Geen

RNA geenid ja genoom

Kui toimub valkude tootmine, siis kõigepealt kopeeritakse DNA lõigult RNA, mis on DNA ja valgu vahepealne produkt. RNA sünteesimine on transkriptsioon. Mõne juhtumi puhul ongi RNA molekul see lõplik funktsionaalne ühik. RNA-d (tuntud kui ribosüümid) on ensümaatilise funktsiooniga ja mikroRNA-d on regulatoorse funktsiooniga. See konkreetne DNA järjestus, millelt toimub RNA transkribeerimine, on tuntud kui RNA geen.
Mõned viirused hoiavad oma geneetilist informatsiooni ainult RNA vormis, nende genoom ei sisalda DNA-d. Nad kasutavad RNA-d, et salvestada oma geene. Tänu RNA olemasolule ei pea toimuma eraldi transkriptsiooni protsess ning seetõttu võib nende peremeesrakk kohe pärast infektsiooni sünteesida viiruse enda komponente. Kuid samas näiteks RNA retroviirusel (HIV) on teistsugune mehhanism – pöördtranskriptsioon, mis viib enne valkude tootmist läbi DNA sünteesimise RNA-st. 2006. aastal avastasid prantsuse teadlased, et päritavus hiirtes võib erandjuhul toimuda ka RNA vahendusel. Hiirtel, kellel oli mutatsiooni tagajärjel geen Kit kaotanud oma funktsiooni, oli valge saba. Teadlased avastasid, et Kit geeni mutatsioon ulatub RNA tasandile. Seega viirustes on RNA tavaline geneetilise informatsiooni ühik, kuid samal ajal on imetajates RNA pärilikkus väga vähe uuritud.

Geeni funktsionaalne struktuur

Enamikul elusolenditel on geenid kodeeritud pikkadesse DNA ahelatesse. DNA (desoksüribonukleiinhape) on kokku pandud neljast erinevast nukleotiidi subühikust, mis moodustavad lõpuks pika ahela. Iga nukleotiid omakorda on kokku pandud viiesüsinikulisest suhkrust (2-desoksüriboos), fosforhappejäägist ja ühest neljast lämmastikalusest (adeniin A, guaniin G, tsütosiin C ja tümiin T). Organismi rakus kõige levinum DNA vorm on kaksikheeliks, kus kaks DNA ahelat keerduvad teineteise ümber spiraaliks. Selles struktuuris on ahelad paardunud ehk adeniin paardub tümiiniga ja guanosiin paardub tsütosiiniga. Lämmastikaluste vahele moodustuvad vesiniksidemed – guanosiini ja tsütosiini vahele moodustub kolmekordne vesinikside ning adeniini ja tümiini vahele tekib kahekordne vesinikside. Seega ahelad peavad olema komplementaarsed ehk ühes ahelas lämmastikalus A asetub kohakuti teises ahelas oleva T-ga jne.
Polümeeris moodustuvad sidemed nukleotiidi fosforhappejääkide ja desoksüribooside 3' süsinikuaatomite vahel. Seega moodustavad fosforhappejäägid ja desoksüriboosid DNA ahela nn suhkur-fosfaat selgroo, mille küljes paiknevad glükosiidsidemetega erinevad lämmastikalused. Tänu sellisele keemilise kompositsioonile omavad DNA ahelad suunda. Ühes DNA ahela otsas on desoksüriboosilt pärinev vaba hüdroksüülrühm, mis on molekuli 3’ ots. Ahela teises otsas paikneb vaba fosfaatrühm, mis on molekuli 5’ ots. Ahel suunaga 5’→3’ on komplementaarne ahelaga, mille suund on 3’→5’. DNA suunalisus on eluliselt oluline paljudes raku protsessides, näiteks DNA replikatsioon toimib vaid teatud suunas. Kõikide nukleiinhapete süntees toimub rakus suunas 5’→3’, sest uued monomeerid lisatakse dehüdratsiooni reaktsiooniga 3’ otsale, reaktsioonimehhanism kasutab nukleofiilina 3’ hüdroksüülrühma.
Kui geen on kodeeritud DNA-s, algab nende geenide ekspressioon ehk geen transkribeeritakse DNA-st RNA-ks. RNA on väga sarnane DNA-ga, aga RNA monomeeriks on desoksüriboosi asemel lihtsalt riboos. Samuti on väike muutus lämmastikhapete koosseisus – tümiini asemel on uratsiil U. RNA molekulid on vähem stabiilsed ja tavaliselt üheahelalised (DNA on stabiilsem ja kaheahelaline). RNA-st transleeritakse valk. Valk moodustatakse järjestikustest nukleotiidikolmikute seeriatest. Kolme järjestikust nukleotiidi tuntakse koodoni nime all ja koodon vastab ühele aminohappele geneetilises koodis. Aminohapetest pannakse kokku valk. Geneetiline kood on vastavus aminohapete ja koodonite vahel.
Eristatakse struktuur- ja regulaatorgeene. Kõikidel geenidel on ka regulatoorsed regioonid lisaks nendele regioonidele, mis kodeerivad valke või RNA-d. Põhiline regulatoorne regioon geenis on promootor. Promootoris on kindel positsioon, mille tunneb ära transkriptsioonimasin. Geenis võib olla rohkem kui üks promootor ja sel juhul saab tekkida palju erineva pikkusega RNA-sid, sõltuvalt sellest, kui kaugele nad pikenevad 5' otsas. Promootoris on kindel konsensusjärjestus, mis on kõige levinum järjestus selles positsioonis. Kuid on siiski geene, kellel esinevad "tugevamad" promootorid, mis seovad transkriptsioonimasinat hästi, ning "nõrgad" promootorid, mis seovad halvemini. Nõrgemate promootorite seondumisel esineb madalam transkriptsiooni sagedus, sest need promootorid initsieerivad transkriptsiooni madalama sagedusega. Teine regulatoorne regioon on võimendaja (enhancer), mis suudab kompenseerida nõrga promootori tööd. Eukarüootse promootori regioonid on palju keerulisemad ja raskemini identifitseeritavad kui prokarüoodi promootorid.
Paljud prokarüootide geenid on organiseeritud operonidesse. Operoni võib kuuluda ka grupp geene, mille produktidel on sarnased funktsioonid või mis on transkribeeritud ühe üksusena. Samal ajal aga transkribeeritakse eukarüootide geenid ükshaaval. Eukarüootide geenid on enamasti katkendliku struktuuriga: kodeerivate nukleotiidijärjestuste (eksonite) vahel on mittekodeerivad järjestused (intronid); geeni pidevus mRNA-s on tagatud pre-mRNA töötlusega tuumas. Introneid transkribeeritakse, aga neid pole kunagi võimalik transleerida valguks, sest enne translatsiooni nad lõigatakse välja ehk toimub intronite splaissimine. Splaissimine toimub harva ka prokatüootides.

Kromosoomid

Organismi kõik geenid annavad kokku genoomi. Genoom on ühes kromosoomikomplektis (haploidne kromosoomistik) sisalduv geneetiline materjal. Populatsioonigeneetikas kasutatakse "geeni" sünonüümina sageli ka mõistet lookus. Lookus on kromosoomi kindel regioon, kus asub mingi spetsiifiline geen. Kromosoom sisaldab üksikut väga pikka DNA heeliksit, kus tuhanded geenid on kodeeritud. Prokarüoodid – bakterid ja arhed – tavaliselt hoiavad oma geene ühes suures tsirkulaarses kromosoomis. Mõnikord täiendavad neid ka plasmiidid – väikesed tsirkulaarsed DNA ahelad, mis kodeerivad ainult mõnda geeni ja mis on kergesti ülekantavad ühelt organismilt teisele. Näiteks antibiootikumiresistentsed geenid kodeeritakse tavaliselt bakterite plasmiidides ja antakse edasi rakult rakule ning seda isegi erinevate organismide vahel ehk toimub horisontaalne geeni ülekanne. Kuigi mõned lihtsamad eukarüoodid omavad samuti mõne geeniga plasmiide, on siiski enamikul eukarüootidel geenide talletamiseks olemas lineaarsed kromosoomid. Kromosoomid on pakitud tuuma, kus DNA on komplektis histoonidega. DNA pakkimine histoonidega viiakse läbi regulatoorsete mehhanismidega. Eukrüootsete kromosoomide lõpud on kapeeritud pikkade kordusjärjestuste poolt, milleks on telomeerid. Telomeerid ei kodeeri ühtki geeni produkti, nad on vajalikud degradatsiooni ennetamiseks. Degradeeruda võivad kodeerivad ja regulatoorsed regioonid DNA replikatsiooni käigus ning telomeeri ülesanne on seda ära hoida. Telomeeri pikkus väheneb iga kord, kui genoom on replitseeritud. Telomeeride lühenemisega kaasneb rakuline vananemine ja lõpuks kaob rakkude võime jaguneda või need lähevad apoptoosi.
Prokarüootide kromosoomides on geenid kondenseerunud. Aga samal ajal eukarüootide geenid võivad sageli sisaldada "rämps-DNA"-d ehk DNA regiooni, millel puudub ilmne funktsioon. Lihtsatel üherakulistel eukarüootidel esineb vähe rämps-DNA-d, kuid komplekssetel mitmerakulistel organismidel (ka inimene) on enamikul DNA järjestusest identifitseerimata funktsioon. Kuigi valke kodeeriv ala DNA-st on ainult 2%, on siiski umbes 80% genoomist ekspresseeritud, seega võib olla termin "rämps-DNA" valesti tõlgendatud.

Geeni ekspressioon

Kõikides organismides on kaks sammu, mis eraldavad valke kodeerivat geeni valgust. Esimese sammuna peab toimuma DNA (kus see geen asub) transkriptsioon, kus DNA-st saab mRNA (messenger RNA) ehk informatsiooni-RNA. Teise sammuna toimub translatsioon, kus mRNA-st saab valk. RNA-kodeerivad geenid peavad läbima esimese sammu, kuid neid ei transleerita valkudeks. Protsessi, mille käigus sünteesitakse bioloogiliselt funktsionaalne molekul (RNA või valk), nimetatakse geeniekspressiooniks. Geeni ekspressiooniprotsessi tulemust nimetatakse geeni produktiks.

Geneetiline kood

Geneetiline kood on komplekt reegleid, mille põhjal geen transleeritakse funktsionaalseks valguks. Iga geen koosneb kindlast nukleotiidide järjestusest, mis on kodeeritud DNA ahelasse (mõnedel viirustel on selleks RNA). Nukleotiidide ja aminohapete vastavus on vajalik geenidele, et toimuks edukas funktsionaalsete valkude translatsioon. Iga kolmest nukleotiidist koosnev koodon vastab kindlale aminohappele või signaalile. Signaaliks on stoppkoodon (stoppkoodoneid on 3), mille ülesanne on uue aminohappe vastavuse asemel anda signaal translatsioonimasinale, et geeni lõpp on käes. On olemas 64 koodonit – 4 erinevat nukleotiidi on võimalik paigutada kolme erinevasse kohta koodonil ehk 4³. Kuid nendest 64 koodonist vaid 20 on standardsed. Mitu koodonit võib vastata ühele ja samale aminohappele. Kõikides elusorganismides on geneetiline kood peaaegu universaalne.

Transkriptsioon

Transkriptsiooni käigus sünteesitakse üheahelaline RNA molekul, mis on tuntud kui informatsiooni-RNA ehk mRNA. Viimase järjestus on komplementaarne DNA järjestusega, millelt see transkribeeriti. Üks DNA ahel, mille järjestus vastab kodeeritud RNA-le, on kodeeriv ahel, ja teine DNA ahel, millelt RNA sünteesiti, on matriitsahel. Transkriptsiooni viib läbi ensüüm RNA polümeraas, mis loeb maatritsahelat suunaga 3’→5’ ja sünteesib RNA ahela suunaga 5’→3’. Transkriptsiooni indutseerimiseks seondub RNA polümeraas kõigepealt promootoriga. Põhiliseks geeni regulatsiooni mehhanismiks on promootori regiooni blokeerimine – selleks seondub ahelaga repressori molekul, mis füüsiliselt blokeerib polümeraasi töö või siis toimub DNA ümberorganiseerimine, mille tulemusena promootori regioon muutub ligipääsmatuks.
Prokatüootide transkriptsioon toimub tsütoplasmas. Väga pikkade transkriptide puhul algab translatsioon RNA 5’ otsast, samal ajal kui 3’ otsas toimub alles transkriptsioon. Eukarüootides toimub transkriptsioon üldiselt tuumas, kus tuumamembraan eraldab DNA ülejäänud raku sisust. Polümeraasi sünteesitud RNA molekul on tuntud kui primaarne transkript ja pärast sünteesi tehakse sellele transkriptile post-transkriptsionaalsed modifikatsioonid. Alles pärast modifikatsioone eksporditakse RNA tsütoplasmasse, kus toimub translatsioon. Modifikatsiooniks on intronite splaissimine, mis on eukarüootides unikaalne protsess. Põhiliseks regulatsiooniks eukarüootsetes rakkudes on alternatiivne splaissimine. Selle tulemusena saadakse samast transkriptist (samast geenist) erineva pikkusega järjestused ja sellest tulenevalt ka erinevad valgud.

DNA replikatsioon ja pärilikkus

Organismi kasv, areng ja reproduktsioon põhinevad raku jagunemisel. Raku jagunemine on protsess, mille käigus üks rakk jaguneb kaheks tavaliselt identseks tütarrakuks. Selleks on vajalik kõigepealt genoomi igast geenist paljundada koopia – DNA replikatsioon. Koopiaid valmistavad spetsiaalsed ensüümid – DNA polümeraasid, mis loevad kaksikheeliksi ühte ahelat (matriitsahelat) ja sünteesivad sellele komplementaarse ahela. Tänu sellele, et DNA kaksikheeliksi kahte ahelat hoiab koos aluste paardumine, määratleb üks järjestus täpselt oma komplementaarse järjestuse ning sellest tulenevalt peab DNA polümeraas lugema vaid ühte ahelat, et sünteesida täielik koopia. DNA replikatsioon on semikonservatiivne ehk iga tütarraku päritud genoomi koopia sisaldab ühte DNA ahela originaalkoopiat ja ühte uuesti sünteesitud ahelat.
Pärast DNA replikatsiooni toimub rakkude jagunemine. Raku genoom peab füüsiliselt eralduma kaheks genoomi koopiaks ning seejärel peab jagunema kahte membraaniga ümbritsetud rakku. Prokarüootides on see lihtne protsess, iga tsirkulaarne genoom kinnitub raku membraanile ja eraldub tütarrakku. Eukarüootne raku jagunemine on kompleksem protsess ehk raku jagunemistsükkel, mis jaguneb faasideks. DNA replikatsioon toimub S-faasis ning kromosoomide segregatsioon ja tsütoplasma jagunemine toimuvad M-faasis.
Geneetilise materjali duplikatsioon ja ülekanne ühe generatsiooni rakkudelt teisele on molekulaarse pärilikkuse alus. Organismid pärivad oma vanematelt tunnusjooni sellepärast, et järeltulijate rakud sisaldavad vanemate rakkude geenide koopiaid. Aseksuaalse paljunemisega organismide järeltulija on vanemorganismi täpne koopia või kloon. Sugulises paljunemises on aga spetsiaalne rakujagunemine ehk meioos, mille tagajärjel tekivad gameedid ehk sugurakud, mis on haploidsed, sisaldavad iga geeni ainult ühte koopiat. Emasorganismi gameet on munarakk ja isase gameet on sperm. Kaks gameeti sulavad kokku ja tekib viljastatud munarakk, millel on diploidne arv geene – üks komplekt emalt, teine isalt. Meioosi protsessis toimub geneetiline rekombinatsioon, kus ühe kromatiidi DNA lõik vahetab koha vastava õdekromatiidi DNA lõiguga.