Gén A gének olyan nukleinsav-szakaszok a sejtek magjainak kromoszómáiban, melyek a szervezet működését és növekedését befolyásoló fehérjék szabályozásához és előállításához szükséges információkat tartalmazzák. A géneket az utódok szüleiktől öröklik a szaporodási folyamat során. A gén szó a görög genos (eredet) szóból ered, és számos tudományág használja, beleértve a klasszikus genetikát, molekuláris genetikát, populációs genetikát és az evolúcióbiológiát is. Az élővilág genetikai anyaga nagyrészt a DNS molekulára épül, bizonyos vírusok azonban RNS-t használnak ugyanebből a célból. Az alábbiakban az egyszerűség kedvéért általában DNS-ről fogunk beszélni mint örökítőanyagról. A DNS-t használó élőlények ugyanakkor szintén RNS-t használnak a génkifejeződési folyamatokban, ezek az úgynevezett messenger RNS-ek, mrns-ek, riboszomális rrnsek és a transzfer RNS-ek, trns-ek. A DNS-nek mint genetikai anyagnak a leírása, a biotechnológia fejlődése és a humán genom feltérképezésének sikerei miatt az egyre gyakrabban használt gén szó pontos meghatározása a molekuláris biológiára hárult. Molekuláris biológiai értelemben a gén a DNS olyan része, amelyet a sejt mrns-be ír át, majd a fehérjeszintézis (transzláció[1]) során, annak egy részéből származó információ alapján, fehérjét készít. A mindennapi beszédben a gént általában valamilyen öröklött betegséggel vagy állapottal hozzák összefüggésbe, mint például az elhízást okozó gén. A biológusok azonban allélekre, mutációkra hivatkoznak, amelyek kapcsolatban állnak az elhízással. Az eltérő álláspont oka az, hogy a biológusok tudják: a géneken kívül számos tényező játszik szerepet abban, hogy az egyén elhízik-e vagy sem. Ilyenek a születés előtti állapotok, metabolikus zavarok, a kulturális környezet, táplálkozás stb. Valójában ritka, hogy egy gén önmaga határoz meg egy tulajdonságot. A legtöbb esetben a gén (illetve több gén) és a környezeti hatások közötti szoros összhang játszik ebben szerepet. Ennek az összhangnak az eredményét nevezzük fenotípusnak.
I. A sejttől a génekig A DNS molekula két cukor-foszfát láncból és az ezeket összekapcsoló bázispárokból áll. A négyféle bázis: adenin, citozin, guanin, timin. Adeninnel szemben mindig timin, guaninnel szemben mindig citozin található. Előbbi kapcsolódást kettő, utóbbit három, ezáltal erősebb hidrogénkötés hoz létre. A két összeillő (komplementer) szál közül általában csak az egyikről történik RNS-átírás. Ezt értelmes (sense) szálnak nevezzük, a másik az antisense szál. Az értelmes szálon három bázis alkot egy tripletet, mely meghatároz egy aminosavat. Könnyen kiszámolható, hogy 4-fajta bázis 4³ = 64-fajta tripletet képes alkotni, ami jóval több, mint a 20-fajta esszenciális, azaz az élethez elengedhetetlen aminosavak száma. Ennek magyarázata, hogy egy duplett (két bázis) csak 16 aminosavat tudna kódolni, ami nem elég. Ugyanakkor 3-fajta bázispár egy tripletben 27-fajta aminosavat tudna lekódolni. Hogy miért van mégis 4-féle, annak oka az élet eredetének és az átírási folyamatok hatékonyságának vizsgálatában keresendő. Valószínű válasznak tekinthető a DNS gyakran bekövetkező károsodása, melynek érdekében fejlett helyettesítő mechanizmus alakult ki. Azaz, ha egy aminosavat kódoló tripletben egy bázis megváltozik, attól némi eséllyel még ugyanaz az aminosav fog a fehérje megfelelő részébe kerülni, elkerülve ezzel a funkcióját betölteni nem képes fehérjetermék keletkezését. A tripletet, azaz az aminosav-kódoló szótár egy szavát kodonnak nevezzük. Egy gén számos tripletet tartalmaz: annyit, ahány aminosavból fog állni a gén által kódolt fehérje, ráadásul még néhányat, melyek a szabályozásban vesznek részt. Az aminosavakat egyedien kódoló három bázispáros szakaszok egy-két kivételtől eltekintve (lásd mitokondriális genetika) az élet összes formájában megegyeznek. A fehérjék szintézise folytán, a gének irányítják azt a sejtet, melyben megtalálhatók, pontosabban amelyben aktiválódnak. Ugyanis a szervezet összes sejtje ugyanazzal a genetikai információval rendelkezik. A differenciáció[2] (specializálódás) folyamata határozza meg, mely sejtekben mely gének lépnek működésbe, fejtik ki hatásukat azáltal, hogy bizonyos funkciót ellátó fehérjék szintézisét vezérlik. Egy már kialakult szövet sejtjeiben azok a gének, melyek csak más szövetekben játszanak szerepet, inaktív állapotban vannak jelen. (I.1.) A gének tulajdonságai Köszönhetően a spontán mutációknak, a gének szekvenciái megváltozhatnak. Ha ez a változás továbbadódik a következő generációnak, ez egy populáción belül az egyedek közti különbségekhez fog vezetni. Egy gén variációi az allélek, amelyek közötti eltérések eltérő jegyeket, például szemszínt eredményeznek. A legelterjedtebb allélt vad típusúnak, a ritkábbakat mutáns alléleknek nevezzük. Az allélek szinergistaként vagy antagonistaként együttesen alakítják ki az adott egyedre jellemző fenotípust. Általában az mrns a gén és a transzlálódó fehérje közötti termék. Néhány génnek azonban maga az mrns a végterméke. Ilyenek a ribozimok (enzimaktivitással rendelkező RNS-molekulák), melyeknek nagy jelentőséget tulajdonítanak az élet megjelenésében (l. Az élet eredete). Az élőlények hordozzák génjeiket, és DNS-ként örökítik tovább őket, de bizonyos vírusok RNS-t hordoznak. Erre azért van szükség, mert így nem veszítenek időt a transzkripcióval[3] a gazdaszervezetbe kerülésükkor, hanem azonnal szintetizálhatják fehérjéiket. Másrészt az RNS retrovírusok, mint az AIDS kórokozója (HIV), reverz transzkripciót[4] használnak RNS-üknek DNS-be való írásához.
(I.2.) A gének nevezéktana Minden génhez a HUGO Gene Nomenclature Committee (HGNC) rendel egy szimbólumot, amely lehetővé teszi a gének megkülönböztetését. Ez egyszerűsíti az elektronikus adatok felhasználását és az eltérő fajok közös génjeinek megnevezését. A szimbólumokat megtalálhatjuk a Genew címen. Azaz a géneket vagy egy fantázianév, szimbólum, vagy a kromoszómán (például humán gének esetében) való elhelyezkedése alapján nevezik el. (I.3.) A gének számának váltakozása A következő táblázat különböző szervezetek génkészletét, bázispárjaik számát adja meg. Nehéz ezt megbecsülni, ugyanis a nem-kódoló vagy ismeretlen funkciójú szekvenciák hovatartozása kérdéses. A táblázatból azonban az a következtetés vonható le, hogy a gének száma és a bázispárok mennyisége, illetve az adott faj evolúciós sikere, fejlettsége között nincs egyértelmű összefüggés. (II.1.) Funkció II. A gének funkciói és a génkifejeződés Az aminosavakat kódoló géneken kívül nagy százalékban nem-kódoló szekvenciák találhatók. Ezt hulladék DNS-nek nevezzük. Ezek ismétlődő, ismeretlen funkciójú vagy nem-kódoló szakaszok. Az eukarióták génjei nem kódoló intronokból és az információt hordozó exonokból állnak. Az intronok a transzkripciót követően kerülnek kivágásra; ezt a folyamatot splicingnak[5] nevezzük. A gének, a szabályozó régiók és a hulladék-dns együttesen alkotják egy élőlény genomját, amely a legtöbb fajban kromoszómákra van osztva. Egy gén helye a genomban, a kromoszómán a lokusz. Ha két különböző gén egymáshoz közel helyezkedik el ugyanazon kromoszómán, akkor valószínűleg hasonló funkciójú fehérje termeléséért felelősek. Erre jó példa az Y kromoszóma, melyen az összes, spermatogenesishez (spermiumtermeléshez) szükséges gén megtalálható. Számos faj genomjának két kópiáját hordozza testi (szomatikus) sejtjeiben, ezért diploidnak nevezzük őket. Ha ennél több kópia van jelen, poliploidiáról, ha ivari (germinális) sejtek genomjáról van szó, haploidiáról beszélünk. (II.2.) Génkifejeződés (génexpresszió) A DNS és a fenotípus közötti kapcsolat nem közvetlen: más DNS-szakaszok befolyásolhatják a folyamatot. A transzkripcióra (átírásra) kerülő DNS egy starthely, a promóter és egy stopkodon között helyezkedik el. Ha ezek nem megfelelő helyzetben találhatók, akkor beszélünk hulladék DNS-ről. A sejtek azáltal szabályozzák a gének aktivitását, hogy növelik vagy csökkentik az adott gén transzkripcióját, amit fehérjéken, transzkripciós faktorokon keresztül valósítanak meg, melyek a nem-kódoló szakaszok megfelelő részeihez képesek kapcsolódni. A szövetek sejtjei egymással vagy más szövetek sejtjeivel sokszor szintén génműködés-szabályzó molekulák révén kommunikálnak. A DNS-t el is lehet halkítani (silencing), DNS-metilációval vagy a DNS-t körülvevő hisztonfehérjék kémiai módosításaival.
Az RNS gyakran átszerkesztődik (RNS editing), mielőtt még fehérjévé transzlálódna. Az eukarióta sejtek kivágják az intronokat, hiszen csak exonok íródhatnak át. Mivel az intronok többféleképpen vágódhatnak ki, eltérő termékek keletkezhetnek (alternativ splicing[6]). Prokariótákban hasonló eredménnyel jár transzláció közben a tripletek olvasási keretének (más néven reading frame) eltolódása, mely átfedő géneket is eredményezhet. Az RNS fehérjévé történő transzlációja is csak rá jellemző start- és stop-parancs közé van zárva. Az elkészített fehérje kölcsönhatásba kerül a sejt más fehérjéivel, melyek végül kialakítják az adott jelleget.
TARTALOMJEGYZÉK I.A sejttől a génekig...2 (I.1.)A gének tulajdonságai...2 (I.2.)A gének nevezéktana...3 (I.3.)A gének számának váltakozása...3 II.A gének funkciói és a génkifejeződés...3 (II.1.)Funkció...3 (II.2.)Génkifejeződés (génexpresszió)...3