Geen: erinevus redaktsioonide vahel

Kui toimub [[valk]]ude tootmine, siis kõigepealt kopeeritakse [[DNA]] lõigult [[RNA]], mis on valgu vahepealne produkt. RNA sünteesimine on [[transkriptsioon]]. Mõne juhtumi puhul ongi RNA molekul see lõplik funktsionaalne ühik. RNA-d (tuntud kui [[ribosoomid]]) on ensümaatilise funktsiooniga ning [[mikroRNA]]-d on regulatoorse funktsiooniga. See konkreetne [[DNA]] järjestus, millelt toimub RNA transkribeerimine, on tuntud kui RNA geen.

Mõned viirused hoiavad oma [[geneetilist informatsioon]]i ainult RNA vormis, nende genoom ei sisalda DNA-d. Nad kasutavad RNA-d, et salvestada oma geene põhjusel, et nende [[peremeesrakk]] võib koheselt peale infektsiooni[[infektsioon]]i sünteesida viiruse enda rakke ning tänu RNA olemasolule ei pea toimuma eraldi transkriptsiooni protsess. Kuid samas näiteks RNA retroviirusel[[retroviirus]]el ([[HIV]]) on teistsugune mehhanism — [[pöördtranskriptsioon]], mis viib enne valkude tootmist läbi DNA sünteesimise RNA-st. 2006. aastal avastasid prantsuse teadlased müstilise mõistatuse, nimelt päritavuse RNA vahendusel hiirtes. Hiirtel, kellel oli mutatsiooni tagajärjel [[geen Kit]] kaotanud oma funktsiooni, oli valge saba. Teadlased avastasid, et Kit geeni [[mutatsioon]] ulatub RNA tasandile.<ref name="st">[Rassoulzadegan M, Grandjean V, Gounon P, Vincent S, Gillot I, Cuzin F (2006). "RNA-mediated non-mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse". Nature 441 (7092): 469–74. doi:10.1038/nature04674. PMID 16724059.]</ref> Seega viirustes on RNA tavaline geneetilise informatsiooni ühik, kuid samal ajal imetajates RNA pärilikkus on väga vähe uuritud.

Enamikel elusolenditel on geenid kodeeritud pikkadesse DNA ahelatesse. [[DNA]] ([[desoksüribonukleiinhape]]) on ahel, mis koosneb neljast nukleotiidi subühikust. Iga [[nukleotiid]] omakorda on kokku pandud viiesüsinikulisest suhkrust (2-[[desoksüriboos]]), fosforhappejäägist ning ühest neljast lämmastikalusest[[lämmastikalus]]est ([[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 ning guanosiin paardub tsütosiiniga. Lämmastikaluste vahele moodustuvad vesiniksidemed[[vesinikside]]med — 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[[glükosiidside]]metega 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 mononeerid lisatakse dehüdratsiooni reaktsiooniga 3’ otsale, reaktsioonimehhanism kasutab nukleofiilina[[nukleofiil]]ina 3’ hüdroksüülrühma.

Kui geen on kodeeritud DNA-ks, algab nende geenide [[ekpressioon]] ehk geen transkripteeritakse DNA-st RNA-ks. [[RNA]] on väga sarnane DNA-ga, aga RNA monomeeriks on desoksüriboosi asemel lihtsalt [[riboos]]. Samuti on väike muutus lämmastikhapete[[lämmastikhape]]te koosseisus — tümiini asemel on [[uratsiil]] U. RNA molekulid on vähemstabiilsed ja on tavaliselt üheahelalised (DNA on stabiilsem ja kaheahelaline). RNA-st transleeritakse valk. [[Valk]] moodustatakse järjestikustest nukleotiidikolmikute seeriatest. Kolme järjestikust nukleotiidi tuntakse koodoni[[koodon]]i nime all ning koodon vastab ühele aminohappele geneetilises koodis. Aminohapetest[[Aminohape]]test pannakse kokku valk. [[Geneetiline kood]] on vastavus aminohapete ja koodonite vahel.

Kõikidel geenidel on ka regulatoorsed regioonid lisaks nendele regioonidele, mis kodeerivad valke või RNA-d. Põhiline regulatoorne regioon geenis on [[promooter]]. Promooteris on kindel positsioon, mille tunneb ära [[transkritsioonimasin]], kui toimub geeni [[transkritsioon]] ja [[ekpressioon]]. Geenis võib olla rohkem kui üks promooter ning tänu sellele saab tekkida palju erineva pikkusega RNA-sid, sõltuvalt sellest kui kaugele nad pikenevad 5' otsas.<ref name="tppe">[Mortazavi A, Williams BA, McCue K, Schaeffer L, Wold B (May 2008). "Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq". Nat. Methods 5 (7): 621. doi:10.1038/nmeth.1226. PMID 18516045.]</ref> Kuigi promooteris on kindel [[konsensusjärjestus]], mis on kõige levinum järjestus selles positsioonis, on siiski geene, kellel on „tugevamad“ promooterid, mis seovad transkritsioonimasinat hästi ning „nõrgad“ promooterid, mis seovad halvemini. Nõrgemate promooterite seondumisel esineb madalam transkriptsiooni sagedus, sest need promooterid initsieerivad transkriptsiooni madalama sagedusega. Teine regulatoorne regioon on [[võimendaja]] ([[enhancer]]), mis suudab kompenseerida nõrga promooteri tööd. Eukarüootse[[Eukarüoot]]se promooteri regioonid on palju keerulisemad ja raskemini identifitseeritavad kui prokarüoodi promooterid.

Paljud prokarüootide[[prokarüoot]]ide geenid on organiseeritud operonidesse[[operon]]idesse. Operoni[[Operon]]i võib kuuluda ka grupp geene, mille produktidel on sarnased funktsioonid või mis on transkribeeritud ühe üksusena. Samal ajal aga eukarüootide geenid transkribeeritakse ükshaaval. Nende geenid sisaldadavad pikki DNA järjestusi — introneid[[intron]]eid. Introneid[[Intron]]eid transkribeeritakse, aga neid pole kunagi võimalik transleerida valguks, sest enne translatsiooni[[translatsioon]]i nad lõigatakse välja ehk toimub intronite [[splaissimine]]. Splaissimine toimub harva ka prokatüootides.<ref name="p">[Woodson SA (1998). "Ironing out the kinks: splicing and translation in bacteria". Genes Dev. 12 (9): 1243–7. doi:10.1101/gad.12.9.1243. PMID 9573040. Retrieved 2009-08-07.]</ref>

Organismi kõik geenid annavad kokku genoomi[[genoom]]i. [[Genoom]] on ühes kromosoomikomplektis[[kromosoom]]ikomplektis ([[haploidne]] kromosoomistik[[kromosoom]]istik) sisalduv [[geneetiline materjal]]. [[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[[plasmiid]]id — väikesed tsirkulaarsed DNA ahelad, mis kodeerivad ainult mõnda geeni ning mis on kergesti ülekantavad ühelt organismilt teisele. Näiteks antibiootikumi resistentsed geenid kodeeritakse tavaliselt bakterite palsmiididesplasmiidides ja antakse edasi rakult rakule ning seda isegi erinevate organismide vahel ehk [[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[[tuum]]a, kus DNA on komplektis histoonivalkudega[[histoon]]idega. DNA pakkimine histoonidega viiakse läbi regulatoorsete mehhanismidega. Eukrüootsete kromosoomide lõpud on [[kapeeritud]] pikkade kordusjärjestuste[[kordusjärjestus]]te poolt, milleks on telomeerid[[telomeer]]id. Telomeerid[[Telomeer]]id ei kodeeri ühtki geeni produkti, nad on vajalikud degradatsiooni[[degradatsioon]]i ennetamiseks. Degradeeruda võivad kodeerivad ning regulatoorsed regioonid DNA replikatsiooni käigus ning telomeeri ülesanne on seda ära hoida. Telomeeri pikkus suureneb iga kord, kui genoom on replitseeritud, et viia läbi raku reparatsiooni. Telomeeride puudumisel esineb rakuline vananemine või kaob rakkude võime jaguneda. Telomeeride pikenemisega kaasneb organismi vananemine.<ref name="x">[Braig M, Schmitt C (2006). "Oncogene-induced senescence: putting the brakes on tumor development". Cancer Res 66 (6): 2881–4. doi:10.1158/0008-5472.CAN-05-4006. PMID 16540631.]</ref>

Prokarüootide kromosoomides on geenid kondenseerunud. Aga samal ajal ekuraüootide geenid võivad sageli sisaldada „rämps-DNA“-d ehk DNA regiooni, millel puudub ilmne funktsioon. Lihtsatel üherakulistel eukarüootidel esineb vähe rämps-DNA-d, kuid kompleksetel mitmerakulistel organismidel (ka inimene) on enamikel DNA järjestusest identifitseerimata funktsioon.<ref name="plko">[International Human Genome Sequencing Consortium (2004). "Finishing the euchromatic sequence of the human genome". Nature 431 (7011): 931–45. doi:10.1038/nature03001. PMID 15496913. Retrieved 2009-08-07.]</ref> Kuigi valke kodeeriv ala DNA-st on ainult 2%, on siiski umbes 80% genoomist ekpresseeritud, seega võib olla termin „rämps„[[rämps-DNA“DNA]]“ valesti tõlgendatud.<ref name="te">[Elizabeth Pennisi (2007). "DNA Study Forces Rethink of What It Means to Be a Gene". Science 316 (5831): 1556–1557. doi:10.1126/science.316.5831.1556. PMID 17569836.]</ref>

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]]. Ning 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 geeni ekpressiooniks[[ekpressioon]]iks. Ning geeni ekpressiooniprotsessi tulemust nimetatakse [[geeni produktiksprodukt]]iks.

[[Geneetiline kood]] on komplekt reegleid, mille põhjal geen transleeritakse funktsionaalseks valguks. Iga geen koosneb kindlast nukleotiidide[[nukleotiid]]ide järjestusest, mis on kodeeritud DNA ahelasse (mõnedel viirustel on selleks RNA<ref name="plm">[MeSH (2008) National Library of Medicine - Medical Subject Headings. National library of medicine http://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2008/MB_cgi?mode=&term=RNA+Viruses&field=entry (accessed 27 September 2011) B04.820. 19990101.]</ref>). Nukleotiidid on põhiline geneetiline ehitusmaterjal ning aminohapped on põhiline valkude ehitusmaterjal. Nukleotiidide[[Nukleotiid]]ide ja aminohapete[[aminohape]]te 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-st koodonist vaid 20 on standardsed. Mitu koodonit võib vastata ühele ja samale aminohappele. Kõikides elusorganismides on geneetiline kood peaaegu [[universaalne]].

Transkriptsiooni[[Transkriptsioon]]i käigus sünteesitakse üheahelaline RNA molekul, tuntud kui [[informatsiooni-RNA]] ehk mRNA. Viimase järjestus on [[komplementaarne]] DNA järjestusega, millelt see transkribeeriti. Üks DNA ahel, mille järjestus vastab kodeeritud RNA-ga, on [[kodeeriv ahel]] ning teine DNA ahel, millelt RNA sünteesiti, on maatritsahel[[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 promooteriga[[promooter]]iga. Põhiliseks geeni regulatsiooni mehhanismiks on promooteri regiooni blokeerimine — selleks seondub tihedalt repressori[[repressor]]i molekul, mis füüsiliselt blokeerib polümeraasi töö või siis toimub DNA ümberorganiseerimine, mille tulemusena promooteri regioon muutub ligipääsmatuks.

Prokatüootide transkriptsioon toimub tsütoplasmas[[tsütoplasma]]s. Väga pikkade transkriptide puhul translatsioon algab RNA 5’ otsast, samal ajal kui 3’ otsas toimub alles transkriptsioon. Eukarüootides toimub transkriptsioon üldiselt tuumas, mis eraldab raku DNA. Polümeraasi poolt sünteesitud RNA molekul on tuntud kui primaarne transkript ning pärast sünteesi tehakse sellele transkriptile post-transkriptsionaalsed modifikatsioonid. Alles pärast modifikatsioone eksporditakse RNA tsütoplasmasse, kus toimub translatsioon. Modifikatsiooniks on intronite[[intron]]ite [[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.

Organismi kasv, areng ja reproduktsioon põhinevad raku jagunemisel. Raku jagunemine on protsess, mille käigus üks rakk jaguneb kaheks tavaliselt indentseks tütarrakuks. Selleks on vajalik kõigepealt genoomi igast geenist paljundaga koopia — [[DNA replikatsioon]]. Koopiaid valmistavad spetsiaalsed ensüümid — [[DNA polümeraasidpolümeraas]]id, mis loevad kaksikheeliksi[[kaksikheeliks]]i ühte ahelat (maatritsahelat[[matriitsahelat]]) ning 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.<ref name="olsk">[Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R (2004). Molecular Biology of the Gene (5th ed.). Peason Benjamin Cummings (Cold Spring Harbor Laboratory Press). ISBN 080534635X.]</ref>

Pärast DNA replikatsiooni toimub raku 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 ning eraldub tütarrakku[[tütarrakk]]u. Eukarüootne raku jagunemine on kompleksem protsess ehk [[raku tsükkeljagunemistsükkel]], mis jaguneb faasideks. DNA replikatsioon toimub [[S-faasisfaas]]is ning kromosoomide segregatsioon ja tsütoplasma jagunemine toimuvad [[M-faasisfaas]]is.

Geneetilise materjali [[duplikatsioon]] ning ülekanne ühe generatsiooni rakkudelt teisele on molekulaarse pärilikkuse alus. Organismid pärivad oma vanematelt tunnusjooni sellepärast, et järeltulijate rakud sisaldavad vanemate rakkude geenide koopiaid. [[Aseksuaalse reproduktsioonigapaljunemisega]] organismide järeltulija on vanemorganismi täpne koopia või kloon. Seksuaalses[[Sugulises reproduktsioonispaljunemises]] 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]] ning isase gameet on [[sperm]]. Kaks gameeti sulavad kokku ning tekib viljastatud munarakk, millel on [[diploidne]] arv geene — üks komplekt emalt, teine isalt. Meioosis protsessis toimub geneetiline [[rekombinatsioon]], kus ühe kromatiidi DNA lõik vahetab koha vastava õdekromatiidi DNA lõiguga.