Was Ist ein Gen?
Larry Moran
Professor in the Department of Biochemistry at the University of Toronto.
http://sandwalk.blogspot.com/2007/01/what-is-gene.html


Das Konzept eines Gens ist ein wesentlicher Teil der Felder der Genetik, Molekularbiologie, Evolution und dem ganzen Rest der Biologie. Gen Konzepte lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: abstrakte und physische. Abstrakte Gene sind solche Gene, die wir meinen, wenn wir von Genen für ein bestimmtes Merkmal reden, darunter viele genetische Krankheiten. Die meisten Genetiker und viele Evolutionsbiologen verwenden ein abstraktes Gen-Konzept.

Die Philosophen haben den Begriff "Gen-P" für den abstrakten Begriff Gen geprägt. Das "P" steht für "Phänotyp" und weist darauf hin, dass dieses Gen durch seine phänotypische Auswirkungen ein Gen-Konzept definiert und nicht seine physikalische Struktur.

Physikalische Gene bestehen aus DNA- Strängen mit einem Anfang und einem Ende. Dieses sind molekulare Gene, die geklont und sequenziert werden können. Philosophen nennen sie "Gene-D", wobei "D" für "Entwicklung" steht, eine sehr unglückliche Wahl.

Dieser Aufsatz beschreibt die verschiedenen modernen Definitionen der physikalischen Gene (Gen-D). Ich mag die Definition eines Genes als „eine DNA Sequenz, die transkribiert wurde“, aber das ist ein bißchen zu kurz für eine formale Definition. Wir brauchen etwas, dass die Definition von Genenauf die Entitäten beschränkt, die biologisch bedeutsam sind. Daher:


Ein Gen ist ein DNA-Sequenz, die transkribiert wird, um ein funktionsfähiges Produkt zu produzieren.

Dadurch entfallen die Teile des Chromosoms, die durch Unfall oder Fehler transkribiert werden. Diese Regionen sind in großen Genomen von Bedeutung, und in der Tat ist die Verwechslung zwischen zufälligen Transskripten und realen Transskripten für die Überbewertung der Gen-Zahl in vielen Genom-Projekten verantwortlich. (Technisch gesprochen, die meisten ESTs sind Artefakte, und ihre Sequenzen stammen nicht von Genen.)

Wir könnten die Definition verfeinern, indem wir die RNA Gene einbeziehen, aber das ist ein derart unbedeutender Prozentsatz aller Gene, dass die Verfeinerung kaum der Rede wert ist. Wie wir sehen werden, gibt es weit bedeutendere Einschränkungen dieser Definition.

Dieses "DNA-Sequenz, die transskibiert wurde" Definition beschreibt eine physikalische Entität. Lassen Sie uns ein einfaches molekularen Gen betrachten, um zu sehen, wie die Definition zutrifft.

Bild 1

Dies ist ein einfaches bakterielles Protein-kodierendes Gen. Die horizontale Linie entspricht einer Strecke von doppelsträngiger DNA, wobei das rechteckige Teil das Gen ist. Das Gen ist in RNA kopiert, wie durch den Pfeil unter dem Gen angezeigt wird. Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet. Transkription beginnt, wenn das Transkription Enzym (RNA-Polymerase) sich an eine Promotor-Region (P) anbindet und mit dem Kopieren der DNA anfängt, beginnend an der Initiationsseite (i). Die DNA ist kopiert, wenn die Terminationsseite (t) am Ende des Gens erreicht wird. Nach meinen bevorzugten Definition eines Gens beginnt es bei "i" und endet mit "t" .

Der Teil des Gens, der transskribiert wurde, schließt das Ende der kodierenden Region ein, was in schwarz dargestellt wird. Dies ist der Teil des Gens, der sequentielle Codons enthält, welche die die Aminosäure-Frequenz des Proteins spezifizieren. Der Anfang des Gens, genannt das 5 (5-prime) Ende, gibt es ein kurzes Seuqenz-Stück, welches in das Protein transskribiert jedoch nicht translatiert wird. Diese 5- untranslatierte Region (5 UTR) enthält verschiedene Signale für den Beginn der Proteinsynthese.

Das andere Ende des Gens wird das 3 (3-prime) Ende genannt und es gibt da fast immer eine Strecke, die transskribiert, aber nicht translatiert (3 UTR) wird. Das 3-UTR enthält Signale, die das Ende der Transkription veranlassen und auch Signale, die die Translation zu regeln.

Es gibt Regionen dem Promoter vorgelagerte Regionen, die kontrollieren ob ein Gen transskribiert wird. Diese Regionen werden regulatorische Regionen genannt. Sie können Bindungsstellen für verschiedene Proteine enthalten, die dort andocken, um die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor zu verbessern. Einer der Unterschiede zwischen meiner bevorzugte Definition eines Gens und anderen besteht darin, dass einige andere Definitionen den Promoter und die regulatorische Region mit umschließen.

Es gibt zwei Probleme mit solchen Definitionen. Erstens, sie sind nicht im Einklang mit dem üblichen Gebrauch, wenn wir über die Regulation der Genexpression sprechen. Wir sagen nicht, dass nur ein "Teil" eines Gens transkribiert wird, was richtig wäre, wenn wir die regulatorischen Region in unsere Definition eines Gens einschließen. Wie oft haben wir jemanden sagen hören, dass regulatorische Sequenzen die Ausprägung eines Teils des Gens kontrollieren? Das macht keinen Sinn.

Zweitens wird durch die Einbeziehung regulatorischer Sequenzen in die Definition eines Gens das tatsächliche Ausmaß des Gens unscharf. Von den meisten Genen wissen wir nicht, wo sich alle die regulatorischen Sequenzen befinden, so dass wir nicht sicher wissen, wo das Gen beginnt oder endet.

Darüber hinaus gibt es einige regulatorische Sequenzen, vor allem bei Eukaryonten, die nicht mit dem Gen zusammenhängen, und dies führt zu "Genen", die in verschiedene Teile gespalten sind. Es ist viel einfacher, eine Definition wie "eine DNA-Sequenz die transskribiert ist“ zu verwenden, weil dies einen Anfang und ein Ende definiert.

Die Organisation eines typischen eukaryotischen Gens wird unten gezeigt.

Bild 2

Der wesentliche Unterschied zwischen dieser Genart und einem typischen bakteriellen Gen ist das Vorhandensein von Exons und Introns. Diese Gene werden genau wie bakterielle Gene von einer Initiationsseite bis zu einer Terminationsseite transskribiert. Wenn das RNA-Transkript fertig ist erfolgt ein weiterer Schritt, genannt RNA-Prozessierung. In diesem Schritt werden die Teile des ursprünglichen Transskripts ausgespleißt und verworfen. Diese Teile entsprechen den Introns im Gen-und wird als dünner rechteckiger Bereich auf dem Gen gezeigt.

Beachten Sie, dass die kodierende Region (schwarz) von diesen Introns unterbrochen werden können, so dass die letzte Boten-RNA (mRNA) erst übersetzt werden kann, wenn die RNA-Prozessierung abgeschlossen ist. Der wichtige Punkt für unsere Zwecke besteht darin, dass die Introns Teil des Gens sind, da sie transkribiert werden.

Meine bevorzugte Definition wurde von Molekularbiologen seit vielen Jahrzehnten benutzt, aber es gibt mehrere andere Definitionen, die über die Jahre populär gewoeden sind. Alle von ihnen haben ihre Vorteile und Nachteile. Ich habe schon mit der Definition, welche regulatorische Regionen umfasst, gearbeitet.

Einige Leute ziehen noch immer ein Gen-Definition vor, die einer Definition entspricht, die vor mehr als einem halben Jahrhundert verwendet wurde; nämlich ein Gen ist eine Sequenz, die ein Polypeptid kodiert. Dies ist die so genannte „Ein-Gen: ein Protein Definition“. Sie ist sehr altmodisch. Wir wissen seit Jahren, dass es Gene gibt, die keine Proteine kodieren, trotz der Tatsache, dass wir üblicherweise Protein-codierende Gene zeigen, wenn wir typische Gene beschreiben. (Wie ich oben.) Es sind die Gene für Transfer-RNA (tRNA), Gene für ribosomale RNA und die Gene für eine große heterogene Gruppe von kleinen RNAs. Keines von ihnen hat kodierende Regionen. Das Transskript ist das funktionale Produkt, oft nach der RNA-Prozessierung.

Da diese altmodische Definition selten verwendet wird, stellen die Beispiele für alternatives Spleißen, was verschiedene Proteine produziert, kein Problem für moderne Definitionen dar. Diese modernen Definitionen beziehen sich auf das Transskript als wichtiges Produkt und nicht auf das Protein.

Es gibt in der Biologie Ausnahmen zu jeder Allgemeinheit. Hier folgt eine kurze Liste von Gen-Beispielen, die nicht meiner bevorzugten Definition entsprechen.

Operons: In einigen Fällen werden angrenzende "Gene" gemeinsam transkribiert zu einem großen Initial-Transskript mit mehreren kodierenden Regionen transskribiert. In anderen Fällen ist das primäre Transkript anschließend gespalten, um mehrere funktionelle RNAs zu produzieren. In diesen Fällen macht es keinen Sinn, sich auf die „co-transskribierenden Gene“ als auf ein „einzelnes Gen“ zu beziehen. Stattdessen identifizieren wir den Abschnitt der DNA, der einer einzelnen funktionellen Einheit entspricht, als "Gen." Daher enthält das lac-Operon drei "Gene" und die ribosomalen RNA Operons enthalten zwei, drei oder vier Gene.

Trans-Spleißen: Es gibt Beispiele von "Genen", die in Stücke aufgespleißt werden. Das Transskript eines Stückes wird dem Transskript eines anderen hinzugefügt um eine funktionelle RNA zu produzieren.

Überlappende Gene: Einige "Gene" überschneiden sich. Dies bedeutet, dass ein einzelner DNA-Abschnitt Teil von zwei, und in mindestens einem Fall von drei Genen, werden kann.

RNA-Editierung: In einigen Fällen wird das primäre Transkript umfassend bearbeitet, bevor es funktionell ist. In den extremsten Fällen werden Nukleotide eingefügt und gelöscht. Das bedeutet, dass der Informationsgehalt des "Gens" nicht ausreicht, um ein funktionsfähiges Produkt zu gewährleisten und dass die Unterstützung anderer "Gene" erforderlich ist.

(Übersetzung Peter Franz Schaffarth)

1 molekulares Gen

2 eukariotisches Gen