Eines der Genreiche: der lang erwartete "C-Position Big Shot" - Gen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Lei

Hersteller: China Science Expo

Im Prolog haben wir die erste Erforschung des genetischen Materials vorgestellt. Mehrere Wissenschaftler haben durch drei Experimente bewiesen, dass Nukleinsäure genetisches Material ist. Mendel, ein Genie, schlug auch direkt die Existenz genetischer Faktoren vor und erforschte die Gesetze der Genetik.

Sind genetisches Material und Gene also dasselbe? Was verstehen wir über Gene? Heute werden wir über das Thema Gene sprechen.

Gene – der Kern des Erbguts

Nachdem wir nun verstanden haben, dass Nukleinsäure genetisches Material ist, können wir zu unserer ursprünglichen Frage zurückkehren: Was ist ein Gen?

Aufgrund einfacher biochemischer Kenntnisse wissen wir, dass die Grundzusammensetzung von Nukleinsäuren sehr einfach ist und aus vier Nukleotiden besteht, nämlich Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C). Die Kombination dieser vier bildet unser genetisches Material DNA.

Nukleotide

(Bildquelle: Wiki)

Die stickstoffhaltigen Verbindungen, die Nukleoside bilden, werden Basen genannt. Dieser Teil kann in vier Typen unterteilt werden: ATGC entsprechend spezifischer Unterschiede. Als nächstes folgt die Struktur, die aus Zucker- und Phosphatgruppen besteht. Dieser Teil der Struktur ist bei der DNA genau derselbe, außer dass er aufgrund des unterschiedlichen Sauerstoffgehalts des Zuckers in Desoxyribose (DNA-Rückgrat) und Ribose (RNA-Rückgrat) unterteilt wird.

Es stellt sich jedoch eine andere Frage: Was für eine Kombination sind diese A, T, G und C und welche Bedeutung haben sie? Sind es zufällige Kombinationen oder gibt es ein Muster? Wie werden ihre spezifischen Informationen in die Merkmale umgewandelt, die wir beobachten? Welche Teile der DNA stehen im Zusammenhang mit den Unterschieden zwischen verschiedenen Lebensformen?

Es ist, als ob Sie ein englisches Buch vor sich hätten. Sie wissen, dass es mit 26 Buchstaben geschrieben sein muss, z. B. ABCDE, aber Sie haben keine Ahnung, was der genaue Inhalt des Buches ist.

Um das Problem zu lösen, müssen wir dieses Buch öffnen und verstehen, wie die A\T\G\C-Sequenz der DNA aussieht.

A, T, C, G

(Bildquelle: Arizona State University)

Dies war der Auslöser für die wissenschaftliche Erforschung der Struktur der DNA . Natürlich kann dieses Problem nicht auf einmal gelöst werden, sondern muss Schritt für Schritt durchgeführt werden.

Zunächst müssen wir herausfinden, wie die Gesamtstruktur der DNA aussieht.

Dies ist jedoch nicht einfach. Damals verfügten wir noch nicht über ausgefeiltere Beobachtungsmöglichkeiten und konnten uns nur auf Spekulationen verlassen. Infolgedessen gab es viele Theorien. Jemand hat beispielsweise die „Tetranukleotid-Hypothese“ vorgeschlagen, wonach DNA aus vier gleichen Mengen von Nukleotiden besteht.

Erst 1950 stellte Chargev erstmals fest, dass die Anzahl der A- und T-Basen in der DNA gleich ist und auch die Anzahl der G- und C-Basen gleich ist. Diese Regel legte den Grundstein für das Grundprinzip der komplementären Basenpaarung in der DNA-Struktur, d. h. A=T, C=G.

Vor dem Hintergrund dieses Prinzips begannen die Wissenschaftler Wilkins und Franklin, die Struktur von DNA-Kristallen mithilfe der Röntgenbeugung zu analysieren. Durch kontinuierliches Ausprobieren und Verbessern gelang es ihnen, klare DNA-Beugungsfotos aufzunehmen, wie das berühmte Bild unten zeigt.

DNA-Beugungsmuster

(Bildquelle: Wiki)

Nachdem der junge Watson und Crick dieses Bild gesehen hatten, stellten sie gemeinsam eine Hypothese über die Struktur der DNA auf: Sie besteht aus einer Doppelhelix. Einfach ausgedrückt ist DNA eine Struktur, die aus zwei Ketten besteht, wobei jede Kette aus ATGC besteht, sie sind jedoch nicht vollständig isoliert. Stattdessen ist jede Position der beiden Ketten komplementär, d. h. A=T, G=C, wodurch eine stabile Doppelhelixstruktur entsteht.

Watson und Crick

(Bildquelle: Wiki)

Diese Entdeckung war bahnbrechend. Von der Einreichung bis zur Veröffentlichung in Nature vergingen nur 23 Tage, was beinahe einen Rekord darstellt. Die Entdecker Wilkins, Watson und Crick erhielten bald gemeinsam den Nobelpreis. Diese Entdeckung wurde später neben der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik als eine der drei größten Entdeckungen der Naturwissenschaften im 20. Jahrhundert aufgeführt, was ihre Bedeutung unterstreicht.

Natürlich bedauert man ein wenig, dass Franklin, die dieses entscheidende Foto gemacht hatte, nicht den Nobelpreis erhielt, da sie 1958 an Krebs starb und diese Entdeckung erst 1962 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Mithilfe des DNA-Doppelhelix-Modells können wir nicht nur die Struktur der DNA ermitteln, sondern haben damit auch den Mechanismus der DNA-Replikation herausgefunden. Solange wir die Informationen einer DNA-Kette kennen, können wir auch die Informationen der anderen Kette erhalten. Das ist der Reiz der komplementären Basenpaarung. Der Prozess der DNA-Replikation selbst besteht darin, die Informationen einer Kette beizubehalten und dann die andere Kette durch komplementäre Basenpaarung zu synthetisieren. Dies ist eine semikonservative Replikation. Dies bietet uns auch eine Grundlage für die weitere Interpretation der DNA, sodass sich natürlich die zweite Frage stellt.

Wir müssen überlegen, wie die DNA-Sequenz aussieht?

Um die spezifische Situation der DNA-Sequenz, also die Anordnung von ATGC auf der DNA, zu verstehen, ist es notwendig, diese zu testen. Für dieses Verfahren gibt es in der Biologie einen speziellen Begriff: „Sequenzierung“.

Da die DNA selbst ein Nukleotid ist, dachten die Wissenschaftler natürlich daran, mit chemischen Methoden zu reagieren und festzustellen, um welches Nukleotid es sich handelt.

Der berühmte Biologe Sanger hat eine kreative Strategie gefunden. Er verwendete ein spezielles Nukleotid – Didesoxynukleotid . Der vollständige Name von RNA lautet Ribonukleotid. Im Vergleich zu den Nukleotiden der RNA haben die Nukleotide der DNA ein Sauerstoffatom verloren, daher werden sie Desoxyribonukleotide genannt. Dieses Didesoxynukleotid hat ein Sauerstoffatom mehr verloren als die DNA. Dies führt dazu, dass die chemischen Eigenschaften etwas eigenartig sind, das heißt, wenn die DNA-Polymerase sich an diese Position bewegt, kann sie aufgrund des fehlenden Sauerstoffs in der Didesoxynukleotidstruktur nicht weitermachen und muss abbrechen. Auf diese Weise können wir anhand der Anweisungen des Didesoxynukleotids feststellen, welche Art von Desoxynukleotid sich an dieser Position befindet.

DNA-Sequenzierungsprozess

(Bildquelle: Wiki)

Die Erfindung dieser Methode löste das Problem der DNA-Sequenzierung direkt und wird daher als Sequenzierungsmethode der ersten Generation bezeichnet. Auch bei der RNA-Sequenzierung ist eine Umwandlung in DNA und anschließendes Vorgehen gemäß der DNA-Sequenzierung erforderlich. Die Erfindung der Sequenzierung der ersten Generation legte auch den Grundstein für die Umsetzung des Humangenomprojekts, auf das wir später noch eingehen werden. Sanger sequenzierte übrigens nicht nur DNA, sondern auch Proteine, wofür er zwei Nobelpreise erhielt.

Mit dem Aufkommen der Sequenzierungstechnologie haben wir offiziell die Welt der Gene erschlossen und werden eine rasante Entwicklung der Biowissenschaften, insbesondere der Molekularbiologie und Genetik, einleiten.

Erst jetzt können wir das Hauptthema – die Gene – formal diskutieren.

Gene und Genome

Nach der DNA-Sequenzierung kannten wir endlich die ATGC-Anordnung auf der DNA, also die Sequenz, und hatten zum ersten Mal einen vollständigen Einblick in die Welt der Gene. Es stellt sich heraus, dass, ob es sich nun um Chinesen oder Ausländer, Tiere oder Pflanzen oder sogar Viren handelt, das, was tatsächlich verschiedene Merkmale bestimmt, eine lange ATGC-Anordnung ist. Bei einer solchen Anordnung gibt es Unterschiede sowohl hinsichtlich der Gesamtmenge als auch hinsichtlich der Art der Basen, was zu unseren Differenzen führt. So beträgt beispielsweise die Gesamtlänge der DNA in einer normalen menschlichen Zelle 3 Milliarden Basenpaare, beim Zebrafisch sind es 1,5 Milliarden Basenpaare und bei Hefen nur 12 Millionen Basenpaare.

Angesichts einer so großen Kombination von Basensequenzen begannen sich die Wissenschaftler zu fragen, ob diese Basensequenzen wirklich zufällig angeordnet sind. Oder gibt es ein Muster? Spielen alle Sequenzen entlang der gesamten DNA eine Rolle?

Wissenschaftler versuchten, diese Sequenzen zu untersuchen, und so entstand das eigentliche Konzept des Gens . Zu Beginn stellten die Forscher fest, dass nicht alle Sequenzen in unserer DNA gleich sind. Manche Sequenzen kommen immer wieder vor und weisen gewisse Muster auf. Nach wiederholter Zusammenfassung benannten sie einige sehr regelmäßige Sequenzen. Diese Basensequenzen haben oft einen regelmäßigen Anfang und ein regelmäßiges Ende und verfügen über die wichtige Eigenschaft, dass sie mit Hilfe von Transkriptasen in RNA umgeschrieben und schließlich in Proteine ​​übersetzt werden können.

Daher haben Wissenschaftler es formal als Gen definiert.

Gensequenz

(Bildquelle: NIH)

Das heißt, im strengen Sinne der Biologie bezieht sich ein Gen auf eine Sequenz, die transkribiert und in ein Protein übersetzt werden kann . Unsere gesamte genetische Information hat einen entsprechenden Namen – Genom. Auch in der Biologie wird der Begriff „Genom“ häufig verwendet und im Allgemeinen wird darunter die Gesamtheit aller Dinge verstanden.

Natürlich stellten die Wissenschaftler bald fest, dass auch diese Definition nicht streng war.

Zunächst einmal machen Gene, wenn man sie auf diese Weise definiert, tatsächlich nur einen sehr kleinen Teil des gesamten Genoms aus. Beispielsweise machen die menschlichen Gene zusammen weniger als 10 % des gesamten menschlichen Genoms aus. Was ist also der Rest?

Zweitens: Wenn eine DNA-Sequenz nur Polypeptide (eine Primärstruktur von Proteinen) oder sogar nur RNA produziert, diese RNA aber auch eine Funktion hat, handelt es sich dann um ein Gen?

Auch hier gilt, dass für die Produktion eines Proteins häufig die gleichzeitige Wirkung mehrerer Fragmente erforderlich ist. Gehören sie zu einem oder mehreren Genen?

Unterschätzen Sie diese Probleme nicht, sie werden in Zukunft sehr erhebliche Auswirkungen haben. Daher ist die Definition des Gens noch vage. Für biomedizinische Forscher bezieht sich „Gen“ häufig auf die gesamte Nukleotidsequenz, die zur Herstellung einer Polypeptidkette oder funktionellen RNA erforderlich ist, während „Gen“ für andere je nach Kontext unterschiedliche Bedeutungen hat.

Wenn wir beispielsweise sagen „die Unterschiede zwischen Menschen und Tieren werden durch Gene bestimmt“, beziehen sich Gene auf das Genom; und wenn wir sagen „Erröten durch Alkoholkonsum wird durch die Gene bestimmt“, dann kann sich „Gene“ auf die Mutation einer bestimmten Base beziehen.

Daraus können wir ersehen, dass das Konzept des Gens wirklich kompliziert ist und es noch keine vollständige Schlussfolgerung gibt. Wenn wir also über Gene sprechen, sollten wir am besten klären, auf welches Konzept von Genen wir uns beziehen.

Nachdem wir nun das Konzept der Gene verstanden haben, stellt sich die Frage: Was ist das Genom? Was ist der Sinn? Lassen Sie uns im nächsten Artikel darüber sprechen.

Herausgeber: Sun Chenyu