Hvað er gen?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað er gen?
Upphafsmaður erfðafræðinnar, Gregor Mendel (1822-1884), rannsakaði erfðir vissra einkenna hjá baunaplöntum (Pisum sativum). Hann skýrði niðurstöður tilrauna sinna með því að einkennin væru ákvörðuð af eindum sem erfðust með reglubundnum hætti. Mendel skrifaði á þýsku og nefndi þessar eindir einfaldlega Elemente. Niðurstöður Mendels voru grafnar úr gleymsku um aldamótin 1900 og eindakenning hans hafin til vegs og virðingar. Árið 1909 gaf danski erfðafræðingurinn Wilhelm L. Johannsen (1857-1927) eindunum nafnið gen. Orðið hefur fyrir löngu verið tekið upp í íslensku og er almennt notað þótt ýmsar þýðingartilraunir hafi verið gerðar.

Eftir aldamótin 1900 var staðfest að túlkun Mendels hefði almennt gildi en hins vegar ríkti óvissa um eðli erfðaeindanna. Um og upp úr 1910 tókst Thomas Hunt Morgan (1866-1945) og samstarfsmönnum hans við Columbia-háskólann í New York að staðsetja gen á litningum í frumukjörnum. Þeir notuðu ávaxtafluguna (Drosophila melanogaster) til tilrauna sinna. Sumir þekktir erfðafræðingar, til dæmis Johannsen, voru í fyrstu tregir til að taka mark á niðurstöðum Morgans. Þeir höfðu ekki hugsað sér genin sem efniseindir sem svo auðveldlega mætti staðsetja í frumu, heldur ef til vill fremur sem efnaferla eða skipulag innan frumu.

En niðurstöður Morgans voru brátt staðfestar með tilraunum á ýmsum dýrum og plöntum. Ljóst varð að gen geta tekið breytingum. Slíkar breytingar voru nefndar stökkbreytingar (e. mutations) einu nafni enda þótt margar þeirra hefðu aðeins óveruleg áhrif á einkenni eða eiginleika lífvera. Einnig kom fram að við rýriskiptingu skiptast samstæðir litningar á efni og menn notfærðu sér slík litningavíxl til þess að ákvarða röð gena á litningum.

En úr hvaða efni gátu genin verið gerð? Mönnum varð brátt ljóst að aðalefni litninga er annars vegar kjarnsýran DNA og hins vegar prótín. Flestum þótti sennilegt að gen væru gerð úr prótínum. Menn þekktu hvötunarvirkni prótína og mikla fjölhæfni. Kjarnsýran þótti ólíklegri til að geta borið erfðaboð á milli kynslóða en í raun vantaði mikið á að bygging hennar væri kunn. Einnig var hugsanlegt að gen væru einhvers konar samband prótíns og kjarnsýru.

Ekki skildu menn heldur hvernig gen færu að því að móta einkenni frumu og lífveru. Það var ekki fyrr en um 1940 að sterkar vísbendingar um lífefnafræðilegt hlutverk þeirra fóru að koma fram. Á þeim árum gerðu Bandaríkjamennirnir George W. Beadle (1903-1989) og Edward L. Tatum (1909-1976) tilraunir með sveppinn Neurospora crassa sem sýndu glöggt að stökkbreytingar í genum höfðu áhrif á virkni prótína (ensíma). Einfaldasta túlkunin á niðurstöðum þeirra félaga var sú að gen réðu sérhæfni prótína og að hverju geni samsvaraði eitt prótín. Hins vegar var óljóst hvernig þetta gæti gerst.

Árið 1944 birti örverufræðingurinn Oswald T. Avery (1877-1955) og samstarfsmenn hans við Rockefeller-stofnunina í New York niðurstöður tilrauna með bakteríuna Streptococcus pneumoniae. Þeir sýndu fram á að DNA sem einangrað hafði verið úr ákveðnum stofni bakteríunnar gat valdið arfgengri breytingu á öðrum stofni hennar. Þetta benti eindregið til þess að DNA væri í raun erfðaefni bakteríunnar en efasemdarmenn töldu að ögn af prótíni gæti verið í DNA-sýnunum sem notuð voru og valdið breytingunni. Málið þótti því ekki útkljáð.

Árið 1952 leiddu bandarísku vísindamennirnir Alfred. D. Hershey (1908-1997) og Martha Chase (1930-2003) sterk rök að því að erfðaefni bakteríuveirunnar T2 væri DNA og létu þá margir sannfærast um að DNA gegndi almennt hlutverki erfðaefnis. Næsta ár birtu James D. Watson og Francis Crick svo líkan sitt af DNA-sameindinni sem í hugum flestra tók af allan vafa um að þessi sameind væri erfðaefni allra lífvera, að gen væru gerð úr kjarnsýru og engu öðru.

Á næstu árum varð ljóst hvernig DNA ákvarðar gerð prótínsameinda, þó ævinlega með RNA-afrit af geninu (mRNA) sem millilið. Ákveðin samsvörun fannst milli raðar kirna í kjarnsýru gens og raðar amínósýra í prótíni. Einnig kom fram að aðrar RNA-sameindir, rRNA og tRNA, eru nauðsynlegar til þess að prótínsmíð geti farið fram. Ákveðin samsvörun fannst milli raðar kirna í kjarnsýru gens og raðar amínósýra í prótíni. Eftir þessar uppgötvanir lá beint við að skilgreina genið sem þá röð kirna í kjarnsýrusameind litnings sem ákvarðar gerð einnar peptíðkeðju (prótín eru sett saman úr einni eða fleiri peptíðkeðjum sem geta verið ólíkar) eða gerð sjálfstætt starfandi RNA-sameindar.

Ekki fengu erfðafræðingar lengi að vera í friði með svo einfalda skilgreiningu á genhugtakinu. Upp úr 1960 varð ljóst að fyrir framan gen baktería eru stjórnraðir sem ýmist eru bráðnauðsynlegar fyrir umritun genanna yfir í RNA (stýrlar) eða ráða því við hvaða skilyrði gen eru umrituð (stillar). Síðar fundust öllu margbrotnari stjórnraðir við gen heilkjörnunga (sveppa, plantna og dýra) sem geta jafnvel verið í allmikilli fjarlægð frá genunum.

Ýmis stjórnprótín geta tengst stjórnröðum gena. Starfsemi þeirra verður því í raun háð afurðum annarra gena auk þess sem smásameindir og ýmsir umhverfisþættir geta haft áhrif á tjáningu þeirra. Genin eru því ekki jafn sjálfstæðar einingar erfðaefnisins og flestir höfðu hugsað sér áður fyrr. Ekki eru menn á eitt sáttir um hvort stjórnraðir rúmist innan genhugtaksins.

Enn vandaðist málið á 8. og 9. áratug aldarinnar þegar menn komust að því að í mörgum genum heilkjörnunga eru svonefndar innraðir (e. introns) sem ákvarða ekki amínósýruröð neinna prótína. Táknröð gensins er þá í bútum (e. exons). Innraðirnar eru umritaðar ásamt táknröðunum yfir í RNA en eru síðan klipptar burt. Jafnframt eru táknraðabútar splæstir saman og mynduð mRNA-sameind sem notuð er við prótínsmíð. Í geni geta verið margar innraðir, stundum tugir þeirra.

Hér hefur verið talað um innraðir sem hluta af genum og flestir geta sætt sig við það. En ekki er öll sagan sögð því þetta skipulag býður upp á það að táknraðabútar geti verið splæstir saman á mismunandi hátt. Segjum sem svo að í geni séu táknraðirnar ABCDEF með innröðum á milli. Hugsanlegt væri þá að myndaðar væru mRNA sameindirnar ABCEF, ACDEF, ABCDF og svo framvegis. Prótín sem genið ákvarðar yrðu að sama skapi ólík hvert öðru en hefðu væntanlega öll skylda virkni. Staðfest hefur verið að mismunandi splæsing er býsna algeng, til dæmis í frumum mannsins, og eykur það mjög á fjölbreytni prótína. Oft eru ólík prótínafbrigði framleidd í mismunandi vefjum líkamans. Hin einfalda skilgreining á geninu sem áður var nefnd á greinilega ekki við þessi gen.

Gen geta því birst í öðrum myndum en menn hafði órað fyrir og erfitt er nú að hemja þau öll innan einfaldrar skilgreiningar. Sumir hafa jafnvel gengið svo langt að leggja til að gera genhugtakið útlægt úr erfðafræðinni. Flestir erfðafræðingar munu þó hallast að því að það sé enn gagnlegt og muni lifa áfram í erfðafræðinni.

Ef tekið er saman það sem hér hefur verið sagt um genið má segja að það sé starfseining í kjarnsýruröð litnings sem tengd er stjórnröðum, er umrituð yfir í RNA og ræður gerð einnar eða fleiri peptíðkeðja eða sjálfstætt starfandi RNA sameindar.

Heimildir:

• Keller, E.F. 2000. A Century of the Gene. Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts.
• Lewin, B. 2000. Genes VII. Oxford University Press, Oxford.
• Morange, M. 2001. The Misunderstood Gene. Harvard University Press, Cambridge, Massachusettts.

...