|
[[Pilt:DNA-skeem2.png|pisi|DNA kaksikheeliksi keemiline struktuur.]]
'''Geen''' ehk '''pärilikkustegur''' (inglise ''gene'') on [[kromosoom]]i kindlas [[lookus]]es paiknev [[pärivustegur]], mis määrab otse või kaudselt (tihti koostoimes teiste geenidega) ühe või mitme tunnuse arengu. [[DNA]] on [[molekul]]i funktsionaalne lõik, mis tavaliselt sisaldab [[informatsioon]]i ([[mRNA]] vahendusel) ühe [[valk|valgu]] (või [[polüpeptiid]]i) [[süntees]]ikssünteesiks (kuid on ka nt [[rRNA]] ja [[tRNA]] geenid, mis valgumolekule ei kodeeri).<ref name="Geneetika leksikon"/>
Geen võib olla teatud valku kodeeriv [[DNA]] või [[RNA]] järjestus või [[RNA]] ahel, millel on mingisugune konkreetne funktsioon organismis. Elusolendid sõltuvad geenidest, sest geenid määravad täpselt ära kõik [[valgud]] ning funktsionaalsed [[RNA]] ahelad. Geenid hoiavad enda sees informatsiooni, mille alusel ehitatakse ning säilitatakse organismi [[rakk]]e ning samuti mille põhjal pärandatakse järglastele geneetilist materjali. Kuid siiski rakus on [[organell]]e ([[mitokonder]]), mis replitseeruvad iseseisvalt ja neid ei kodeerita [[DNA]] põhjal. Kõikidel organismidel on palju geene, mis vastavad mitmetele erinevatele bioloogilistele tunnustele – mõned neist on meile nähtavad (nt silmavärv või jäsemete arv), mõned tunnused aga pole meile silmaga eristatavad (nt [[veregrupp]] või suurem tõenäosus saada mingisugune spetsiifiline haigus).
Geeni moderne definitsioon kõlab järgmiselt – ''Geen on [[genoom]]i järjestuse ümberpaigutatav regioon, mis on päritav. Geenis on regulatoorsed regioonid, transkribeeritud järjestused ja palju muid funktsionaalsete järjestuste regioone.''<ref name="test"/><ref name="te"/> Geenid eksisteerivad struktuurilt ja tihti ka funktsioonilt erinevate [[alleel]]idealleelide kujul<ref name="Geneetika leksikon"/>. Ühe geeni erinevaid variante nimetatakse [[alleel]]ideks. Kõnekeelne termin „geen“ (juuksevärvi geen, hea geen) viitab tavaliselt [[alleel]]ilealleelile. Tegelikult on geen [[nukleiinhape]]te järjestus ([[DNA]] või teatud [[viirus]]te puhul [[RNA]]) ja [[alleel]] on üks variant sellest geenist. Inimestel on olemas mingi teatud geeni järjestus, kuid kindlatel inimestel on selle geeni spetsiifiline [[alleel]] ehk selle geeni järjestuse üks variantidest. Geenid kodeerivad [[valk]]e, mis avalduvad teatud identifitseeritavate [[järjestus]]te põhjal, kuid päritav on siiski geen ise, mitte see konkreetne [[järjestus]].
==Füüsikalised definitsioonid==
===RNA geenid ja genoom===
Kui toimub [[valk]]udevalkude 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 [[ribosüümidribosüüm]]id) 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]]iinformatsiooni 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]] koheselt peale [[infektsioon]]i sünteesida viiruse enda rakke. Kuid samas näiteks RNA [[retroviirus]]el ([[HIV]]) on teistsugune mehhanism – [[pöördtranskriptsioon]], mis viib enne valkude tootmist läbi DNA sünteesimise RNA-st. 2006. aastal avastasid prantsuse teadlased müstilise mõistatuse, et päritavus hiirtes toimus RNA vahendusel. 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"/> Seega viirustes on RNA tavaline geneetilise informatsiooni ühik, kuid samal ajal on imetajates RNA pärilikkus väga vähe uuritud.
===Geeni funktsionaalne struktuur===
[[Pilt:kodeeriv geen.png|pisi|Diagramm tüüpilisest eukarüootsest valku kodeerivast geenist. Promooterid ja võimendajad määravad, kui suures mahus DNA-d transkribeeritakse pre-mRNA-ks. Pre-mRNA splaissitakse seejärel, saadakse mRNA, mis hiljem transleeritakse valguks.]]
Enamikel 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 ning ühest neljast [[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 [[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 [[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 [[nukleofiil]]ina 3’ hüdroksüülrühma.
Kui geen on kodeeritud DNA-ks, 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 [[lämmastikhape]]te koosseisus — tümiini asemel on [[uratsiil]] U. RNA molekulid on vähemstabiilsed ja tavaliselt üheahelalised (DNA on stabiilsem ja kaheahelaline). RNA-st transleeritakse valk. [[Valk]] moodustatakse järjestikustest nukleotiidikolmikute seeriatest. Kolme järjestikust nukleotiidi tuntakse [[koodon]]i nime all ning koodon vastab ühele aminohappele geneetilises koodis. [[Aminohape]]test pannakse kokku valk. [[Geneetiline kood]] on vastavus aminohapete ja koodonite vahel.
Eristatakse [[struktuurgeen|struktuur]]- ja [[regulaatorgeen]]e<ref name="Geneetika leksikon"/>. 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 [[transkriptsioonimasin]]. 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"/> Promooteris on kindel [[konsensusjärjestus]], mis on kõige levinum järjestus selles positsioonis. Kuid on siiski geene, kellel esinevad „tugevamad“ promooterid, mis seovad transkriptsioonimasinat 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. [[Eukarüoot]]se promooteri regioonid on palju keerulisemad ja raskemini identifitseeritavad kui prokarüoodi promooterid.
Paljud [[prokarüoot]]ide geenid on organiseeritud [[operon]]idesse. [[Operon]]i võib kuuluda ka grupp geene, mille produktidel on sarnased funktsioonid või mis on transkribeeritud ühe üksusena. Samal ajal aga transkribeeritakse eukarüootide geenid ükshaaval. [[Eukarüoot]]ide [[geen]]id on enamasti katkendliku struktuuriga: kodeerivate [[nukleotiid]]ijärjestuste ([[ekson]]ite) vahel on mittekodeerivad järjestused ([[intron]]id); geeni pidevus [[mRNA]]-s on tagatud [[pre-mRNA]] töötlusega [[rakutuum |tuumas]]<ref name="Geneetika leksikon"/>. [[Intron]]eidIntroneid transkribeeritakse, aga neid pole kunagi võimalik transleerida valguks, sest enne [[translatsioon]]i nad lõigatakse välja ehk toimub intronite [[splaissimine]]. Splaissimine toimub harva ka prokatüootides.<ref name="p"/>
===Kromosoomid===
Organismi kõik geenid annavad kokku [[genoom]]i. [[Genoom]] on ühes [[kromosoom]]ikomplektis ([[haploidne]] [[kromosoom]]istikkromosoomistik) sisalduv [[geneetiline materjal]]. [[Populatsioonigeneetika]]s 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 [[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 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 [[tuum]]atuuma, kus DNA on komplektis [[histoon]]idegahistoonidega. DNA pakkimine histoonidega viiakse läbi regulatoorsete mehhanismidega. Eukrüootsete kromosoomide lõpud on [[kapeeritud]] pikkade [[kordusjärjestus]]te poolt, milleks on [[telomeer]]id. [[Telomeer]]idTelomeerid ei kodeeri ühtki geeni produkti, nad on vajalikud [[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"/>
Prokarüootide kromosoomides on geenid kondenseerunud. Aga samal ajal eukraüootide 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.<ref name="plko"/> Kuigi valke kodeeriv ala DNA-st on ainult 2%, on siiski umbes 80% genoomist ekspresseeritud, seega võib olla termin „[[rämps-DNA]]“ valesti tõlgendatud.<ref name="te"/>
==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]]. 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 [[ekspressioon]]iks. Ning geeni ekspressiooniprotsessi tulemust nimetatakse [[geeni produkt]]iksproduktiks.
===Geneetiline kood===
===Transkriptsioon===
[[Transkriptsioon]]i 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]] ning 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 [[promooter]]iga. Põhiliseks geeni regulatsiooni mehhanismiks on promooteri regiooni blokeerimine – selleks seondub ahelaga [[repressor]]i molekul, mis füüsiliselt blokeerib polümeraasi töö või siis toimub DNA ümberorganiseerimine, mille tulemusena promooteri regioon muutub ligipääsmatuks.
Prokatüootide transkriptsioon toimub [[tsütoplasma]]s. Väga pikkade transkriptide puhul translatsioon algab RNA 5’ otsast, samal ajal kui 3’ otsas toimub alles transkriptsioon. Eukarüootides toimub transkriptsioon üldiselt tuumas, kus tuumamembraan eraldab DNA ülejäänud raku sisust. 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 [[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.
==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 polümeraas]]id, mis loevad [[kaksikheeliks]]i ühte ahelat ([[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"/>
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 ning eraldub [[tütarrakk]]u. Eukarüootne raku jagunemine on kompleksem protsess ehk [[raku jagunemistsükkel]], mis jaguneb faasideks. DNA replikatsioon toimub [[S-faas]]is ning kromosoomide segregatsioon ja tsütoplasma jagunemine toimuvad [[M-faas]]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 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]] ning isase gameet on [[sperm]]. Kaks gameeti sulavad kokku ning 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.
==Vaata ka==
|
