Gen
Biyolojide gen (Yunanca: γένος, génos; nesil veya doğum veya cinsiyet anlamına gelir) kalıtımın temel bir birimidir ve DNA'da RNA veya protein gibi bir gen ürününün sentezini kodlayan bir dizi nükleotittir. ⓘ
Gen ifadesi sırasında DNA ilk olarak RNA'ya kopyalanır. RNA doğrudan işlevsel olabilir veya bir işlevi yerine getiren bir protein için ara şablon olabilir. Genlerin bir organizmanın yavrularına aktarılması, fenotipik özelliklerin kalıtımının temelini oluşturur. Bu genler, genotip adı verilen farklı DNA dizilerini oluşturur. Genotipler, çevresel ve gelişimsel faktörlerle birlikte fenotiplerin ne olacağını belirler. Çoğu biyolojik özellik, poligenlerin (birçok farklı gen) yanı sıra gen-çevre etkileşimlerinin etkisi altındadır. Göz rengi veya uzuv sayısı gibi bazı genetik özellikler anında görülebilirken, kan grubu, belirli hastalıklar için risk veya yaşamı oluşturan binlerce temel biyokimyasal süreç gibi bazıları ise görülemez. ⓘ
Genler, dizilimlerinde mutasyon geçirerek popülasyonda alel olarak bilinen farklı varyantlara yol açabilir. Bu aleller, farklı fenotipik özelliklere neden olan bir proteinin biraz farklı versiyonlarını kodlar. "Bir gene sahip olma" teriminin kullanımı (örneğin, "iyi genler", "saç rengi geni") tipik olarak aynı, paylaşılan genin farklı bir alelini içermeyi ifade eder. Genler, doğal seçilim / en uygun olanın hayatta kalması ve alellerin genetik sürüklenmesi nedeniyle evrimleşir. ⓘ
Gen kavramı, yeni olgular keşfedildikçe rafine edilmeye devam etmektedir. Örneğin, bir genin düzenleyici bölgeleri kodlama bölgelerinden çok uzakta olabilir ve kodlama bölgeleri birkaç eksona bölünebilir. Bazı virüsler genomlarını DNA yerine RNA'da depolar ve bazı gen ürünleri işlevsel kodlamayan RNA'lardır. Bu nedenle, bir genin geniş, modern bir çalışma tanımı, fonksiyonel bir ürün olarak ifade edilerek veya gen ifadesinin düzenlenmesi yoluyla bir organizmanın özelliklerini etkileyen kalıtsal, genomik dizinin herhangi bir ayrı lokusudur. ⓘ
Gen terimi 1909 yılında Danimarkalı botanikçi, bitki fizyoloğu ve genetikçi Wilhelm Johannsen tarafından ortaya atılmıştır. Antik Yunanca'dan esinlenilmiştir: γόνος, gonos, yavru ve üreme anlamına gelir. ⓘ
Gen, bir kalıtım birimidir. Bir DNA'nın belirli bir kısmını oluşturan nükleotid dizisidir. Popüler ve gayriresmî kullanımda gen sözcüğü, "ebeveynden çocuklarına geçen belirli bir karakteristiği taşıyan biyolojik birim" anlamında kullanılır. Kromozomun kesitleri olan genler birbirinden çok farklı işlevlerde ve büyüklüklerde (uzunluklarda) olabilirler. Genlerin büyüklükleri ve işlevleri her zaman doğru orantılı değildir. ⓘ
Gen, kalıtımın temel fiziksel ve işlevsel birimidir. Her gen, protein veya RNA molekülü gibi özel bir işlev taşıyan kromozomların belli bir noktasındaki nükleotid dizilerinden oluşur. ⓘ
Klasik genetikte gen bir alt birim olarak kullanılır. Mutasyon ve kombinasyonların genlerde oluştuğu kabul edilir. ⓘ
Kalıtım olayı, doğrudan kromozomların mitoz ve mayoz bölünmeler ve döllenme deki davranışlarına bağlıdır. Her bir kromozomda sayısız kalıtım birimleri, genler bulunur. ⓘ
Bir karakter kalıtımı ancak birbirlerine zıt iki durum olduğu zaman incelenebilir. Mendel'in çalışmalarında bezelyelerde ele aldığı şekil morfolojisinde düzgün ve buruşuk tohum özellikleri gibidir. Canlı birey böyle zıt durumlardan sadece birini gösterebilir. Bu nedenle alel genlerden söz edilir. Homolog kromozomların aynı lokusunda yer alan, iki veya bazen daha fazla sayıda alternatif karakterlerin genlerine "alel genler" denir. Düzgün ve buruşuk tohum morfolojislerini belirleyen genler gibi. ⓘ
Tarih
Ayrık kalıtsal birimlerin keşfi
Ayrık kalıtımsal birimlerin varlığı ilk olarak Gregor Mendel (1822-1884) tarafından ortaya atılmıştır. 1857'den 1864'e kadar Brno, Avusturya İmparatorluğu'nda (bugünkü Çek Cumhuriyeti), 8000 yaygın yenilebilir bezelye bitkisinde kalıtım modellerini inceledi ve ebeveynden yavruya farklı özellikleri izledi. Bunları matematiksel olarak 2n kombinasyon olarak tanımladı; burada n, orijinal bezelyelerdeki farklı özelliklerin sayısıdır. Gen terimini kullanmamasına rağmen, sonuçlarını gözlemlenebilir fiziksel özelliklere yol açan ayrı kalıtsal birimler açısından açıkladı. Bu açıklama, Wilhelm Johannsen'in genotip (bir organizmanın genetik materyali) ve fenotip (o organizmanın gözlemlenebilir özellikleri) arasındaki ayrımının habercisiydi. Mendel aynı zamanda bağımsız çeşitliliği, baskın ve çekinik özellikler arasındaki ayrımı, heterozigot ve homozigot arasındaki ayrımı ve süreksiz kalıtım olgusunu gösteren ilk kişidir. ⓘ
Mendel'in çalışmalarından önce, baskın kalıtım teorisi, her bir ebeveynin döllenme sürecine sıvı katkısında bulunduğunu ve ebeveynlerin özelliklerinin yavruları üretmek için harmanlanıp karıştığını öne süren bir karışım kalıtım teorisiydi. Charles Darwin, Yunanca pan ("bütün, bütün") ve genesis ("doğum") / genos ("köken") kelimelerinden oluşan pangenesis adını verdiği bir kalıtım teorisi geliştirmiştir. Darwin, üreme sırasında karışacak olan varsayımsal parçacıkları tanımlamak için gemmule terimini kullanmıştır. ⓘ
Mendel'in çalışması 1866'daki ilk yayınından sonra büyük ölçüde fark edilmedi, ancak 19. yüzyılın sonlarında kendi araştırmalarında benzer sonuçlara ulaşan (ulaştıklarını iddia eden) Hugo de Vries, Carl Correns ve Erich von Tschermak tarafından yeniden keşfedildi. Özellikle 1889'da Hugo de Vries, farklı karakterlerin bireysel kalıtsal taşıyıcılara sahip olduğunu ve organizmalarda belirli özelliklerin kalıtımının parçacıklar halinde geldiğini öne sürdüğü Hücre İçi Pangenesis adlı kitabını yayınladı. De Vries, Darwin'in 1868 tarihli pangenesis teorisinden esinlenerek bu birimlere "pangenler" (Almanca'da Pangens) adını verdi. ⓘ
Yirmi yıl sonra, 1909'da Wilhelm Johannsen 'gen' terimini ve 1906'da William Bateson 'genetik' terimini ortaya atarken, Eduard Strasburger ve diğerleri kalıtımın temel fiziksel ve işlevsel birimi için hala 'pangene' terimini kullanıyordu. ⓘ
DNA'nın Keşfi
Genlerin ve kalıtımın anlaşılması konusundaki ilerlemeler 20. yüzyıl boyunca devam etmiştir. Deoksiribonükleik asidin (DNA) genetik bilginin moleküler deposu olduğu 1940'lardan 1950'lere kadar yapılan deneylerle gösterilmiştir. DNA'nın yapısı Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins tarafından X-ışını kristalografisi kullanılarak incelendi ve bu da James D. Watson ve Francis Crick'in, eşleştirilmiş nükleotid bazları genetik replikasyon mekanizması için zorlayıcı bir hipoteze işaret eden çift sarmallı DNA molekülünün bir modelini yayınlamasına yol açtı. ⓘ
1950'lerin başında hakim görüş, bir kromozomdaki genlerin rekombinasyonla bölünemeyen ve bir ipe dizilmiş boncuklar gibi düzenlenmiş ayrı varlıklar gibi davrandığı yönündeydi. Benzer'in bakteriyofaj T4'ün rII bölgesinde kusurlu mutantları kullanarak yaptığı deneyler (1955-1959), bireysel genlerin basit bir doğrusal yapıya sahip olduğunu ve muhtemelen DNA'nın doğrusal bir bölümüne eşdeğer olduğunu gösterdi. ⓘ
Toplu olarak, bu araştırma bütünü, proteinlerin DNA'dan kopyalanan RNA'dan çevrildiğini belirten moleküler biyolojinin merkezi dogmasını oluşturmuştur. Bu dogmanın retrovirüslerdeki ters transkripsiyon gibi istisnaları olduğu gösterilmiştir. DNA düzeyinde genetiğin modern çalışması moleküler genetik olarak bilinir. ⓘ
1972 yılında Walter Fiers ve ekibi bir genin dizilimini belirleyen ilk kişiler olmuştur: Bakteriyofaj MS2 kaplama proteini. Frederick Sanger tarafından 1977 yılında zincir sonlandırmalı DNA dizilemesinin geliştirilmesi, dizilemenin verimliliğini artırmış ve rutin bir laboratuvar aracına dönüştürmüştür. Sanger yönteminin otomatikleştirilmiş bir versiyonu İnsan Genom Projesi'nin ilk aşamalarında kullanılmıştır. ⓘ
Modern sentez ve halefleri
Mendel genetiğini Darwinci evrimle bütünleştirmek için 20. yüzyılın başlarında geliştirilen teoriler, Julian Huxley tarafından ortaya atılan bir terim olan modern sentez olarak adlandırılmaktadır. ⓘ
Evrimsel biyologlar daha sonra George C. Williams'ın gen merkezli evrim görüşü gibi bu kavramı değiştirmişlerdir. Williams, genin doğal seçilim birimi olarak tanımlandığı evrimsel bir kavram önermiştir: "Kayda değer sıklıkta ayrışan ve yeniden birleşen şey." Bu görüşe göre, moleküler gen bir birim olarak aktarılır ve evrimsel gen bir birim olarak kalıtılır. Evrimde genlerin merkeziliğini vurgulayan ilgili fikirler Richard Dawkins tarafından popülerleştirilmiştir. ⓘ
Moleküler temel
DNA
Organizmaların büyük çoğunluğu genlerini uzun DNA (deoksiribonükleik asit) iplikçiklerinde kodlar. DNA, her biri beş karbonlu bir şeker (2-deoksiriboz), bir fosfat grubu ve adenin, sitozin, guanin ve timin olmak üzere dört bazdan oluşan dört tip nükleotid alt biriminden meydana gelen bir zincirden oluşur. ⓘ
İki DNA zinciri birbirinin etrafında dönerek fosfat-şeker omurgası dışa doğru spiral çizen bir DNA çift sarmalı oluşturur ve bazlar adenin bazının timinle ve guaninin sitozinle eşleşmesiyle içe doğru bakar. Baz eşleşmesinin özgüllüğü, adenin ve timin iki hidrojen bağı oluşturacak şekilde hizalanırken sitozin ve guaninin üç hidrojen bağı oluşturması nedeniyle ortaya çıkar. Bu nedenle, bir çift sarmaldaki iki iplik tamamlayıcı olmalıdır; baz dizileri, bir sarmalın adeninleri diğer sarmalın timinleri ile eşleşecek şekilde eşleşmelidir ve bu böyle devam eder. ⓘ
Bazların pentoz kalıntılarının kimyasal bileşimi nedeniyle, DNA ipliklerinin yönlülüğü vardır. Bir DNA polimerinin bir ucu deoksiriboz üzerinde açıkta kalan bir hidroksil grubu içerir; bu molekülün 3' ucu olarak bilinir. Diğer uç ise açıkta bir fosfat grubu içerir; bu 5' ucudur. Bir çift sarmalın iki ipliği zıt yönlerde ilerler. DNA replikasyonu ve transkripsiyon dahil olmak üzere nükleik asit sentezi 5'→3' yönünde gerçekleşir, çünkü yeni nükleotidler, açıktaki 3' hidroksili bir nükleofil olarak kullanan bir dehidrasyon reaksiyonu yoluyla eklenir. ⓘ
DNA'da kodlanan genlerin ifadesi, genin DNA'ya çok benzeyen, ancak monomerleri deoksiriboz yerine riboz şekeri içeren ikinci bir nükleik asit türü olan RNA'ya kopyalanmasıyla başlar. RNA ayrıca timin yerine urasil bazını da içerir. RNA molekülleri DNA'dan daha az kararlıdır ve tipik olarak tek iplikli yapıdadır. Proteinleri kodlayan genler, genetik "dilde" "kelimeler" olarak işlev gören kodon adı verilen bir dizi üç nükleotid dizisinden oluşur. Genetik kod, protein çevirisi sırasında kodonlar ve amino asitler arasındaki uyumu belirler. Genetik kod bilinen tüm organizmalar için neredeyse aynıdır. ⓘ
Kromozomlar
Bir organizma veya hücredeki genlerin toplamı genom olarak bilinir ve bir veya daha fazla kromozom üzerinde depolanabilir. Bir kromozom, üzerinde binlerce genin kodlandığı tek ve çok uzun bir DNA sarmalından oluşur. Kromozomun belirli bir genin bulunduğu bölgesine lokus adı verilir. Her lokus bir genin bir alelini içerir; ancak, bir popülasyonun üyeleri lokusta her biri biraz farklı bir gen dizisine sahip farklı alellere sahip olabilir. ⓘ
Ökaryotik genlerin çoğunluğu bir dizi büyük, doğrusal kromozom üzerinde depolanır. Kromozomlar, nükleozom adı verilen bir birim oluşturmak için histon adı verilen depolama proteinleri ile kompleks halinde çekirdek içinde paketlenir. Bu şekilde paketlenmiş ve yoğunlaştırılmış DNA'ya kromatin denir. DNA'nın histonlar üzerinde depolanma şekli ve histonların kimyasal modifikasyonları, DNA'nın belirli bir bölgesinin gen ifadesi için erişilebilir olup olmadığını düzenler. Genlere ek olarak, ökaryotik kromozomlar, DNA'nın uç bölgelerinin bozulmadan kopyalanmasını ve hücre bölünmesi sırasında yavru hücrelere ayrılmasını sağlayan diziler içerir: replikasyon orijinleri, telomerler ve sentromer. Replikasyon orijinleri, kromozomun iki kopyasını yapmak için DNA replikasyonunun başlatıldığı dizi bölgeleridir. Telomerler, lineer kromozomların uçlarını kapatan ve DNA replikasyonu sırasında kodlama ve düzenleyici bölgelerin bozulmasını önleyen uzun tekrarlayan dizilerdir. Telomerlerin uzunluğu genomun her replikasyonunda azalır ve yaşlanma süreciyle ilişkilendirilmiştir. Sentromer, hücre bölünmesi sırasında kardeş kromatidleri yavru hücrelere ayırmak için iğ liflerini bağlamak için gereklidir. ⓘ
Prokaryotlar (bakteriler ve arkealar) genomlarını tipik olarak tek bir büyük, dairesel kromozom üzerinde depolar. Benzer şekilde, bazı ökaryotik organeller az sayıda gen içeren kalıntı bir dairesel kromozom içerir. Prokaryotlar bazen kromozomlarını plazmid adı verilen ve genellikle sadece birkaç geni kodlayan ve bireyler arasında aktarılabilen ek küçük DNA halkaları ile tamamlarlar. Örneğin, antibiyotik direnci genleri genellikle bakteriyel plazmidler üzerinde kodlanır ve yatay gen transferi yoluyla tek tek hücreler, hatta farklı türlerden hücreler arasında aktarılabilir. ⓘ
Prokaryotların kromozomları nispeten gen yoğunken, ökaryotlarınki genellikle belirgin bir işlevi olmayan DNA bölgeleri içerir. Basit tek hücreli ökaryotlar nispeten az miktarda bu tür DNA'ya sahipken, insanlar da dahil olmak üzere karmaşık çok hücreli organizmaların genomları, tanımlanmış bir işlevi olmayan DNA'nın mutlak çoğunluğunu içerir. Bu DNA genellikle "önemsiz DNA" olarak adlandırılır. Bununla birlikte, daha yeni analizler, protein kodlayan DNA'nın insan genomunun ancak %2'sini oluşturmasına rağmen, genomdaki bazların yaklaşık %80'inin ifade edilebileceğini, dolayısıyla "gereksiz DNA" teriminin yanlış bir adlandırma olabileceğini göstermektedir. ⓘ
Yapı ve işlev
Yapı
|
Bir genin yapısı, gerçek protein kodlama dizisinin genellikle sadece küçük bir parçası olduğu birçok unsurdan oluşur. Bunlar arasında transkripsiyonu yapılmayan DNA bölgelerinin yanı sıra RNA'nın çevrilmemiş bölgeleri de yer alır. ⓘ
Açık okuma çerçevesini çevreleyen genler, ifadeleri için gerekli olan düzenleyici bir dizi içerir. İlk olarak, genler bir promotör dizisine ihtiyaç duyar. Promotör, transkripsiyonu başlatmak için RNA polimerazın bölgeye bağlanmasına yardımcı olan transkripsiyon faktörleri tarafından tanınır ve bağlanır. Tanıma tipik olarak TATA kutusu gibi bir konsensüs dizisi olarak gerçekleşir. Bir genin birden fazla promotörü olabilir, bu da 5' ucunda ne kadar uzandıklarına göre farklılık gösteren mesajcı RNA'larla (mRNA) sonuçlanır. Yüksek oranda transkribe edilen genler, transkripsiyon faktörleri ile güçlü ilişkiler kuran ve böylece transkripsiyonu yüksek oranda başlatan "güçlü" promotör dizilerine sahiptir. Diğer genler, transkripsiyon faktörleri ile zayıf ilişkiler kuran ve transkripsiyonu daha az sıklıkla başlatan "zayıf" promotörlere sahiptir. Ökaryotik promotör bölgeleri prokaryotik promotörlere göre çok daha karmaşık ve tanımlanması zordur. ⓘ
Ek olarak, genler, ifadeyi değiştiren açık okuma çerçevesinin akış yukarısında veya akış aşağısında birçok kilobaz düzenleyici bölgeye sahip olabilir. Bunlar transkripsiyon faktörlerine bağlanarak hareket eder ve daha sonra DNA'nın döngüye girmesine neden olur, böylece düzenleyici dizi (ve bağlı transkripsiyon faktörü) RNA polimeraz bağlanma bölgesine yakın hale gelir. Örneğin, güçlendiriciler bir aktivatör proteini bağlayarak transkripsiyonu artırır ve bu da RNA polimerazın promotöre bağlanmasına yardımcı olur; tersine susturucular baskılayıcı proteinleri bağlar ve DNA'yı RNA polimeraz için daha az kullanılabilir hale getirir. ⓘ
Transkripsiyonlu pre-mRNA'nın her iki ucunda ribozomlar, RNA bağlayıcı proteinler, miRNA, terminatör ve başlangıç ve bitiş kodonları için bağlanma bölgeleri içeren çevrilmemiş bölgeler bulunur. Buna ek olarak, çoğu ökaryotik açık okuma çerçevesi, RNA ekleme olarak bilinen bir süreçte çıkarılan çevrilmemiş intronlar ve birbirine bağlanan ekzonlar içerir. Son olarak, gen transkriptlerinin uçları, yeni üretilen pre-mRNA'nın bölündüğü ve 3' ucuna ~200 adenozin monofosfat dizisinin eklendiği bölünme ve poliadenilasyon (CPA) bölgeleri tarafından tanımlanır. Poli(A) kuyruğu olgun mRNA'yı parçalanmaya karşı korur ve translasyon, lokalizasyon ve transkriptin çekirdekten taşınmasını etkileyen başka işlevlere de sahiptir. Splicing ve ardından CPA, protein veya RNA ürününü kodlayan nihai olgun mRNA'yı oluşturur. İnsan genlerinin yerlerini belirleyen genel mekanizmalar bilinmesine rağmen, bu hücresel süreçleri düzenleyen kesin faktörlerin tanımlanması aktif bir araştırma alanıdır. Örneğin, 3'-UTR'deki bilinen sekans özellikleri, tüm insan gen uçlarının yalnızca yarısını açıklayabilir. ⓘ
Birçok prokaryotik gen, bir birim olarak transkribe edilen çoklu protein kodlama dizileri ile operonlar halinde organize edilir. Bir operondaki genler, polikistronik mRNA olarak adlandırılan sürekli bir mesajcı RNA olarak transkribe edilir. Bu bağlamda sistron terimi gen ile eşdeğerdir. Bir operonun mRNA'sının transkripsiyonu genellikle belirli metabolitlerin varlığına bağlı olarak aktif veya inaktif durumda olabilen bir represör tarafından kontrol edilir. Aktif olduğunda, represör operonun başlangıcında operatör bölge olarak adlandırılan bir DNA dizisine bağlanır ve operonun transkripsiyonunu baskılar; represör inaktif olduğunda operonun transkripsiyonu gerçekleşebilir (örneğin Lac operonuna bakınız). Operon genlerinin ürünleri tipik olarak ilgili işlevlere sahiptir ve aynı düzenleyici ağda yer alır. ⓘ
Fonksiyonel tanımlar
Bir DNA dizisinin tam olarak hangi bölümünün bir geni oluşturduğunu tanımlamak zordur. Bir genin arttırıcılar gibi düzenleyici bölgelerinin doğrusal molekül üzerindeki kodlama dizisine yakın olması gerekmez, çünkü araya giren DNA, geni ve düzenleyici bölgesini yakınlaştırmak için ilmeklenebilir. Benzer şekilde, bir genin intronları ekzonlarından çok daha büyük olabilir. Düzenleyici bölgeler tamamen farklı kromozomlarda bile olabilir ve bir kromozomdaki düzenleyici bölgelerin başka bir kromozomdaki hedef genlerle temas etmesini sağlamak için trans halinde çalışabilir. ⓘ
Moleküler genetik alanındaki ilk çalışmalar, bir genin bir protein ürettiği kavramını ortaya atmıştır. Bu kavram (başlangıçta bir gen-bir enzim hipotezi olarak adlandırılır), George Beadle ve Edward Tatum'un Neurospora crassa mantarının mutantları ile yapılan deneyler üzerine 1941 yılında yazdıkları etkili bir makaleden ortaya çıkmıştır. Neurospora araştırmasının ilk meslektaşlarından Norman Horowitz, 2004 yılında "bu deneyler Beadle ve Tatum'un biyokimyasal genetik adını verdikleri bilimin temelini oluşturdu. Gerçekte bu deneyler moleküler genetiğin ve onu takip eden tüm gelişmelerin açılış silahı oldular". Bir gen-bir protein kavramı, alternatif ekleme yoluyla birden fazla protein kodlayabilen genlerin ve mRNA'ları trans-splicing yoluyla birleştirilen genom boyunca kısa bölümlere ayrılmış kodlama dizilerinin keşfinden bu yana rafine edilmiştir. ⓘ
Bu farklı olguların karmaşıklığını kapsamak için bazen geniş bir operasyonel tanım kullanılır; burada bir gen, potansiyel olarak örtüşen işlevsel ürünlerin tutarlı bir kümesini kodlayan genomik dizilerin bir birliği olarak tanımlanır. Bu tanım, genleri spesifik DNA lokuslarından ziyade fonksiyonel ürünlerine (proteinler veya RNA) göre kategorize eder ve düzenleyici unsurlar genle ilişkili bölgeler olarak sınıflandırılır. ⓘ
Genler arasındaki örtüşme
Genlerin aynı DNA dizisiyle örtüşmesi ve farklı ancak örtüşen genler olarak kabul edilmesi de mümkündür. Örtüşen bir genin mevcut tanımı ökaryotlar, prokaryotlar ve virüsler arasında farklıdır. Ökaryotlarda son zamanlarda "iki veya daha fazla genin birincil transkriptlerinin en dış sınırları arasında en az bir nükleotid paylaşıldığında, örtüşme noktasındaki bir DNA baz mutasyonunun örtüşmeye dahil olan tüm genlerin transkriptlerini etkileyeceği" şeklinde tanımlanmıştır. Prokaryotlarda ve Virüslerde son zamanlarda "iki genin kodlama dizilerinin aynı veya zıt ipliklerde bir nükleotidi paylaşması" olarak tanımlanmıştır. ⓘ
Gen ifadesi
Tüm organizmalarda, bir genin DNA'sında kodlanan bilgiyi okumak ve belirttiği proteini üretmek için iki adım gereklidir. İlk olarak, genin DNA'sı mesajcı RNA'ya (mRNA) kopyalanır. İkinci olarak, bu mRNA proteine çevrilir. RNA kodlayan genler yine de ilk adımdan geçmelidir, ancak proteine çevrilmezler. Biyolojik olarak işlevsel bir RNA ya da protein molekülü üretme sürecine gen ifadesi, ortaya çıkan moleküle de gen ürünü denir. ⓘ
Genetik kod
Bir genin DNA'sının nükleotid dizisi, genetik kod aracılığıyla bir proteinin amino asit dizisini belirler. Kodon olarak bilinen üç nükleotid kümesinin her biri belirli bir amino aside karşılık gelir. Her bir amino asit için üç sıralı DNA bazının kodlanması ilkesi, 1961 yılında bakteriyofaj T4'ün rIIB genindeki çerçeve kayması mutasyonları kullanılarak gösterilmiştir (bkz. Crick, Brenner ve ark. deneyi). ⓘ
Ek olarak, bir "başlangıç kodonu" ve üç "dur kodonu" protein kodlama bölgesinin başlangıcını ve sonunu gösterir. 64 olası kodon (üç pozisyonun her birinde dört olası nükleotid, dolayısıyla 43 olası kodon) ve sadece 20 standart amino asit vardır; dolayısıyla kod gereksizdir ve birden fazla kodon aynı amino asidi belirtebilir. Kodonlar ve amino asitler arasındaki uygunluk, bilinen tüm canlı organizmalar arasında neredeyse evrenseldir. ⓘ
Transkripsiyon
Transkripsiyon, mesajcı RNA olarak bilinen ve nükleotid dizisi transkribe edildiği DNA'ya tamamlayıcı olan tek sarmallı bir RNA molekülü üretir. mRNA, DNA geni ile nihai protein ürünü arasında bir ara madde görevi görür. Genin DNA'sı, tamamlayıcı bir mRNA oluşturmak için şablon olarak kullanılır. mRNA, genin DNA kodlama ipliğinin dizisiyle eşleşir çünkü şablon ipliğin tamamlayıcısı olarak sentezlenir. Transkripsiyon, şablon ipliği 3' ila 5' yönünde okuyan ve RNA'yı 5' ila 3' arasında sentezleyen RNA polimeraz adı verilen bir enzim tarafından gerçekleştirilir. Transkripsiyonu başlatmak için, polimeraz ilk olarak genin promotör bölgesini tanır ve bağlar. Bu nedenle, gen düzenlemesinin önemli bir mekanizması, ya polimerazı fiziksel olarak bloke eden represör molekülleri tarafından sıkı bir şekilde bağlanarak ya da DNA'yı promotör bölgesine erişilemeyecek şekilde düzenleyerek promotör bölgesinin bloke edilmesi veya sekestre edilmesidir. ⓘ
Prokaryotlarda transkripsiyon sitoplazmada gerçekleşir; çok uzun transkriptler için, 3' ucu hala transkribe edilirken çeviri RNA'nın 5' ucunda başlayabilir. Ökaryotlarda transkripsiyon, hücrenin DNA'sının depolandığı çekirdekte gerçekleşir. Polimeraz tarafından üretilen RNA molekülü birincil transkript olarak bilinir ve translasyon için sitoplazmaya aktarılmadan önce transkripsiyon sonrası modifikasyonlara uğrar. Gerçekleştirilen modifikasyonlardan biri, transkripsiyon bölgesinde bir protein kodlamayan diziler olan intronların eklenmesidir. Alternatif splicing mekanizmaları, aynı genden gelen olgun transkriptlerin farklı dizilere sahip olmasına ve dolayısıyla farklı proteinleri kodlamasına neden olabilir. Bu, ökaryotik hücrelerde önemli bir düzenleme şeklidir ve bazı prokaryotlarda da görülür. ⓘ
Çeviri
Çeviri, olgun bir mRNA molekülünün yeni bir protein sentezlemek için şablon olarak kullanıldığı süreçtir. Çeviri, peptit bağlarının oluşumuyla büyüyen bir polipeptit zincirine yeni amino asitler eklemek için kimyasal reaksiyonları yürütmekten sorumlu büyük RNA ve protein kompleksleri olan ribozomlar tarafından gerçekleştirilir. Genetik kod, kodon adı verilen birimler halinde, transfer RNA (tRNA) adı verilen özel RNA molekülleriyle etkileşimler yoluyla her seferinde üç nükleotid olarak okunur. Her tRNA, mRNA üzerinde okuduğu kodona tamamlayıcı olan ve antikodon olarak bilinen üç eşleşmemiş baza sahiptir. tRNA ayrıca tamamlayıcı kodon tarafından belirtilen amino aside kovalent olarak bağlanır. tRNA bir mRNA ipliğindeki tamamlayıcı kodonuna bağlandığında, ribozom amino asit kargosunu amino terminalden karboksil terminusa sentezlenen yeni polipeptit zincirine bağlar. Sentez sırasında ve sonrasında, çoğu yeni proteinin hücresel işlevlerini yerine getirebilmeleri için aktif üç boyutlu yapılarına katlanmaları gerekir. ⓘ
Regülasyon
Genler, sadece ürüne ihtiyaç duyulduğunda ifade edilecek şekilde düzenlenir, çünkü ifade sınırlı kaynaklardan yararlanır. Bir hücre gen ifadesini dış ortamına (örneğin mevcut besinler, sıcaklık ve diğer stresler), iç ortamına (örneğin hücre bölünme döngüsü, metabolizma, enfeksiyon durumu) ve çok hücreli bir organizmada ise özel rolüne bağlı olarak düzenler. Gen ifadesi herhangi bir adımda düzenlenebilir: transkripsiyonel başlatmadan RNA işlemeye ve proteinin translasyon sonrası modifikasyonuna kadar. E. coli'de laktoz metabolizması genlerinin düzenlenmesi (lac operonu) 1961 yılında tanımlanan bu tür ilk mekanizmadır. ⓘ
RNA genleri
Tipik bir protein kodlayan gen ilk olarak nihai protein ürününün üretiminde bir ara madde olarak RNA'ya kopyalanır. Diğer durumlarda, ribozomal RNA ve transfer RNA sentezinde olduğu gibi, RNA molekülleri asıl işlevsel ürünlerdir. Ribozimler olarak bilinen bazı RNA'lar enzimatik fonksiyona sahiptir ve mikroRNA'nın düzenleyici bir rolü vardır. Bu tür RNA'ların kopyalandığı DNA dizileri kodlamayan RNA genleri olarak bilinir. ⓘ
Bazı virüsler tüm genomlarını RNA şeklinde depolar ve hiç DNA içermezler. Genleri depolamak için RNA kullandıklarından, hücresel konakçıları enfekte olur olmaz ve transkripsiyon için bekleme gecikmesi olmadan proteinlerini sentezleyebilirler. Öte yandan, HIV gibi RNA retrovirüsleri, proteinlerinin sentezlenebilmesi için genomlarının RNA'dan DNA'ya ters transkripsiyonunu gerektirir. RNA aracılı epigenetik kalıtım bitkilerde ve çok nadiren hayvanlarda da gözlemlenmiştir. ⓘ
Kalıtım
Organizmalar genlerini ebeveynlerinden miras alırlar. Aseksüel organizmalar, ebeveynlerinin genomunun tam bir kopyasını miras alırlar. Eşeyli organizmalar her kromozomun iki kopyasına sahiptir çünkü her ebeveynden bir tam set miras alırlar. ⓘ
Mendel kalıtımı
Mendel kalıtımına göre, bir organizmanın fenotipindeki (gözlemlenebilir fiziksel ve davranışsal özellikler) varyasyonlar kısmen genotipindeki (belirli gen kümesi) varyasyonlardan kaynaklanmaktadır. Her gen, farklı fenotiplere yol açan farklı bir gen dizisi (aleller) ile belirli bir özelliği belirtir. Ökaryotik organizmaların çoğunda (Mendel'in üzerinde çalıştığı bezelye bitkileri gibi) her özellik için her ebeveynden bir tane olmak üzere iki alel bulunur. ⓘ
Bir lokustaki aleller baskın veya çekinik olabilir; baskın aleller, aynı özellik için başka herhangi bir alelle eşleştirildiğinde karşılık gelen fenotiplere yol açarken, çekinik aleller yalnızca aynı alelin başka bir kopyasıyla eşleştirildiğinde karşılık gelen fenotiplere yol açar. Organizmaların genotiplerini biliyorsanız, hangi alellerin baskın ve hangilerinin çekinik olduğunu belirleyebilirsiniz. Örneğin, bezelye bitkilerinde uzun sapları belirten alel, kısa sapları belirten alele göre baskınsa, bir ebeveynden uzun bir alel ve diğer ebeveynden kısa bir alel alan bezelye bitkileri de uzun saplara sahip olacaktır. Mendel'in çalışması, alellerin gametlerin veya üreme hücrelerinin üretiminde bağımsız olarak çeşitlendiğini ve bir sonraki nesilde çeşitlilik sağladığını göstermiştir. Mendel kalıtımı, tek genler tarafından belirlenen birçok özellik için iyi bir model olmaya devam etse de (bir dizi iyi bilinen genetik bozukluk dahil), DNA replikasyonu ve hücre bölünmesinin fiziksel süreçlerini içermez. ⓘ
Genler, fenotipte baskın olarak gösterdikleri özelliklerinin isimlerinin genellikle kelimenin baş harfi ile simgelenir. Örneğin, farelerde siyah renk baskın olduğu için farelerdeki kalıtımda siyah renk "S" harfi ile, kahverengi çekinik olduğu için "s" harfi ile simgelenir. Baskın olan genler genelde yabanıl genlerdir. Çekinik genler ise, baskın genin mutantı olarak kabul edilir. Diploid canlılarda bir özellik üzerinde etkili olan, yani alel olan iki gen olduğundan her zaman genotip iki harfle yazılır. Örneğin saf siyah SS, saf kahverengi ss, melez Ss olarak gösterilir. Son zamanlarda homozigot çekinik fenotip özelliğin küçük baş harfi, mutasyona uğramış geni göstermek için kullanılmaktadır. Bununla beraber, "s+", "+s" ya da "+" gibi simgeler de baskın geni göstermek için kullanılır. ⓘ
Bir çaprazlamada bireylerin eşeylerini dikkate almak gerekiyorsa, önce dişinin genotipi, arkasına dişi işareti (♀), daha sonra çaprazlamanın simgesi olan "X" işareti ve onun sağ yanına erkeğin genotipi ve sonra işareti yazılır. Örneğin, SS (s+s+)♀ X ss (ss). Erkek ve dişi işareti olmadığı zaman sağdaki simge dişiye, soldaki simge erkeğe ait kabul edilir. Geri çaprazlama yapılırken, ataların eşeyleri gen çifti açısından yer değiştirir. Örneğin SS ♀ X ss yerine, ss ♀ X SS gibi. ⓘ
Gametlerde alel çiftler birbirinden ayrıldığı için ve haploid organizmalarda genler tek bir harfle gösterilir. Örneğin; S ve s gibi. ⓘ
DNA replikasyonu ve hücre bölünmesi
Organizmaların büyümesi, gelişmesi ve üremesi hücre bölünmesine dayanır; tek bir hücrenin genellikle özdeş iki yavru hücreye bölündüğü süreç. Bunun için öncelikle DNA replikasyonu adı verilen bir süreçte genomdaki her genin bir kopyasının oluşturulması gerekir. Kopyalar, şablon iplik olarak bilinen çift sarmal DNA'nın bir ipliğini "okuyan" ve yeni bir tamamlayıcı iplik sentezleyen DNA polimerazlar olarak bilinen özel enzimler tarafından yapılır. DNA çift sarmalı baz eşleşmesi ile bir arada tutulduğundan, bir sarmalın dizisi tamamlayıcısının dizisini tamamen belirler; bu nedenle sadık bir kopya üretmek için enzim tarafından sadece bir sarmalın okunması gerekir. DNA replikasyon süreci yarı korunumludur; yani, her yavru hücre tarafından miras alınan genomun kopyası bir orijinal ve bir yeni sentezlenmiş DNA ipliği içerir. ⓘ
Canlı hücrelerdeki DNA replikasyon hızı ilk olarak fajla enfekte E. coli'de faj T4 DNA uzama hızı olarak ölçülmüş ve etkileyici derecede hızlı olduğu bulunmuştur. 37°C'de üstel DNA artışı döneminde, uzama hızı saniyede 749 nükleotitti. ⓘ
DNA replikasyonu tamamlandıktan sonra, hücre genomun iki kopyasını fiziksel olarak ayırmalı ve zara bağlı iki farklı hücreye bölünmelidir. Prokaryotlarda (bakteriler ve arkeler) bu genellikle ikili fisyon adı verilen nispeten basit bir süreçle gerçekleşir; bu süreçte her bir dairesel genom hücre zarına bağlanır ve sitoplazmayı zara bağlı iki kısma ayırmak için zar invajine olurken yavru hücrelere ayrılır. İkili bölünme, ökaryotlardaki hücre bölünmesi oranlarına kıyasla son derece hızlıdır. Ökaryotik hücre bölünmesi, hücre döngüsü olarak bilinen daha karmaşık bir süreçtir; DNA replikasyonu, bu döngünün S fazı olarak bilinen bir aşamasında gerçekleşirken, kromozomların ayrılması ve sitoplazmanın bölünmesi işlemi M fazı sırasında gerçekleşir. ⓘ
Moleküler kalıtım
Genetik materyalin çoğaltılması ve bir hücre neslinden diğerine aktarılması, moleküler kalıtımın ve genlerin klasik ve moleküler resimleri arasındaki bağlantının temelidir. Organizmalar ebeveynlerinin özelliklerini miras alırlar çünkü yavruların hücreleri ebeveynlerinin hücrelerindeki genlerin kopyalarını içerir. Eşeysiz üreyen organizmalarda yavru, ana organizmanın genetik bir kopyası ya da klonu olacaktır. Cinsel yolla üreyen organizmalarda, mayoz adı verilen özelleşmiş bir hücre bölünmesi şekli, haploid olan veya her genin yalnızca bir kopyasını içeren gamet veya germ hücreleri adı verilen hücreler üretir. Dişiler tarafından üretilen gametlere yumurta veya ova, erkekler tarafından üretilenlere ise sperm adı verilir. İki gamet birleşerek diploid döllenmiş bir yumurta, her genin bir kopyası anneden ve bir kopyası babadan gelen iki gen setine sahip tek bir hücre oluşturur. ⓘ
Mayotik hücre bölünmesi sürecinde, bazen genetik rekombinasyon veya çaprazlama adı verilen bir olay meydana gelebilir; bu olayda bir kromatid üzerindeki bir DNA uzunluğu, karşılık gelen homolog kardeş olmayan kromatid üzerindeki bir DNA uzunluğu ile yer değiştirir. Bu durum, başka türlü bağlantılı olan alellerin yeniden birleşmesine neden olabilir. Mendel'in bağımsız çeşitlilik ilkesi, bir ebeveynin her bir özellik için iki geninin her birinin bağımsız olarak gametlerde sıralanacağını iddia eder; bir organizmanın bir özellik için hangi aleli miras aldığı, başka bir özellik için hangi aleli miras aldığı ile ilgili değildir. Bu aslında sadece aynı kromozom üzerinde bulunmayan veya aynı kromozom üzerinde birbirinden çok uzakta bulunan genler için geçerlidir. İki gen aynı kromozom üzerinde ne kadar yakınsa, gametlerde o kadar yakından ilişkilendirilecek ve daha sık birlikte görüneceklerdir (genetik bağlantı olarak bilinir). Birbirine çok yakın olan genler aslında hiçbir zaman ayrılmazlar çünkü aralarında bir çaprazlama noktası oluşması son derece düşük bir ihtimaldir. ⓘ
Moleküler evrim
Mutasyon
DNA replikasyonu çoğunlukla son derece doğrudur, ancak hatalar (mutasyonlar) meydana gelir. Ökaryotik hücrelerdeki hata oranı replikasyon başına nükleotid başına 10-8 kadar düşük olabilirken, bazı RNA virüsleri için bu oran 10-3 kadar yüksek olabilir. Bu, her nesilde, her insan genomunun 1-2 yeni mutasyon biriktirdiği anlamına gelir. Küçük mutasyonlar DNA replikasyonu ve DNA hasarı sonrasında ortaya çıkabilir ve tek bir bazın değiştiği nokta mutasyonlarını ve tek bir bazın eklendiği veya silindiği çerçeve kayması mutasyonlarını içerir. Bu mutasyonlardan herhangi biri geni yanlış anlam (farklı bir amino asidi kodlamak için bir kodonu değiştirmek) veya saçma (erken bir durma kodonu) ile değiştirebilir. Daha büyük mutasyonlar rekombinasyondaki hatalardan kaynaklanabilir ve bir kromozomun büyük bölümlerinin duplikasyonu, silinmesi, yeniden düzenlenmesi veya inversiyonu dahil olmak üzere kromozomal anormalliklere neden olabilir. Ayrıca, DNA onarım mekanizmaları moleküldeki fiziksel hasarı onarırken mutasyonel hatalara yol açabilir. Onarım, mutasyon olsa bile, hayatta kalmak için tam bir kopyayı geri getirmekten daha önemlidir, örneğin çift iplikçik kırıklarını onarırken. ⓘ
Bir türün popülasyonunda bir gen için birden fazla farklı alel mevcut olduğunda buna polimorfik denir. Farklı alellerin çoğu işlevsel olarak eşdeğerdir, ancak bazı aleller farklı fenotipik özelliklere yol açabilir. Bir genin en yaygın aleline vahşi tip denir ve nadir alellere mutant denir. Bir popülasyondaki farklı alellerin göreceli frekanslarındaki genetik varyasyon, hem doğal seçilim hem de genetik sürüklenmeden kaynaklanmaktadır. Yabani tip alel, daha az yaygın alellerin atası olmak zorunda olmadığı gibi, daha fit olmak zorunda da değildir. ⓘ
Genler içindeki mutasyonların çoğu nötrdür, organizmanın fenotipi üzerinde hiçbir etkisi yoktur (sessiz mutasyonlar). Bazı mutasyonlar amino asit dizisini değiştirmez çünkü birden fazla kodon aynı amino asidi kodlar (eşanlamlı mutasyonlar). Diğer mutasyonlar amino asit diziliminde değişikliklere yol açıyorsa nötr olabilir, ancak protein yeni amino asitle benzer şekilde işlev görmeye devam eder (örn. konservatif mutasyonlar). Ancak birçok mutasyon zararlı ve hatta ölümcüldür ve doğal seçilim yoluyla popülasyonlardan uzaklaştırılır. Genetik bozukluklar zararlı mutasyonların sonucudur ve etkilenen bireyde kendiliğinden mutasyona bağlı olabilir veya kalıtsal olabilir. Son olarak, mutasyonların küçük bir kısmı faydalıdır, organizmanın uygunluğunu artırır ve evrim için son derece önemlidir, çünkü yönlü seçilimleri adaptif evrime yol açar. ⓘ
Dizi homolojisi
En son ortak ataya ve dolayısıyla paylaşılan bir evrimsel ataya sahip genler homolog olarak bilinir. Bu genler ya bir organizmanın genomundaki gen duplikasyonundan ortaya çıkar, burada paralog genler olarak bilinirler ya da bir türleşme olayından sonra genlerin farklılaşmasının sonucudur, burada ortolog genler olarak bilinirler ve genellikle ilgili organizmalarda aynı veya benzer işlevleri yerine getirirler. Genellikle ortolog genlerin işlevlerinin paralog genlerinkinden daha benzer olduğu varsayılır, ancak aradaki fark çok azdır. ⓘ
Genler arasındaki ilişki, DNA'larının dizi hizalaması karşılaştırılarak ölçülebilir. Homolog genler arasındaki dizi benzerliği derecesine korunmuş dizi denir. Bir genin dizilimindeki çoğu değişiklik işlevini etkilemez ve bu nedenle genler zaman içinde nötr moleküler evrim yoluyla mutasyonlar biriktirir. Ek olarak, bir gen üzerindeki herhangi bir seçilim, dizisinin farklı bir oranda farklılaşmasına neden olacaktır. Stabilize edici seçilim altındaki genler kısıtlıdır ve bu nedenle daha yavaş değişirken, yönlü seçilim altındaki genler diziyi daha hızlı değiştirir. Genler arasındaki dizi farklılıkları, bu genlerin nasıl evrimleştiğini ve geldikleri organizmaların nasıl ilişkili olduğunu incelemek için filogenetik analizler için kullanılabilir. ⓘ
Yeni genlerin kökenleri
Ökaryotik soylarda yeni genlerin en yaygın kaynağı, genomdaki mevcut bir genin kopya sayısı varyasyonunu yaratan gen duplikasyonudur. Ortaya çıkan genler (paraloglar) daha sonra dizilim ve işlev bakımından farklılaşabilir. Bu şekilde oluşan gen kümeleri bir gen ailesini oluşturur. Bir aile içindeki gen duplikasyonları ve kayıpları yaygındır ve evrimsel biyoçeşitliliğin önemli bir kaynağını temsil eder. Bazen, gen duplikasyonu bir genin işlevsiz bir kopyasıyla sonuçlanabilir veya işlevsel bir kopya işlev kaybıyla sonuçlanan mutasyonlara maruz kalabilir; bu tür işlevsiz genlere psödogenler denir. ⓘ
Dizilimi mevcut genlerle hiçbir benzerlik göstermeyen "yetim" genler, gen kopyalarından daha az yaygındır. İnsan genomu, insan dışında tanımlanabilir homologları olmayan tahmini 18 ila 60 gen içerir. Yetim genler öncelikle ya önceden kodlanmayan sekanstan de novo olarak ortaya çıkar ya da gen duplikasyonunu takiben orijinal ilişkinin tespit edilemeyeceği kadar hızlı sekans değişikliği ile ortaya çıkar. De novo genler tipik olarak çoğu ökaryotik genden daha kısa ve daha basit yapıdadır ve çok az intron içerir. Uzun evrimsel zaman dilimleri boyunca, de novo gen doğumu, taksonomik olarak kısıtlı gen ailelerinin önemli bir kısmından sorumlu olabilir. ⓘ
Yatay gen transferi, genetik materyalin üreme dışındaki bir mekanizma yoluyla aktarılmasını ifade eder. Bu mekanizma prokaryotlarda yeni genlerin yaygın bir kaynağıdır ve bazen genetik çeşitliliğe gen çoğalmasından daha fazla katkıda bulunduğu düşünülmektedir. Antibiyotik direnci, virülans ve adaptif metabolik fonksiyonların yayılmasında yaygın bir araçtır. Yatay gen transferi ökaryotlarda nadir görülse de, bakteriyel kökenli genler içeren protist ve alg genomlarının olası örnekleri tanımlanmıştır. ⓘ
Genom
Genom, bir organizmanın toplam genetik materyalidir ve hem genleri hem de kodlamayan dizileri içerir. Ökaryotik genler FINDER kullanılarak açıklanabilir. ⓘ
Gen sayısı
Genom boyutu ve kodladığı gen sayısı organizmalar arasında büyük farklılıklar gösterir. En küçük genomlar virüslerde ve viroidlerde (tek bir kodlamayan RNA geni olarak hareket eden) görülür. Buna karşılık, bitkiler son derece büyük genomlara sahip olabilir; pirinçte >46.000 protein kodlayan gen bulunur. Protein kodlayan genlerin toplam sayısının (Dünya'nın proteomu) 5 milyon dizi olduğu tahmin edilmektedir. ⓘ
İnsan genomundaki DNA baz çifti sayısı 1960'lardan beri bilinmesine rağmen, genlerin tanımları ve tespit yöntemleri geliştirildikçe tahmini gen sayısı da zaman içinde değişmiştir. İnsan genlerinin sayısına ilişkin ilk teorik tahminler 2.000.000 kadar yüksekti. İlk deneysel ölçümler 50.000-100.000 transkripsiyonlu gen (ifade edilen dizi etiketleri) olduğunu göstermiştir. Daha sonra, İnsan Genom Projesi'ndeki dizileme, bu transkriptlerin çoğunun aynı genlerin alternatif varyantları olduğunu gösterdi ve protein kodlayan genlerin toplam sayısı, mitokondriyal genomda kodlanan 13 genle birlikte ~20.000'e revize edildi. GENCODE ek açıklama projesi ile bu tahmin 19.000'e düşmeye devam etmiştir. İnsan genomunun yalnızca %1-2'si protein kodlayan dizilerden oluşmakta, geri kalanı ise intronlar, retrotranspozonlar ve kodlamayan RNA'lar gibi 'kodlamayan' DNA'lardan oluşmaktadır. Her çok hücreli organizma, vücudunun her hücresinde tüm genlerine sahiptir, ancak her gen her hücrede işlev görmez. ⓘ
Temel genler
Temel genler, bir organizmanın hayatta kalması için kritik olduğu düşünülen genler kümesidir. Bu tanım, ilgili tüm besin maddelerinin bol miktarda bulunduğunu ve çevresel stresin olmadığını varsayar. Bir organizmanın genlerinin yalnızca küçük bir kısmı gereklidir. Bakterilerde, Escherichia coli ve Bacillus subtilis için tahminen 250-400 gen gereklidir, bu da genlerinin %10'undan daha azına karşılık gelir. Bu genlerin yarısı her iki organizmada da ortologdur ve büyük ölçüde protein sentezinde rol oynar. Tomurcuklanan maya Saccharomyces cerevisiae'de temel genlerin sayısı 1000 gen ile biraz daha yüksektir (genlerinin ~%20'si). Yüksek ökaryotlarda sayıyı ölçmek daha zor olsa da, fare ve insanların yaklaşık 2000 temel gene (genlerinin ~%10'u) sahip olduğu tahmin edilmektedir. Sentetik organizma Syn 3, 473 temel gen ve yarı temel genlerden (hızlı büyüme için gerekli) oluşan minimal bir genoma sahiptir, ancak 149'unun işlevi bilinmemektedir. ⓘ
Temel genler, organizmanın gelişiminde veya yaşam döngüsünde farklı zamanlarda ifade edilen genlerin yanı sıra temizlik genlerini (temel hücre işlevleri için kritik) içerir. Düzenleyici genler, nispeten sabit bir seviyede yapısal olarak ifade edildiklerinden, gen ifadesini analiz ederken deneysel kontroller olarak kullanılırlar. ⓘ
Genetik ve genomik isimlendirme
Gen isimlendirmesi, İnsan Genom Organizasyonu'nun bir komitesi olan HUGO Gen İsimlendirme Komitesi (HGNC) tarafından, bilinen her insan geni için, HGNC tarafından tutulan bir veritabanı aracılığıyla erişilebilen onaylı bir gen adı ve sembolü (kısa form kısaltması) şeklinde oluşturulmuştur. Semboller benzersiz olacak şekilde seçilir ve her genin yalnızca bir sembolü vardır (onaylanan semboller bazen değişse de). Semboller tercihen bir gen ailesinin diğer üyeleriyle ve diğer türlerdeki homologlarla, özellikle de yaygın bir model organizma olarak rolü nedeniyle fareyle tutarlı tutulur. ⓘ
Genetik mühendisliği
Genetik mühendisliği, bir organizmanın genomunun biyoteknoloji yoluyla değiştirilmesidir. 1970'lerden bu yana, bir organizmaya özel olarak gen eklemek, çıkarmak ve düzenlemek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Son zamanlarda geliştirilen genom mühendisliği teknikleri, bir kromozomda hedeflenen DNA onarımını oluşturmak için tasarlanmış nükleaz enzimlerini kullanarak, kırılma onarıldığında bir geni bozar veya düzenler. İlgili sentetik biyoloji terimi bazen bir organizmanın kapsamlı genetik mühendisliğine atıfta bulunmak için kullanılır. ⓘ
Genetik mühendisliği artık model organizmalarla yapılan rutin bir araştırma aracıdır. Örneğin, genler bakterilere kolayca eklenmekte ve belirli bir genin işlevi bozulmuş nakavt farelerin soyları, o genin işlevini araştırmak için kullanılmaktadır. Birçok organizma tarım, endüstriyel biyoteknoloji ve tıp alanlarındaki uygulamalar için genetik olarak değiştirilmiştir. ⓘ
Çok hücreli organizmalar için, tipik olarak genetiği değiştirilmiş yetişkin organizmaya dönüşen embriyo tasarlanır. Bununla birlikte, yetişkin bir organizmadaki hücrelerin genomları, genetik hastalıkları tedavi etmek için gen terapisi teknikleri kullanılarak düzenlenebilir. ⓘ