чтобы описание не путалось с объяснением. Он утверждает, что, хотя физика не может на описать все шаблоны, тем не менее он может объяснить любое единичное событие, которое наука более высокого уровня могу объяснить.Науки более высокого уровня могут предоставить более «общие» объяснения, но физика дает «более глубокие». Он предполагает, что какое объяснение лучше, в глазах смотрящего. Он делает вывод, что

…редукционисты, возможно, захотят помедлить в этом вопросе о лучшем и того хуже, и попытаться построить на голом предположении, что физика в принцип может объяснить любой единичный случай, когда высокоуровневый наука способна объяснить. … Для редукционистов интересная особенность физических объяснений социальных, психологических, и биологических явлений заключается в том, что они используют одни и те же основные теоретические механизм, который используется для объяснения явлений, которые не являются социальными, непсихологические и небиологические (Sober 1999, стр.560-1).

Дискуссия прошла полный круг. Множественная реализуемость аргумент, критикуемый Собером, был основан на абстрактных соображения в контексте философии сознания. Философы биология использовала эту литературу, чтобы построить кровавые детали возражение против идеи о том, что молекулярная генетика уменьшает классическая генетика. Другие философы утверждали, что это возражение не выдерживают тщательного анализа конкретной ситуации в генетика. Собер извлек уроки из обсуждения генетики, чтобы подвергнуть критике первоначальный аргумент против реализуемости и общие выводы о редукционизме.

В работах Вимсата о редукции (1976a, 1976b и 1979) подчеркивается плодотворность попыток добиться сокращения, даже если снижение не достигается. Он утверждает, например, что попытки обнаруживать молекулярный состав сущностей, идентифицированных на более высоких уровней часто бывает плодотворным, даже когда тождества между уровнями не могут быть найденным. Кроме того, Уимсатт указывает, что «затраты» выработки редуктивных объяснений многих частностей, уже объясняются на более высоком уровне, имеют отношение к вопросу о том, почему не является полномасштабной заменой объяснений более высокого уровня на более низкого уровня.Возможно, тот факт, что молекулярная генетика не замененная классическая генетика может быть объяснена на основе высокой издержки, а не отсутствие эпистемологических достоинств.

Хотя Шаффнер по-прежнему утверждает, что молекулярная генетика может в принцип редукции классической генетики, он признал, что попытки провести сокращение было бы «периферийным» по отношению к прогресс молекулярной генетики. Можно было бы ответить в духе Hull (1977), что успех молекулярной генетики, по-видимому, редуктивным в некотором важном смысле.Отсюда и неспособность осветить этот успех с точки зрения сокращения обнаруживает концептуальную несостоятельность. Тот можно утверждать, что тезис Шаффнера о периферийности указывает что его концепция редукции не является эпистемически релевантной потому что он не может осветить плодотворность редуктивного исследования в молекулярная генетика.

По сути, общий недостаток в дебатах о сокращении классической генетики заключается в том, что она касается только фрагмента научной рассуждения. Он основан почти исключительно на анализе объяснительные или теоретические рассуждения и в значительной степени игнорирует исследовательские рассуждения.Философская литература о предполагаемом сокращении классическая генетика фокусируется на том, как генетики объясняют или пытаются объяснять явления, а не то, как они манипулируют или исследовать явления. Это верно даже для Wimsatt (1976a). учет эвристик, которые подчеркивают эвристики для объяснения.

Вэнс (1996) предлагает более основательно переключить внимание с теории на следственная практика. Он утверждает, что существует только один современный науки генетики и описывает, как исследовательские методы классическая генетика — неотъемлемая часть методологии того, что называется молекулярная генетика .Он приходит к выводу, что редукционизм терпит неудачу, потому что современная генетика все еще зависит от методов классическая генетика, включающая селекционные эксперименты. фотография Вэнса генетика убедительна. Лабораторные методы классической генетики действительно сохраняются, даже если они значительно расширены, дополнены и часто заменяется методами прямого вмешательства в ДНК. Но Картина Вэнса не соответствует антиредукционистскому образу двухуровневая наука и утверждение, что классическая генетика оставаться в стороне от редуктивной хватки молекулярной биологии.

Иной образ возникает при рассмотрении генетики как исследовательской наука, включающая взаимодействие методологического и объяснительного рассуждения (Уотерс 2004а). Это образ не двухуровневой науки, один (классическая генетика), направленный на исследование и объяснение явления передачи и другое (молекулярная генетика), направленное на исследовать и объяснять феномены развития. Вместо этого там это одна из наук, которая сохраняет большую часть исследовательской и объяснительной рассуждения классической генетики путем переосмысления ее теоретической на молекулярном уровне и путем переоснащения своего базового исследовательского подход путем интеграции методологий классической генетики с физически обоснованные методы биохимии и новые методы, основанные на технологии рекомбинантной ДНК и РНК-интерференции.

Распространенное в философской литературе утверждение о молекулярном Генетика заключается в том, что гены нельзя представить на молекулярном уровне. Из Конечно, философы не отрицают, что биологи используют термин ген , но многие философы считают ген пустышкой термин, местозаполнитель для многих различных понятий. Разные ответы к генетическому скептицизму иллюстрируют множество философских целей и подходит. Один из видов ответа — внимательно проанализировать объяснения. связаны с экспериментальной практикой (а не с широкими обобщениями фундаментальная теория) для того, чтобы определить, существуют ли однородные паттерны рассуждений о генах, которые можно (а) кодифицировать в четких понятий и/или (b) используется для установления ссылки на срок.Другой вид ответа — предложить новые генные концепции, которые лучше послужит заявленным целям практикующих биологов. Треть тип ответа заключается в проведении анализа опроса, а не в проведении традиционные методы философского анализа. Четвертый вид ответ состоит в том, чтобы принять (якобы) необходимую неопределенность гена понятие(я) и исследовать, почему использование термина ген так полезный.

4.1 Генный скептицизм

Генные скептики утверждают, что нет последовательности в пути ген используется на молекулярном уровне и этот термин не обозначать натуральный вид; скорее ген якобы используется выделить множество различных видов единиц ДНК.ДНК состоит из «кодирующие» участки, которые транскрибируются в РНК, различаются виды регуляторных регионов, а у высших организмов ряд области, функции которых менее ясны и, возможно, в случаях несуществующий. Скептицизм в отношении генов частично основан на идее, что этот термин иногда применяется только к частям области кодирования, иногда ко всей области кодирования, иногда к частям кодирования области и к областям, которые регулируют эту кодирующую область, а иногда ко всей кодирующей области и регуляторным областям, влияющим или потенциально влияет на транскрипцию кодирующей области.Скептики (например, Буриан, 1986 г., Портин, 1993 г. и Китчер, 1992 г.) пришел к выводу, как лаконично выразился Китчер: «ген — это то, что компетентный биолог предпочитает называть ген» (Китчер, 1992, с. п. 131).

Учебники по биологии содержат определения гена, и это поучительно рассмотреть один из них, чтобы показать, что концептуальное ситуация действительно тревожная. Самый распространенный современный определение состоит в том, что ген является фундаментальной единицей, которая кодирует полипептид. Одна проблема с этим определением заключается в том, что оно исключает многие сегменты, которые обычно называют генами.Некоторый Сегменты ДНК кодируют функциональные молекулы РНК, которые никогда не транслируются в полипептиды. Такие молекулы РНК включают транспортную РНК, рибосомные РНК и молекулы РНК, играющие регуляторную и каталитическую роли. Следовательно, это определение слишком узкое.

Еще одна проблема с этим общим определением заключается в том, что оно основано на слишком упрощенное описание экспрессии ДНК. Согласно этому упрощенно говоря, ген — это последовательность нуклеотидов в ДНК, транскрибируется в последовательность нуклеотидов, составляющих информационную РНК молекула, которая, в свою очередь, транслируется в последовательность аминокислот, образует полипептид.(Биологи говорят, что гены «производят полипептидные молекулы» или «предоставляют информацию для полипептида».) Реальная ситуация с экспрессией ДНК, однако часто бывает гораздо сложнее. Например, у растений и у животных многие молекулы мРНК перед трансляцией подвергаются процессингу. в полипептиды. В этих случаях участки молекулы РНК, называемые интронами , вырезаются, а оставшиеся сегменты, называемые экзонами , сплайсируются перед молекулой РНК. покидает клеточное ядро.Иногда биологи называют всю ДНК область, то есть область, которая соответствует как интронам, так и экзонам, ген. В других случаях они называют только части сегмента ДНК. соответствующие экзонам гена. (Это означает, что часть ДНК сегменты, которые генетики называют генами, не являются непрерывными сегментами ДНК; они представляют собой наборы прерывистых экзонов. Генетики называют эти расщепленных генов .) Дальнейшие осложнения возникают из-за сплайсинг экзонов в ряде случаев осуществляется дифференцированно в разных типов тканей и на разных стадиях развития.(Этот означает, что существует перекрывающихся генов .) Проблема с общее определение, согласно которому гены представляют собой сегменты ДНК, которые «кодируют полипептидов» заключается в том, что понятие «кодирование полипептид» неоднозначен, когда речь идет о реальных осложнениях экспрессии ДНК. Генные скептики утверждают, что это безнадежно двусмысленно (Буриан, 1986 г., Фогл, 1990 и 2000 гг., Китчер, 1992 г. и Портин, 1993 г.).

Ясно, что это определение, являющееся наиболее распространенным и известным определение из учебника, слишком узкое, чтобы его можно было применить к диапазону сегменты, которые генетики обычно называют генами и которые слишком двусмысленны, чтобы обеспечивают единое точное разделение ДНК на отдельные гены.Учебники включают множество определений гена. Фактически, философов часто разочаровывала тенденция биологов определить и использовать термин ген в ряде противоречивых способов в одном и том же учебнике. После представления альтернативы определения к философскому анализу, генные скептики пришли к выводу что проблема не просто в недостатке аналитической строгости. проблема в том, что такого понятия, как ген, просто не существует. молекулярном уровне. То есть нет единого, единого и однозначного способ разделить молекулу ДНК на разные гены.Генные скептики часто утверждали, что биологи должны формулировать свою науку в терминах Сегменты ДНК, такие как экзон, интрон, промоторная область и т. д., и вообще отказаться от термина ген (наиболее убедительно утверждал Fogle 2000).

4.2 Анализ концепций на практике,

классический ген и молекулярный ген концепции

Вопреки генетическому скептицизму утверждалось, что биологи последовательный, точный и единообразный способ представления генов в молекулярном уровне.Анализ, лежащий в основе этого аргумент начинается с различения двух разных способов современные генетики думают о генах. Классические генетики часто рассматривают гены как функциональные единицы в хромосомах, различия в которых вызывают различия в фенотипах. Сегодня, в контексты, в которых гены идентифицируются посредством наблюдаемых фенотипических различия, генетики до сих пор понимают гены в этом классическом образом, как функциональные единицы в ДНК, различия которых вызывают наблюдаются различия в фенотипах.Такой способ понимания генов назвал классической генной концепцией (Waters 1994). Но современные генетики тоже по-иному думают о генах. ссылаясь на концепцию молекулярного уровня. Молекулярный ген Концепция проистекает из идеи, что гены — это единицы ДНК, которые функция для определения линейных последовательностей в молекулах, синтезированных с помощью Экспрессия ДНК. Согласно этому анализу, обе концепции работают у современных генетиков. Moss 2003 также различает два современные представления о генах, которые он называет «генами-P». (преформистский)» и «гены-D (развивающий)».Он утверждает, что смешение этих понятий приводит к ошибочному мышлению в генетике.

Много путаницы в отношении классического подхода к генам. из-за того, что генетики иногда говорили так, в классическом понимании гены составляют на брутто-фенотипа. признаки (фенотипы) или как будто отдельные гены производят фенотипы. Этот разговор был очень обманчивым со стороны классических генетиков и продолжает вводить в заблуждение в контексте современная генетика.Производство грубого фенотипического признака, таких как фиолетовый цвет глаз, включает в себя все виды генетических и экстрагенетические факторы, включая различные клеточные ферменты и структур, расположения тканей и факторов окружающей среды. В кроме того, неясно, какой, если вообще есть, валовой фенотипический уровень функции могут быть отнесены к отдельным генам. Например, это не сегодня яснее, чем во времена Моргана, что функция пурпурный ген, обсуждавшийся в разделе 2.1, должен способствовать производство цвета глаз.Мутации в этом гене влияют на ряд грубые черты фенотипического уровня. Законные объяснительные рассуждения применение классической концепции гена не зависит от какого-либо багажа относительно того, для чего нужны гены или какую функцию может выполнять ген в разработка. От чего зависит объяснительное рассуждение принцип различия, т. е. принцип того, что некоторое различие в ген вызывает определенные фенотипические различия в конкретных генетических и экологические контексты (раздел 2.1). Множество генетических объяснений в современной биологии лучше всего понимаются с точки зрения классической концепция гена и принцип различия.

Возможно, причина, по которой генные скептики упустили из виду концепцию молекулярного гена заключается в том, что они искали неправильную концепцию. Концепт не является чисто физико-химическим понятием и не дает однократное разделение ДНК на отдельные гены. Вместо этого это функциональная концепция, обеспечивающая единый способ представления о генах которые можно применять для выделения разных сегментов ДНК в разных следственный или объяснительный контексты. Основа Молекулярная концепция, согласно этому анализу, есть концепция ген линейной последовательности в продукте экспрессии ДНК:

Ген g для линейной последовательности l в продукте p синтезируется в клеточном контексте c является потенциально реплицирующаяся последовательность нуклеотидов, n , обычно содержащаяся в ДНК, что определяет линейную последовательность l в продукте p на каком-то этапе экспрессии ДНК (Waters 2000)

Понятие молекулярного гена можно представить в виде четырех кортежей: < n , l , p , c >.Этот анализ показывает, как генетики могут постоянно включать интроны как часть ген в одном эпистемологическом контексте, а не в другом. Если контекст включает идентификацию гена первичной, предварительно обработанной молекулы РНК, тогда ген включает интроны, а также экзоны. Если контекст включает идентификацию гена полученного полипептида, тогда ген включает только экзоны. Следовательно, в случае ДНК выражение, которое в итоге приводит к синтезу данного полипептид, генетики могут говорить так, как если бы «ген» включал интрон (в этом случае они будут относиться к гену для первичной, препроцессированной РНК ), а еще говорят так, как будто «ген» исключал интроны (в этом случае они относится к гену для зрелой РНК или полипептид ).Применение концепции молекулярного гена не двусмысленный; на самом деле, это удивительно точно, если указать значения переменных в выражении «ген для линейного последовательность l в продукте p синтезирована в клеточном контекст c ».

Генные скептики предположили, что в генах отсутствует когерентность. говорить, потому что биологи часто говорят так, будто гены кодируют полипептиды, но затем обернитесь и расскажите о генах молекул РНК, которые не транслируются в полипептиды (включая гены РНК [тРНК], рибосомная РНК [рРНК] и интерференционная РНК [иРНК]).Этот аккаунт показывает что представление о генах рРНК связано с той же идеей, что и представление о генов полипептидов. В обоих случаях ген является сегментом ДНК, расщепленная или нет, которая определяет линейную последовательность в молекуле представляет интерес.

Преимущество этого анализа в том, что он подчеркивает ограничения объяснений, ориентированных на гены, при выяснении отличительных причинно-следственных связей. роль генов в синтезе РНК и полипептидов: гены определяют линейные последовательности первичных транскриптов РНК и часто играют особую, хотя и не исключительную роль в определении последовательность аминокислот в полипептидах.

4.3 Анализ эталона на практике, как молекуляризация изменила эталон

Вебер (2005) исследует эволюцию концепции генов, прослеживая изменения в ссылке термина гена по истории генетики. Ссылка или расширение термина набор объектов, на которые он ссылается. Вебер принимает смешанную теорию ссылки. Согласно смешанным теориям, референция термина определили, как соответствующее языковое сообщество каузально взаимодействует с потенциальными референтами, а также то, как они описывают потенциальные референты.Эта теория заставляет Вебера обратить пристальное внимание не только на как генетики теоретизировали о генах или использовали эту концепцию для объяснения явления, но и то, как они проводили свою лабораторию расследования. Вслед за Китчером (1978, 1982) он исследует способы какие способы отсчета менялись с течением времени.

Вебер выделяет шесть различных концепций генов, начиная с дарвиновской. концепции пангена (1868 г.) и заканчивая современной концепцией молекулярная генетика. Он выделяет современные молекулярные концепции от классической (или «неоклассической») концепции на основе того, как генетики описали их функциональную роль (РНК/белок кодирование по сравнению с общей функциональной единицей), их материальная основа (РНК/ДНК по сравнению с хромосомой), и их структура (прерывисто-линейная — с интронов и экзонов по сравнению с непрерывными линейными), а также на основе критерии, используемые экспериментаторами для идентификации генов (по продукту гена по сравнению с комплементарным тестом).

Вебер исследует, как исследование нескольких частных гена дрозофилы изменились, как наука генетика развитый. Его исследование показывает, что методы молекулярной генетики предоставил новые способы идентификации генов, которые были впервые идентифицированы классические техники. Значение термина изменилось не просто потому, что в результате теоретических разработок, но и в результате внедрение новых методов идентификации генов. Он заключает, что в отличие от концепций физической науки, которые были проанализированы философов, концепция гена носит «неэссенциалистский характер, который позволяет биологам устанавливать различные естественные классификации, в зависимости от доступных методов расследования, а также от теоретические интересы» (Вебер 2005, с.228). Вебер называет эту особенность «плавающие ссылки».

4.4 Предложение по новой концепции, концепции

процесса молекулярного гена

Neumann-Held (2001) предлагает новый взгляд на гены в контексте генетики развития. Она говорит, что в этом контексте интерес к генам в значительной степени сосредоточен на регулируемой экспрессии полипептиды. Она отмечает, что определение гена в учебниках часто признают этот интерес и цитирует следующее определение из научный учебник:

Комбинация сегментов ДНК, которые вместе составляют выражаемый единица, выражение, ведущее к образованию одного или нескольких конкретных функциональные генные продукты, которые могут привести либо к молекулам РНК, либо полипептиды.Сегменты гена включают (1) транскрибируемую единицу … и любые регуляторные сегменты, включенные в транскрипцию единица, и (2) регуляторные последовательности, граничащие с транскрипцией единицы и требуются для конкретного выражения. (Зингер и Берг, 1991 г., п. 41).

Это определение подчеркивает, что регуляторные последовательности, а также области кодирования требуются для «конкретных выражение.» Только небольшая часть кодирующих последовательностей транскрибируются в данной клетке в определенное время, и конкретная последовательность транскрибируется частично зависит от регуляторных области, внешние по отношению к кодирующей области.

Нойманн-Хельд указывает, что если цель состоит в том, чтобы указать, что необходимы для регулируемого синтеза полипептидов, то необходимо включают в себя даже больше, чем то, что находится в ДНК. Это следует из тот факт, что такие процессы, как дифференциальный сплайсинг (и редактирование РНК такие процессы, как метилирование, которые я не обсуждал в этом article) включают объекты вне ДНК, такие как агенты сплайсинга. Она предполагает, что это уместно, по крайней мере, в контексте генетики развития, чтобы переосмыслить гены как процессы.Она предлагает следующая концепция молекулярного гена процесса .

«Ген» — это процесс (т. е. ход событий), который связывает вместе ДНК и все другие соответствующие не-ДНК объекты в образование определенного полипептида. Термин ген в этом смысл обозначает процессы, которые задаются (1) конкретным взаимодействия между определенными сегментами ДНК и определенными не-ДНК расположенные сущности, (2) специфические механизмы обработки результирующих мРНК во взаимодействии с дополнительными объектами, не расположенными в ДНК.(Нойманн-Хельд 2001, стр. 74).

Нейманн-Хельд утверждает, что эта концепция обеспечивает наиболее четкую основу для понимания того, как последовательности ДНК «используются в процессах производства полипептида ». Она указывает, что концепция молекулярного гена процесса позволяет включить кодирование последовательности в ДНК, регуляторные последовательности в ДНК, а также объекты, не расположенные в ДНК, все из которых причинно вовлечены в производство полипептидов. Концепция Неймана-Хельда исключает транскрипцию. процессы и кодирующие области ДНК, которые приводят к функциональной РНК молекулы, которые не транслируются в полипептиды.Следовательно, согласно по ее мнению, нет процессов молекулярных генов для тРНК (транспортная РНК), рРНК (рибосомная РНК) или мяРНК (малая ядерная РНК). Эта особенность определения Неймана-Хелда не соответствует определение из учебника, которое она цитирует, чтобы мотивировать свою версию (представлено над). Кроме того, исключение этих кодирующих областей не следить за недавними открытиями о важных функциях, выполняемых некодирующие молекулы РНК, такие как snRNAs. Ее определение может легко быть пересмотрены с учетом этих регионов и процессов.В любом слючае, Нейманн-Хельд считает, что использование этой концепции в генетике развития а не ДНК-центрированные концепции генов, поможет избежать мнения, что «гены являются наиболее важными объяснительными факторами в биологии. из-за их уникальной причинной силы» (Neumann-Held 2001, п. 80).

4.5 Использование подхода, основанного на опросах, для выявления концепций генов

Стоц и Гриффитс (2004) считают, что разнообразие концепций генов используется во всех биологических науках, требует более систематического и явно эмпирический подход.Они указывают на то, что отдельные философы не могут понять всех тонкостей различных контексты в широком диапазоне биологических наук, в которых используются понятия. Они приступили к амбициозному проекту по опрос практикующих ученых в попытке определить, как ученые на самом деле понимают гены. Их интерес распространяется далеко за пределы понимания «молекулярной генетики». Они надеются узнать о концепциях, используемых во многих различных областях и контексте биологии, обнаружив различия в том, как биологи из разным направлениям (и биологам разного возраста, пола и т.) отвечать на сложные анкеты.

Первоначальная мотивация проекта Стоца и Гриффита состояла в том, чтобы проверить философские взгляды на концепцию гена. Как спросил Гриффитс, если их исследование, основанное на опросах, показало, что ученые на самом деле не подумайте о генах так, как это предусмотрено философским объяснением, тогда какое значение может иметь счет? Однако есть количество пугающих, практических трудностей с использованием вопросника узнать, как человек думает, особенно если он думает предполагает использование нескольких понятий и/или иногда или в некоторой степени запутанный (Уотерс, 2004b).Кроме того, трудно обследовать надлежащие и представительные выборки ученых. Гриффитс и Стоц знают о эти трудности и усовершенствовали свой проект с помощью последовательных опросы.

Даже если в обзоре Штотца и Гриффита удастся определить, как ученые в разных областях биологии на самом деле думают о генах в разных контекстах, из этого не следует, что их выводы обеспечить соответствующий тест классического, молекулярного или процессного концепции молекулярных генов.Цель сторонников этих концепций состоит в том, чтобы заново интерпретировать знания современной генетики, заменив небрежное мышление, основанное на неясных концепциях, с более строгим мышлением с точки зрения точных понятий. Показывая, что фактические мышление не соответствует точному применению этих понятий не опровергнет анализ, подтверждающий классический ген или концепций молекулярного гена, и это не подорвет аргумент мотивируя предложение о новом процессе молекулярного гена концепция.

Хотя кажется, что результаты опроса не дадут соответствующий тест философского анализа концепций генов, они может предоставить, как утверждают Стоц и Гриффитс, важную информацию имеет отношение к тем, кто проводит философские исследования концепций генов. Например, если такие опросы обнаруживают существенные различия в способах Эволюционные биологи и генетики развития отвечают на вопросы о том, что считается геном, философы могли бы исследовать, контексты, в которых практикуют эти биологи, требуют различных генов концепции.Результаты опроса могут предоставить полезную эвристику для проведение концептуального анализа.

4.6 Прагматичный ответ на генетический скептицизм

Генные скептики, такие как Буриан, Портин и Фогл, утверждают, что термин Ген изжил себя. Они утверждают, что термин и слишком расплывчато, и слишком ограничительно. Слишком расплывчато, считают они, потому что он не обеспечивает однозначного разбора генома. Границы между генами перекрываются и предположительно неоднозначны. Нет ясно, утверждают они, включают ли гены интроны или исключают их, регулирующие регионы и так далее.Термин якобы слишком ограничительным, потому что он скрывает разнообразие молекулярных элементов играя различные роли в экспрессии и регуляции ДНК. В Кроме того, любая попытка разрешить двусмысленность, эти скептики спорить, сделает этот термин еще более ограничительным.

Представление Келлера об истории генетики двадцатого века кажется усиливают геномный скептицизм. Например, она утверждает, что вопрос о том, для чего нужны гены, становится все труднее ответить (Келлер 2000).К концу двадцатого века, по ее словам, биологические данные выявили сложность развития динамики, которые делают невозможным представление о генах как обособленных возбудители в развитии. Келлер подчеркивает, что слова имеют силу и уделяет много внимания тому, как свободные разговоры о генах повлияло на биологические исследования, укрепив предположение, что ген — это «основная объяснительная концепция биологической структуры». и функция» (Keller 2000, стр. 9), предположение, с которым она решительно не согласен.Тем не менее, Келлер не разделяет взглядов на гены. скептики, утверждающие, что биология улучшилась бы, если бы биологи перестали говорить о «генах» и ограничились термины, обозначающие молекулярные единицы, такие как нуклеотид, кодон, кодирующий регион, промоутер регион и так далее. Келлер утверждает, что термин ген продолжает иметь «очевидную и неоспоримую использует».

Согласно Келлеру, одно использование термина ген состоит в том, что его расплывчатость, та самая черта, которая беспокоит философов, делает возможность для биологов быть гибкими, общаться через дисциплинарные границы и мыслить по-новому:

Значение экспериментального эффекта зависит от его отношения к другие эффекты, а также использование языка, слишком тесно связанного с конкретным экспериментальная практика по самой своей специфике эффективное общение в разных экспериментальных контекстах невозможный.(Келлер 2000, стр. 140).

Келлер выделяет вторую причину полезности разговоров о генах. Термин ген относится к объектам, которые могут быть экспериментально манипулируют для получения определенных и воспроизводимых эффектов (хотя Келлер критикует представления о генах, неясно, к каким сущностям она думает, что этот термин относится). Она предполагает, что гены краткосрочны. причины. Однако она отмечает, что это не означает, что гены долговременные причины или что гены являются основными причинными агентами разработка.Скорее, что это означает (и Келлер считает, что это важная причина, почему разговоры о генах будут продолжаться) заключается в том, что гены могут быть используются в качестве ручек для управления биологическими процессами (см. также Уотерс 2000). И по этим двум причинам, заключает Келлер, разговоры о генах будут и должны продолжать играть важную роль в биологический дискурс.

Наука под названием молекулярная генетика связана с фундаментальным теория, согласно которой гены и ДНК управляют всей основной жизнью процессы, предоставляя информацию, определяющую разработку и функционирование организмов.Говорят, что геном определяет «программа развития», «генеральный план» или «чертеж» для разработки, в то время как другие элементы обеспечивают материалов (например, Bonner 1965, Jacob and Monod 1961, Mayr 1961, Мейнард Смит 2000, Розенберг 2006). Хотя мысль о том, что хромосомы содержат «код-скрипт» для развития и функционирование организма классно выразил Шредингер (1944) до эры молекулярной генетики, сегодня часто выражается в явном молекулярном выражении. Информация о развитие и функции, которые передаются из поколения в поколение. следующий, предположительно, закодирован в нуклеотидных последовательностях, включающих гены и ДНК.Это так называемая «генетическая информация». сначала «транскрибируется» в РНК, затем «переводится» в белки и, наконец, «выражается» в развитии и функционировании организмы.

Понятие генетической информации занимает видное место в История молекулярной генетики, начиная с Уотсона и Крика. наблюдение, что, поскольку любая последовательность пар нуклеотидных оснований может соответствовать в структуру любой молекулы ДНК, «что в длинной молекуле возможно множество различных перестановок, и поэтому кажется вероятно, что точная последовательность оснований является кодом, который несет генетическую информацию.(Уотсон и Крик, 1953). В виде Как рассказывает Даунс (2005), генетики Джейкоб и Моно усилили использования информационного языка, как и те, кто стремился взломать «генетический код». К началу 1960-х годов язык информация прочно укоренилась в области молекулярной генетика.

Философы обычно критикуют теорию о том, что гены и ДНК предоставить всю информацию и оспорить использование подметания метафоры, такие как «генеральный план» и «программа» которые предполагают, что гены и ДНК содержат все Информация.Критики заняли несколько разных позиций. Большинство кажется, принимают представление о том, что биологические системы или процессы содержат информации, но они отрицают идею о том, что ДНК играет исключительную роль в предоставление информации. Некоторые довольствуются утверждением, что при различных существующие теории информации, такие как каузальные теории или стандартные В телеосемантических теориях информация не ограничивается ДНК. Но другие утверждают, что понимание того, что делают гены, требует нового представление о биологической информации.Один из подходов заключается в том, чтобы отступить к узкая концепция кодирования, специально направленная на прояснение смысла в котором ДНК предоставляет информацию для синтеза полипептидов, но не для признаков более высокого уровня (например, Godfrey-Smith 2000). Другой подход заключается в построении новой, широкой концепции биологического информацию и использовать эту концепцию, чтобы показать, что информационная роль генов не является исключительной (Jablonka 2002). Другой подход заключается в том, чтобы вообще отказаться от информационного разговора и объяснить исследовательские и объяснительные рассуждения, связанные с генетикой и молекулярную биологию в чисто каузальных терминах.

5.1 Критика идеи о том, что гены и ДНК предоставляют информацию

Фундаментальная теория, утверждающая, что роль ДНК заключается в обеспечении информация для развития подвергалась критике со стороны многих основания. Келлер (2000) отмечает, что эта идея колеблется на двусмысленность. Обеспечивает ли ДНК «программу» или «данные?» Другие утверждали, что «информация» для развития вытекает из огромного количества «ресурсов», не только генетические ресурсы. Ояма (1985) предполагает, что это ошибка думать, что информация содержится в статических объектах, таких как ДНК.Она считает, что информация существует в жизненных циклах. Другой критика бросает вызов приложениям конкретных концепций или теории информации, включая применение каузальной и телеосемантические концепции.

Гриффитс (2001) различает два способа понимания информации, причинно-следственной и преднамеренной, а затем утверждает, что либо концепция, информация не ограничивается ДНК. Причинные теории информация, основанная на Дрецке (1981), связана с математическая теория информации (1948).Дрецке отличает между исходной переменной и фоном или условиями канала. На Прочтение Гриффитсом (2001) теории Дрецке, исходная переменная, X, несет информацию о переменной Y , если значение X коррелирует со значением Y. Griffiths описывает каузальную интерпретацию этой идеи следующим образом:

Существует канал между двумя системами, когда состояние одной систематически причинно связаны с другим, так что состояние отправителя можно обнаружить, наблюдая за состоянием получателя. каузальная информация — это просто положение дел, с которым она надежно коррелирует на другом конце канала. Таким образом, дым несет информацию о фенотипах пожаров и болезней информацию о генах болезней. (Гриффитс 2001, стр. 397)

Чтобы зафиксировать общепринятые представления о генетической информации в этом теории, гены рассматриваются как исходные переменные, а окружающая среда рассматриваются как условия канала. Отсюда следует, что гены несут информацию о фенотипах, потому что фенотипические значения надежно коррелируют с генотипические значения.Но, как указывает Гриффитс, ничто не мешает человеку рассматривая условия окружающей среды как исходные переменные, а гены как канал. При таком применении причинной теории окружающая среда условия несут информацию о фенотипах. Гриффитс и др. пришли к выводу, что идея о том, что гены предоставляют информацию, в то время как другие причинные факторы просто обеспечивают материал, который не может быть устойчивым при Каузальные теории информации.

Гриффитс утверждает, что идея о том, что гены и ДНК обеспечивают все информация живет не лучше при интенциональных теориях информации.Интенциональные теории нацелены на то, чтобы уловить смысл «смысловая информация», которую человеческие мысли и высказывания предположительно содержат (Годфри-Смит 1999). Версия о намеренном Теория, которой отдают предпочтение философы биологии, является телеосемантической. В соответствии в телеосемантических теориях сигнал представляет собой то, чем он был выбран для представления (в процессе эволюции). Под этой идеей, можно сказать, что ДНК содержит информацию о развитии, потому что Влияние ДНК на развитие было выбрано в процессе эволюция.Но, как отмечают Гриффитс и Грей (1997), эта идея относится к широкому кругу субъектов, участвующих в разработке, а не только ДНК.

Вебер (2005) бросает вызов телеосемантике Мейнарда Смита (2000). учетная запись. Мейнард Смит проводит аналогию между информацией в запрограммированный компьютер и информация в ДНК. Компьютеры выполняют алгоритмы, запрограммированные людьми и организмами, экспрессируют ДНК, был запрограммирован естественным отбором. Информация, запрограммированная в компьютере является преднамеренным в том, что можно было бы определить намерения человека-программиста путем анализа алгоритма.Мейнард Смит утверждает, что информация, запрограммированная в ДНК естественным путем выбор является преднамеренным в том же смысле. Вебер предлагает два аргумента против этого взгляда. Во-первых, он указывает, что ДНК может содержать последовательности нуклеотидов, возникшие в результате случайных мутаций, бывает выгодно. Если естественный отбор еще не подействовал на их, то телеосемантическая теория Мейнарда Смита подразумевает, что они не содержать информацию. Тем не менее, причинно такая последовательность нуклеотидов была бы влияют на развитие так же, как последовательности, которые были выбран для.Вторая критика Вебером версии Мейнарда Смита вытекает из более тщательного изучения интенциональности, связанной с компьютерные программы. Вебер утверждает, что интенциональные состояния связаны с компьютерами на самом деле являются состояниями инженеров-людей, которые пишут программы, а не состояния самих компьютеров: «Компьютер программа представляет собой строку символов, которая приобретает смысл только в контекст сообщества инженеров, которые понимают, что такое программа делает и для чего это можно использовать» (Вебер 2005, с.252). Аналог для программистов-людей в описании Мейнарда Смита естественно выбор. Но естественный отбор не имеет преднамеренного состояния. Следовательно, заключает Вебер, телеосемантический подход не работает. сохранить идею о том, что ДНК содержит информацию в преднамеренном смысл.

Заманчиво думать, что информационные разговоры бессильны в этом контексте, и действительно, некоторые философы утверждали, что такие разговоры вводит в заблуждение и от них следует отказаться (например, Sarkar 1996, Weber 2005 и, возможно, Rosenberg 2006).Но другие взяли считают, что более тщательное обдумывание концепций информации могло бы привести к важным выводам (см. следующий раздел).

5.2 Использование широкой биологической концепции информации для объяснения того, что делают гены

Цель Яблонки состоит в том, чтобы построить общее определение информации. который распознает различные типы информации, связанной с различные способы получения, воспроизведения и передачи информации сквозь пространство и время (Jablonka 2002). Одна из ее забот заключается в том, что дискуссии о значении (или отсутствии смысла) информационных разговоров в биологии исходят из предположения, что генетическая система должна служить прототипом мышления о биологической информации.Она считает, что общее определение информации, предназначенное для улавливать смыслы информации, представленные в сигналах окружающей среды, созданные человеком инструкции и эволюционировавшие биологические сигналы, а также смысл информации в наследственном материале, приведет к более полезному обобщения и точки зрения.

Яблонка говорит, что ощущение информации во всех этих ситуациях включают в себя источник, приемную систему (организм или созданные организмом системы) и особый тип реакции приемника на источник.Она воспринимает реакцию получателя как сложную, регулируемую цепь событий, ведущих к ответу. Вариации в форме источник приводит к вариациям в ответе. То есть характер реакция зависит от того, как организован источник. Кроме того, она указывает, что реакции в этих ситуациях полезны для приемник в течение соответствующего периода времени (в случае организмов, течение эволюционного времени). Яблонка подчеркивает, что польза или функцию, в случае с организмами следует понимать с точки зрения эволюция, с акцентом на эволюцию реакции системы , а не на эволюции источника или эволюции конечный результат реакции.

Концепция информации Яблонки преднамеренна и связана с телесемантических концепций, рассмотренных выше. Согласно стандарту телеосемантических концепций, сигналы несут информацию, потому что производство сигнала было выбрано для эволюционной истории. Однако, по мнению Яблонки, сущность обладает информацией, а не потому что он был выбран для, а потому что реакция получателя на него был выбран для. Считать ли что-либо информацией, зависит от реагируют ли сущности на это (надлежащим) функциональным образом.

Яблонка резюмирует свой общий отчет следующим образом. определение:

Можно сказать, что источник — объект или процесс — имеет информации, когда приемная система реагирует на этот источник особым способ. Реакция приемника на источник должна быть такой, чтобы реакция может фактически или потенциально изменить состояние приемник (обычно) функциональным образом. Более того, должен быть устойчивая связь между вариациями формы источника и соответствующие изменения в приемнике.(Яблонка 2002, стр. 582)

Яблонка указывает, что согласно этому определению гены не иметь теоретически привилегированный статус; они являются одним из многих источников информации. Кроме того, она настаивает на том, чтобы основное внимание «интерпретационная система получателя информация», а не источник.

Яблонка утверждает, что информация в ДНК имеет мало общего с информация в сигнале тревоги, облачном небе или химическом сигнале в колонии бактерий.В последних случаях получатели реакции (или «ответы») на источник адаптивны для приемник: «тревога предупреждает птицу о хищниках вокруг; облачное небо предупреждает обезьяну о приближающейся буре; в химическое вещество предупреждает бактерии о неминуемой голодной смерти». (стр. 585). Но в случае с ДНК приемник, похоже, не реагирует способ, который адаптирует клетку к чему-то конкретному. «Скорее, ДНК просто «читается» клеткой, поэтому она не информация в том же смысле… ДНК — это информация «о» клетке или организме, а не «для» клетки или организма.(Яблонка 2002, п. 585). Тем не менее, Яблонка утверждает, что ее концепция применима к генов, даже если это не относится к ДНК в целом:

Однако если вместо того, чтобы думать о ДНК вообще, мы подумаем о определенный локус с определенным аллелем, нетрудно подумайте о функциональной роли этого конкретного аллеля в определенный набор экологических обстоятельств. Следовательно, мы можем сказать для все виды информации , включая тревожные вызовы и фрагменты ДНК, источник S (аллель, сигнал тревоги, облачное небо и др.) несет информация о состоянии E для приемника R ( организм или продукт, созданный организмом), если получатель имеет система интерпретации, которая реагирует на S так, как обычно заканчивает адаптацией R (или его дизайнера, если R по-человечески разработан) по E . (Яблонка 2002, стр. 585, мой стресс)

Учитывая, что Яблонка говорит, что ДНК вообще не является информацией в такой же смысл, как звонок будильника и облачное небо (и что это смысл, указанный в заявлении выше), вызывает недоумение, почему она утверждает что приведенное выше утверждение относится ко «всем типам Информация.Кроме того, ее утверждение о том, что заявление выше относится к конкретным аллелям (и, по-видимому, не к ДНК в целом) это не просто. Оригинальный аккаунт Яблонки предоставляет освещающий способ думать об информации в биологических процессах такие как клеточные сигнальные процессы. Но ее аккаунт не обосновать идею о том, что гены и ДНК содержат информацию или помогают выяснить роль генов и ДНК.

5.3 Каузальная интерпретация утверждений о том, что делают гены

Другой подход к выяснению роли генов и ДНК состоит в том, чтобы замените свободную информационную болтовню конкретными причинно-следственными описаниями основывается на четком понимании причинно-следственной связи (Waters 2000 и в дальнейшем).Этот подход исходил из того, что базовая теория и лабораторные методы, связанные с молекулярной генетикой, могут быть понимается чисто причинно. Основа Теория и методология касаются синтеза ДНК, РНК и полипептидные молекулы, а не предполагаемая роль ДНК в «программировании» или «направление» развития (раздел 2.3). Причинная роль молекулярного генов в синтезе этих молекул можно понимать с точки зрения причинно-специфического фактического различия.Это включает в себя два каузальные концепции, фактическое установление различий и каузальные специфика. Эти понятия могут быть объяснены в терминах манипулируемость счет причинно-следственной связи .

Концепция фактического создания различий применяется в контексте реальная популяция, содержащая сущности, которые на самом деле отличаются друг от друга отношении к какому-либо имуществу. В такой популяции может быть много потенциальных создателей различий. То есть может быть много факторы, которыми можно манипулировать, чтобы изменить соответствующее свойство субъектов в популяции.Но реальная разница создатели (грубо говоря) создатели потенциальных различий, которые фактические различаются, и чьи фактические различия приводят к фактическим различия в собственности у населения.

Концепцию фактического создания различий можно проиллюстрировать на примере принцип различия классической генетики (раздел 2.1). В соответствии с В соответствии с этим принципом гены могут быть определяющими факторами в отношении фенотипические различия, в частности генетические и экологические контексты.Таким образом, он определяет потенциальных создателей различий. Когда это принцип используется для объяснения фактического наследственного паттерна, это применительно к генам, которые действительно отличались в популяции, демонстрируя образец (часто экспериментальная популяция). В таких случаях фактическая разница в гене между организмами в популяции вызвало фактические фенотипические различия в этой популяции (см. Гиффорд 1990). То есть ген был фактическим создатель различий, а не просто создатель потенциальных различий (в том Население).

Концепция фактического создания различий может быть применена к молекулярным генетика следующим образом. В реальной клетке, где популяция непроцессированные молекулы РНК отличаются линейной последовательностью, возникает вопрос: чем вызваны эти различия? Ответ в том, что различия в генах в клетке вызывают действительные различия в линейные последовательности в непроцессированных молекулах РНК, а также в популяции молекул РНК и полипептидов. Гены не только фактические создатели различий фактических различий в линейной последовательности этих молекул.И это подводит нас ко второй причинной понятие, причинная специфика.

Причинная специфичность была проанализирована Льюисом (2000). Основная мысль заключается в том, что причинно-следственная связь между двумя свойствами является специфической, когда много различных значений в каузальном свойстве вызывают множество различных и особенно разные значения результирующей переменной (причинной отношения реализуют что-то вроде математической функции). Ан переключатель включения/выключения не является конкретным в этом техническом смысле, поскольку каузальное свойство имеет только два значения (включено и выключено).Диммер есть причинно-специфическим в этом смысле. Гены могут быть конкретной разницей производителей, потому что многие специфические различия в последовательностях нуклеотиды в ДНК приводят к специфическим различиям в РНК молекулы. Это не относится ко многим другим фактическим различиям производители, такие как полимеразы, которые больше похожи на выключатели (с относительно различий в линейных последовательностях). Биологи обнаружил, однако, существование других реальных создателей различий, кроме генов и ДНК, причинно специфичных по отношению к линейные последовательности процессированных РНК и полипептидов, до некоторой наименее.Например, в некоторых клетках комплексы сплайсинга называются спликосомы на самом деле различаются по многим параметрам, что приводит к многочисленным, специфические различия в линейных последовательностях процессированных РНК молекулы.

Тот факт, что все виды сущностей причинно релевантны синтез РНК может привести к мысли, что существует причинно-следственная связь между причинные элементы. Но этот отчет показывает, что гены и ДНК играют важную роль. отличительная причинная роль в том, что гены являются каузально специфическими действительными создатели различий в линейных последовательностях необработанных молекулы РНК.Эта отличительная роль распространяется (с важным квалификации) к линейным последовательностям процессированных молекул РНК и полипептиды. Основная теория, связанная с молекулярной генетикой, как отличается от фундаментальной теории, может быть разъяснено в причинно-следственных связях. условия.

5.4 Причинно-следственные связи разработки программ ДНК

Вебер (2005) и Розенберг (2006) независимо друг от друга утверждают, что ДНК содержит генетическую программу, которая выполняется в процессе развития, но оба отрицают, что эта идея зависит от представления о том, что ДНК содержит семантические или преднамеренной информации.Они иллюстрируют это положение, рассматривая текущее объяснение первых стадий передне-заднего формирование паттерна у эмбрионов дрозофилы . Это объяснение объясняет, как одноклеточный эмбрион с внутриклеточным градиентом бикоидного белка (концентрация бикоида уменьшается от спереди к заднему концу) развивается в многоклеточный зародыш с 14 парасегментов (первые три парасегмента позднее образуют головку, следующие три сформируют грудную клетку, а оставшиеся сегменты сформируют брюшные сегменты).Вебер начинает с объяснения того, что бикоид градиент «генерируется синтезом белка из мРНК вид, происходящий от матери (путем транскрипции материнского генов) и откладывается в яйцеклетке на переднем конце с помощью материнские няньки» (Weber 2005, p. 244). объясняя, как биокоидный белок по-разному активирует набор шесть пробелов генов, которые, в свою очередь, по-разному активируются и деактивированы восемь генов с парным правилом , которые по-разному активируются и деактивировать сегмент полярности генов и гомеотический селектор генов.

Детали каскадов генных активаций и деактиваций были исследованы экспериментально. Вебера и Розенберга. сводки результатов показывают, что биологи могут объяснить первоначальные формирование картины с точки зрения последовательных градиентов концентрации, которые регулируют гены без существенного обращения к информационным понятиям. Вебер доводит этот момент до сознания, подробно аргументируя, что использование термина «позиционная информация» метафорична и что Действие бикоидного градиента можно объяснить без понятия Информация.Он заключает, что этот градиент и другие не несут информация в намеренном смысле; скорее, они играют причинную роль в формирование новых градиентов за счет регуляции генов.

Розенберг обсуждает проблемы, противостоящие идее о том, что ДНК содержит генетическая программа развития. Он начинает с вопроса о учет ранних стадий развития паттерна, который он и Вебер резюмируют (отдельно), могут быть разработаны, чтобы дать «вся история развития» (Розенберг 2006, с.75). Будет ли весь быть макромолекулярным? Он также отмечает, что объяснение формирование паттерна, которое он описывает, выражено в терминах генов. Он спросил: выживет ли это объяснение, если концепция гена не выживет? Но в конце, он выражает оптимизм в великой идее, что объяснение начальное развитие шаблона может быть разработано с учетом весь процесс развития.

Хотя и Розенберг, и Вебер отвергают идею о том, что биологи объяснение начального этапа формирования паттерна делает существенным ссылка на идею о том, что гены или ДНК имеют преднамеренную информацию, они предполагают, что объяснение делает существенную ссылку или подразумевает наличие генетической программы.Но непонятно, почему использование термин программа менее метафоричен, чем термин позиционная информация . Розенберг утверждает, что мы можем сделать вывод что ДНК может выполнять программы из-за того, что компьютеры могут быть построены из ДНК, и эти компьютеры на основе ДНК могут выполнять программы в в том же смысле, что и компьютеры на основе кремниевых чипов программы. Тем не менее непонятно, к чему добавление фразы «выполнение генетической программы» добавляет к объяснению первоначального формирование узора.Вебер и Розенберг подводят итоги объяснение в причинно-следственных терминах, таких как «генерировать», «депозит», «активировать» и «деактивный». Можно спросить, является ли причинное объяснение заменяет метафорическую идею о том, что ДНК программирует развитие.

5.5 Фундаментальное теоретизирование против исследовательской прагматики

Учетные записи, подобные представленным выше, в случае успеха обеспечивают лучшая основа для понимания основной теории связанных с молекулярной генетикой, но неясно, могут ли они объяснить идея о том, что гены являются «фундаментальными» сущностями, которые «программируют» развитие и функционирование организмов, «направляя» синтезы белков, которые, в свою очередь, регулируют все важные клеточные процессы.На самом деле, существует значительный скептицизм в философское сообщество об этой фундаментальной теории. Обычный критика (среди философов) заключается в том, что она ориентирована на гены.

Несколько философов намеревались заменить фундаментальную теорию связаны с молекулярной генетикой с новой фундаментальной теорией, которая не «привилегирует» ген. Среди предложений Роберта (2004). Опираясь на труды Буриана, Гриффитса, Келлера, Оямы, Мосса и других, Роберт пытается построить новую «каркас для понимание и объяснение развития организма» (с.78) что не сводит «проблему развития» к Проблема действия генов и активации генов. Он ищет структуру, которая свободен от предполагаемого предположения, что развитие включает в себя выражение «предварительно сформированной генетической информации» (с. 56). Роберт говорит, что его концепция фокусируется на организмах, а не на гены и что он «серьезно относится» к динамике сложности развития, подчеркнутые Келлером.

Философы, занимающиеся фундаментальным теоретизированием, по крайней мере пока, привлекли большое внимание практикующих ученых.Возможно, недостаток внимания связано с разницей между интересами (многих) философы биологии и потребности практикующих биологи. Вагнер, биолог-теоретик, математическая/концептуальная работа в эволюционной теории, а также эмпирические исследования эволюции морфологических признаков делают следующее наблюдение в рецензии на книгу Роберта,

Роберт и его коллеги, выступающие за подобную интерпретацию, правильно в том, что гены сами по себе не могут создать организм, а встроены в большую сеть причинных взаимодействий.Но ученые обычно не интересуются общими утверждениями о том, что в принципе требуется для понимания явления.

Да, ученые принимают прагматичное решение о том, что изучать, но я думаю, что эти решения не являются произвольными. Сила молекулярно-генетические подходы не давались легко, скорее это результат долгой истории напряженных исследований, основанных на видении, которое взято из работы Ричарда Гольдшмидта, Альфреда Кюн и Томас Хант Морган в начале 20 века.Таким образом, не интеллектуальная лень движет генетическими исследованиями. программа; вместо этого мы загребаем трофеи с трудом завоеванной победы над биологическая сложность. (Вагнер 2004, стр. 1405)

Несоответствие между интересами (многих) философов к фундаментальные теоретики и практикующие биологи должны сделать прагматические решения о том, что изучать, поднимают важный вопрос о науках, ориентированных на гены, которые в значительной степени упускались из виду философов: почему так много биологических исследований сосредоточено на генах и ДНК?

В официальном и публичном контексте ученые обращаются к фундаментальным теория, связанная с молекулярной генетикой для обоснования центрирования исследования генов и ДНК (например,г., см. сайты финансирующих агентств например, Национальный центр биотехнологической информации). Гены обычно называют «основными единицами», которые отвечает за управление всеми основными жизненными процессами. Обычно комбинация причинных и информационных метафор используется для объяснения роль генов. Говорят, что гены производят РНК и полипептиды, предоставлять инструкции или управлять процессами. Но философский расследование показало, что такого рода огульные заявления не могут выдержать тщательную проверку.Почему же тогда так много исследований сосредоточено на гены и ДНК? Один из ответов на этот вопрос состоит в том, что биологи ослеплены идеологией генетического детерминизма. Но защита Вагнера геноцентризм предлагает другой ответ, ответ, который резонирует с Объяснение Келлера (2000) того, почему разговоры о генах полезны.

Было высказано предположение, что настоящая причина, по которой биологи на генах и ДНК заключается в том, что гены являются факторами, создающими различия, которые можно использовать отслеживать и управлять широким спектром биологических процессов (Уотерс 2004а и 2006).Эта научная практика имеет смысл независимо от любая фундаментальная теория, связанная с молекулярной генетикой. В этом случае молекулярной генетики, это исследовательская прагматика, а не фундаментальная теоретизирование, которое движет научными исследованиями. Достаточно базовой теории. объяснить исследовательскую полезность и результаты геноцентрированного подходит. Фундаментальная теория в важном смысле эпифеноменальный в отношении разработки и реализации геноцентрические исследования. С этой точки зрения роль фундаментальной теорию следует понимать в латуровских терминах (1987, 1988), как платформа для сплочения войск и привлечения ресурсов для исследований усилия.План лабораторных экспериментов и причина почему эксперименты работают, можно объяснить с точки зрения широкого исследовательские стратегии, базовая каузальная теория молекулярных генетика и детали экспериментального контекста.

Философия молекулярной генетики — это живая область исследований, которая отражает большую часть волнения и разнообразия в современном философия науки. Философы, изучающие смежные области генетики имеют разные философские интересы и принимают противоположные подходит.Некоторые философские исследования направлены на то, чтобы поставить науку прямо, в то время как другие исследования направлены на исправление нашего понимания науки. Некоторые философы используют традиционные методы философии. науки, например анализ концепций и моделей, в то время как другие разрабатывают новые философские подходы, опираясь на методы социальных наук, в том числе обзорные исследования. В то время как некоторые философы сосредотачивают свое внимание на фундаментальном теоретизировании, другие исследуют динамику эмпирического исследования.Исследования в философия молекулярной генетики также порождает новые идеи об основных понятиях общефилософского интереса, включая редукционизм, информация и причинность.

Как гены управляют производством белков? – Биологический колледж Маунт-Худ 102

Информация для производства белков хранится в ДНК организма. Каждый белок кодируется определенным участком ДНК, называемым геном . Ген — это участок ДНК, необходимый для производства одного белка.Гены обычно имеют длину в сотни или тысячи пар оснований, потому что они кодируют белки, состоящие из сотен или тысяч аминокислот.

Большинство генов содержат информацию, необходимую для создания функциональных молекул, называемых белками. Несколько генов производят другие молекулы, которые помогают клетке собирать белки. Путь от гена к белку сложен и строго контролируется в каждой клетке. Он состоит из двух основных этапов: транскрипции и трансляции. Вместе транскрипция и трансляция известны как экспрессия генов.

В процессе транскрипции информация, хранящаяся в ДНК гена , передается аналогичной молекуле, называемой РНК (рибонуклеиновая кислота), в ядре клетки. И РНК, и ДНК состоят из цепочки нуклеотидных оснований, но имеют несколько разные химические свойства. Тип РНК, который содержит информацию для создания белка, называется матричной РНК (мРНК), потому что он переносит информацию или сообщение от ДНК из ядра в цитоплазму.

Трансляция, второй этап перехода от гена к белку, происходит в цитоплазме.мРНК взаимодействует со специализированным комплексом, называемым рибосомой, который «читает» последовательность оснований мРНК. Каждая последовательность из трех оснований, называемая кодоном, обычно кодирует одну конкретную аминокислоту. Помните, что аминокислоты являются строительными блоками белков. Тип РНК, называемый транспортной РНК (тРНК), собирает белок по одной аминокислоте за раз. Сборка белка продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит стоп-кодон (последовательность из трех оснований, которая не кодирует аминокислоту).

РИСУНОК 1: Центральная догма – ДНК используется для производства РНК используется для производства белка

Поток информации от ДНК к РНК к белкам является одним из фундаментальных принципов молекулярной биологии.Она настолько важна, что ее иногда называют «центральной догмой».

 

Рисунок 2:  Более подробная информация о центральной догме. («Обзор белкового синтеза» Бекки Бун, лицензирован CC BY-SA 2.0)

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

«Что такое белки и что они делают?» Национальной медицинской библиотекой США находится в общественном достоянии

Уникально я – ключевые термины — Science Learning Hub

Что делает вас, вас и меня мной? Гены или среда? То, как мы выглядим и действуем, является результатом взаимодействия наших генов с окружающей средой.Даже однояйцевые близнецы с идентичным генетическим строением имеют уникальные фенотипы.

Этот ресурс содержит объяснения некоторых ключевых понятий, с которыми приходится сталкиваться при изучении того, что делает каждого из нас уникальным – «основы», которые должен понимать каждый учащийся.

ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой молекулу, которая содержит инструкции, необходимые для развития и функционирования организма. Эти инструкции хранятся в виде кода, состоящего из 4 химических оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т).

Ген

Сегмент молекулы ДНК (последовательность оснований), который кодирует определенный белок и определяет признаки (фенотип) индивидуума. Ген является основной единицей наследственности в живом организме.

Белки

Белки представляют собой молекулы, состоящие из аминокислот. Они кодируются генами и играют центральную роль в биологических процессах и составляют основу живых тканей. Ферменты, антитела и гемоглобин являются примерами белков. Некоторые белки играют более одной роли в организме, например когезиновые белки.

Геном

Полный набор генетического материала, обнаруженного в хромосомах вида. Например, у человека это примерно 3,1 миллиарда пар оснований ДНК, которые содержат 20–25 тысяч генов.

Хромосома

Структура, состоящая из ДНК и белков, содержащая гены. У человека 23 пары хромосом, которые находятся в ядре клетки.

Генотип

Генетический состав отдельного организма. Ваш фенотип является результатом взаимодействия между вашим генотипом и окружающей средой.

Фенотип

Наблюдаемые физические или биохимические характеристики отдельного организма, определяемые как генетической структурой, так и влиянием окружающей среды.

Экспрессия гена

Использование гена для получения белка. Включает транскрипцию последовательности ДНК в РНК и перевод РНК в аминокислотную последовательность (или белок).

Признак

Характеристика живого организма, например высота растения или цвет волос млекопитающего.

Аллель

Аллели представляют собой альтернативные формы одного и того же гена, занимающие одно и то же место на хромосоме. Различные аллели гена обычно выполняют одну и ту же функцию (например, они кодируют белок, влияющий на цвет глаз), но могут давать разные фенотипы (например, голубые глаза или карие глаза) в зависимости от того, является ли аллель доминантным или рецессивным.

Факторы окружающей среды

В этом случае факторы окружающей среды, которые могут повлиять на ваш фенотип, например, солнечный свет, питание или химические вещества.

Модельный организм

Модельный организм — это нечеловеческий вид, используемый учеными для лучшего понимания конкретных вопросов биологических исследований, например, рыбок данио и плодовых мушек.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.