C’è uno scambio molto confuso in Through the Looking Glass di Lewis Carroll:
“Quando uso una parola”, ha detto Humpty Dumpty, in tono piuttosto sprezzante, “significa proprio quello che scelgo di significare—né più né meno.”
Quando le persone usano la parola” gene ” è anche importante sapere cosa intendono significare. Il significato può dipendere dal fatto che si stia parlando di trasportare un gene, esprimere un gene, trasferire un gene o discutere di quanti geni abbiamo.,
Una ragione per cui la definizione è così confusa è che il termine è stato coniato nel 1909, prima che sapessimo davvero cosa fosse un gene. E gli effetti dei geni-caratteristiche ereditarie – sono stati osservati prima di capire i geni.
Con l’avanzare delle nostre conoscenze, la definizione della parola gene si è evoluta; e con tutte le informazioni del nuovo progetto ENCODE, la definizione deve essere nuovamente aggiornata. Per un eccellente riassunto accademico della definizione attuale vedere il recente documento e poster sulla rivista Genome Research.,
La base molecolare dell’eredità
Il monaco austriaco Gregor Mendel realizzò la prima genetica negli anni 1860 e mostrò che le caratteristiche erano ereditate.
Abbiamo sempre saputo che i semi di pisello crescono in piante di pisello, non in canguri. Cosa c’è di più, le piante con fiori rossi di solito hanno prole che hanno fiori rossi: i bambini assomigliano ai loro genitori.
Mendel mostrò che l’incrocio di un pisello rosso con un pisello bianco poteva dare origine a piselli che non erano rosa ma erano bianchi o rossi.,
A volte ci manca questo punto perché tutti abbiamo caratteristiche dai nostri due genitori, e molte caratteristiche sembrano fondersi. Ma Mendel ha mostrato che caratteristiche distinte potrebbero essere ereditate intatte e possiamo pensare a queste come ciascuna codificata da un gene.
Ma Mendel non ha mai usato la parola “gene”. Nemmeno Darwin. La parola gene fu usata per la prima volta nel 1909 dal botanico danese Wilhelm Johnannsen per riferirsi a “determinanti che sono presenti many molte caratteristiche dell’organismo sono specificate”.
Successivamente si è scoperto che, qualunque materiale portasse queste caratteristiche, era lineare, come una stringa. Nel 1915 il genetista americano Thomas Morgan scoprì che alcuni geni tendevano ad essere co-ereditati (le mosche potevano co-ereditare ali corte e occhi rossi insieme da un genitore, più spesso di ali corte e gambe corte).
Ha dedotto che questo potrebbe significare che alcuni geni erano vicini, proprio come perline su una corda.
È nata l’idea che il materiale genetico fosse lineare. Ma ancora non sapevamo cosa fosse.,
Nel 1940 il medico americano Oswald Avery ha dimostrato che un enzima che mastica il DNA, la DNasi, potrebbe distruggere i geni.
Finalmente sapevamo che il materiale genetico era il DNA.
Nel 1953 James Watson e Francis Crick, insieme a Maurice Wilkins, usando i dati di Rosalind Franklin, mostrarono che il DNA era stato trovato sotto forma di doppia elica. Il fatto che fosse doppio, con due fili corrispondenti, suggeriva come poteva essere replicato.
Prime definizioni di un gene
Ma cosa era esattamente un gene?, Crick ha spiegato come il DNA potrebbe essere ” trascritto “in RNA (acido ribonucleico) e l’RNA potrebbe essere” tradotto” in proteine. Pensate a una proteina come uno strumento biologico che fa qualcosa-cioè l’emoglobina che trasporta l’ossigeno nel sangue.
Questo ci ha dato la nostra prima definizione solida:
Un gene è un tratto di DNA che codifica un pezzo di RNA che codifica una catena di proteine.
I dettagli tecnici sono complessi ma immaginiamo come si potrebbe fare un’ascia metallica, o molti assi.,
Immagina un segmento di DNA impacchettato nella forma precisa di una testa d’ascia. Considera l’RNA che si annida e forma l’impressione di una testa d’ascia-quindi ora è come uno stampo o un cast.
L’RNA esce dal deposito del DNA – il nucleo – e si versa il ferro fuso. Si indurisce e ne esce una testa d’ascia. Avresti un altro stampo per la maniglia di metallo.
La testa e la maniglia dell’ascia rimbalzano nella cella, si trovano e si autoassemblano., Le modifiche post-traduzionali, simili all’affilatura, possono essere eseguite da altre macchine nella cella.
Se modelliamo molti assi allora diciamo che il gene è espresso ad alti livelli; se ci sono pochi o nessun asse, il gene è espresso ad un livello basso, o è silenzioso.
Possiamo usare l’analogia dell’ascia in un altro modo. Una definizione di un gene è una regione che rende uno strumento proteico. Ma ci sono molti geni del DNA che fanno RNA e il processo si ferma lì.,
Allo stesso modo, l’RNA per una testa d’ascia-o uno simile – potrebbe essere un supporto perfetto per un’ascia: non ha bisogno di continuare a fare l’ascia stessa.
Questo gene produrrebbe quello che viene chiamato un “RNA non codificante”-un RNA che ha una funzione in sé e non ha bisogno di codificare una proteina.
Le prime forme di vita probabilmente usavano l’RNA e se la cavavano senza proteine o DNA. I nostri più antichi strumenti cellulari-tRNA e rRNA-che lavorano sulla catena di montaggio, producendo proteine, non vengono mai tradotti in proteine.,
Più interessante, il lavoro recente, come il progetto ENCODE, suggerisce che abbiamo sottovalutato il numero di RNA non codificanti. Un problema, però, è che sembra esserci anche un RNA di rumore che probabilmente fa poco male ma non va bene, quindi non tutti gli RNA saranno funzionali. Non tutti i segmenti di DNA che codificano un RNA sono un gene.
In questa fase è importante sottolineare che, non ci sono calchi reali o ferro fuso, ma invece stringhe di blocchi Lego-like di forme diverse. Una sezione dei blocchi di DNA viene letta in blocchi di RNA.,
I blocchi di RNA vengono letti in 20 diversi blocchi di proteine che si piegano in base alla loro forma per creare, in questo caso, una maniglia d’ascia.
L’ascia in realtà non assomiglia affatto al DNA o all’RNA in forma; la sequenza dei blocchi Lego è dettata dalla sequenza nel DNA, tramite un codice speciale, chiamato codice genetico.
Finalmente una definizione
Ma ora abbiamo una definizione per un gene:
I geni sono tratti di DNA che hanno il potenziale per creare uno strumento o una caratteristica – come il colore rosso nel fiore del pisello.,
Il risultato è chiamato “fenotipo”, e il nostro “genotipo” (il nostro materiale genetico) più input ambientali creano il nostro fenotipo. L’Organizzazione della nomenclatura del genoma umano definisce un gene come “un segmento di DNA che contribuisce al fenotipo / funzione”.
Un gene è una sezione lineare di DNA – di un cromosoma – che contribuisce a una certa funzione all’organismo. Ci sono molti geni su ogni cromosoma umano – migliaia.
Ci sono anche regioni distanziali tra geni e persino all’interno di geni (introni) che possono o non possono fare nulla.
Alcuni lo fanno – la principale regione di controllo del gene (il promotore) si trova appena a monte o attorno al punto di partenza del gene; ma ci sono anche elementi di enhancer e silenziatore che possono essere posizionati a distanze molto grandi lungo il cromosoma e regolare il livello di espressione.
Non è chiaro se includere o meno le regioni di controllo come parte del gene., A rigor di termini, il gene è di solito solo la “parte codificante” – la muffa – ma le mutazioni nelle regioni di controllo possono essere altrettanto dannose di quelle nella muffa stessa.
Quindi una buona definizione di un gene è l’intera regione del DNA necessaria per la sintesi di un RNA o di una proteina funzionale.
All’inizio, si pensava che ogni gene producesse uno strumento proteico, ma possiamo usare la nostra analogia dell’ascia per spiegare come un gene può produrre più di una proteina o strumento.,
Il gene della maniglia dell’ascia potrebbe essere “impiombato” – un processo in cui i bit vengono tagliati dalla trascrizione dell’RNA prima che venga tradotto in proteine. In questo modo potremmo produrre un manico corto per fare un tomahawk o un’ascia invece di un’ascia a grandezza naturale.
La quantità di splicing alternativo negli esseri umani è ampia e in genere diversi prodotti genici sono fatti da ciascun gene.
La definizione post-CODIFICA suggerita di un gene è:
Un’unione di sequenze genomiche che codificano un insieme coerente di prodotti funzionali potenzialmente sovrapposti.,
Perché avremmo evoluto un gene per il cancro?
Ora possiamo anche spiegare cosa significa per una pianta portare il gene per i fiori rossi – può significare che la pianta ha un tratto di DNA che codifica un enzima (uno strumento proteico che catalizza reazioni chimiche) per creare un pigmento di colore rosso.
Ma c’è un gene per i fiori bianchi? Potrebbe esserci solo un errore nel gene del fiore rosso in modo che l’enzima non funzioni più, quindi i fiori non hanno colore.,
Questo spiega anche la confusione tra la descrizione del gene in termini di strumento che produce o l’effetto finale di quello strumento.
Cosa significa portare il gene per il cancro al seno? Ciò non significa che un gene speciale si è evoluto ed è là fuori con la funzione di causare il cancro al seno.
Significa che un gene coinvolto nel limitare il raddoppio cellulare nel tessuto mammario o nel mantenimento del DNA è mutato e non funziona più. Quindi la probabilità di un cancro in crescita è aumentata. Il gene predispone il vettore al cancro – non lo causa.,
Il gene per l’emofilia non è lì per causare sanguinamento: è un gene che, quando mutato, provoca un fattore di coagulazione difettoso e il sanguinamento è il risultato.
Ci sono diversi geni per il cancro al seno e ci sono due geni comuni per l’emofilia. Proprio come mutare il gene della testa dell’ascia o il gene della maniglia dell’ascia causerebbe il fallimento dell’ascia, molte proteine biologiche lavorano insieme o in percorsi e rompere qualsiasi anello della catena può avere risultati seri.,
La cosa più confusa è che il “gene per il cancro al seno” può avere una relazione molto indiretta con la biologia del seno.
Se le persone fossero pianeti e uno avesse una mutazione nel suo gene della maniglia dell’ascia, un biologo molecolare osserverebbe che non c’erano assi funzionali sul pianeta, ma un genetista avrebbe notato per la prima volta che il mondo era coperto di alberi.
Il gene non sarebbe chiamato il gene ascia, ma sarebbe prima notato come il gene per fare le foreste., Sarebbe solo più tardi che qualcuno avrebbe mappare il gene, clonarlo e scoprire che cosa ha codificato e come il suo prodotto ha funzionato.
Quanti geni abbiamo?
Non sappiamo ancora quanti geni abbiamo per certo. Una famosa lotteria è stata effettuata quando il genoma umano – tutto il nostro DNA-è stato sequenziato per la prima volta, e le stime erano alte come 100.000. Ma ora pensiamo che il numero sia molto inferiore.
Si possono individuare molti geni dal computer poiché hanno alcune caratteristiche chiave – un RNA viene letto da loro e il codice genetico si traduce in una proteina di lunghezza ragionevole., Ma è difficile identificare geni brevi e geni funzionali di RNA non codificanti.
Ci sono probabilmente circa 20.000 geni che codificano le proteine e forse altrettanti che codificano gli RNA funzionali. Non conosciamo il numero preciso perché è molto difficile essere sicuri di quali segmenti di DNA vengono letti in prodotti funzionali. Non lo sapremo a meno che non siano mutati.,
E questo è un esperimento che nessuno farà sugli esseri umani, anche se, man mano che le nostre informazioni sulle popolazioni umane esistenti e su altre specie aumentano, siamo sicuri di migliorare la nostra conoscenza del vasto paese delle meraviglie genomiche e di scoprire nuovi geni che non sapevamo fossero lì.
