gen

Mendel undersøgte bl.a. nedarvningen af karakteren ærtefarve med to træk, gul og grøn. Denne forskel skyldes et gen for ærtefarve, som i Mendels forsøg fandtes i to former, to alleller. I en diploid organisme som fx en ærteplante findes to udgaver af de fleste gener, et gen modtaget fra moderen og et fra faderen, og disse to gener danner individets genotype; er generne af samme allel, er organismen homozygot for denne allel, er de forskellige, er organismen heterozygot. Individets udseende, fænotypen, bestemmes ud fra en vekselvirkning mellem de to gener i genotypen, fx vil en ært med en gul og en grøn allel være gul, da allellen for gul farve er dominant, dvs. dominerer over allellen for grøn farve, som er den recessive allel. En gul ært kan bære allellen for grøn og give den videre til sit afkom, selvom den ikke kommer til udtryk; kun i homozygoter for den recessive allel kommer karakteren grøn til udtryk. Andre alleller kan give en intermediær fænotype for heterozygoten, og atter andre kan være codominante, dvs. at i et heterozygot individ kan virkningen af hvert gen erkendes som diskrete effekter på fænotypen. Et mendelsk gen er defineret som en arvelig enhed, der opfylder Mendels første arvelov: De to gener i et genpar adskilles fra hinanden, segregerer, under dannelsen af kønsceller, således at halvdelen af kønscellerne indeholder det gen, som individet modtog fra moderen, halvdelen det andet gen modtaget fra faderen.

De gener, som et individ har modtaget fra sine forældre, videregives uændret til afkommet. En heterozygot ærteplante med en allel for gul og en for grøn ærtefarve er vokset op fra en gul ært, men ved selvbestøvning danner den bælge med både gule og grønne ærter; genet for trækket grøn ært arves i uforandret form. Denne integritet af generne er central i genetikken. Generne er upåvirkede af det miljø og de påvirkninger, som individet har været udsat for gennem sit liv, hvorimod miljøet har indflydelse på individets udseende, dets fænotype.

Mendelgenetikken opfylder derfor en central påstand i Darwins evolutionsteori. Opfattelsen af de arvelige enheder som permanente og diskrete løser de problemer, som Darwin havde med at forklare bevarelsen af arvelig variation i en population. Disse aspekter af biologisk arv er centrale i den neodarwinistiske syntese af mendelgenetikken og Darwins evolutionsteori. Neodarwinismen er grundlaget for den moderne opfattelse af evolution af levende organismer. Genernes integritet er ikke absolut; ny variation i et gen dannes ved sjældne, tilfældige ændringer i genet, ved mutation.

Ifølge Mendels anden arvelov arves forskellige gener uafhængigt af hinanden; om en kønscelle indeholder allellen for grøn eller gul ært har ingen indflydelse på, hvilke udgaver af andre gener kønscellen indeholder. Dette svarer til den tilfældige sammensætning af ikke-homologe kromosomer i kønscellerne, som er resultatet af meiosen. På denne måde opstår nye kombinationer af gener arvet fra moder- og faderindividerne, genetisk rekombination.

Mendels anden lov gælder for gener, som bæres på forskellige kromosomer, hvorimod gener placeret på samme kromosom, koblede gener, viser mere begrænset rekombination: I individets kønsceller findes alleller fra samme forælderindivid oftere sammen end alleller med forskelligt ophav. Koblede gener rekombinerer, idet kromosomer kan udveksle stykker ved overkrydsning, hvorunder de to kromosomer i et par knækker over og udveksler tilsvarende stykker, hvorefter kromosomerne gendannes. Overkrydsning forekommer i princippet overalt på et kromosom, og hyppigheden, hvormed alleller af forskellige gener rekombinerer, giver et mål for, hvor langt fra hinanden og i hvilken orden generne sidder på kromosomet. Dette kan beskrives i et koblingskort over kromosomet, hvor generne placeres som perler på en snor med en afstand, som afspejler hyppigheden af rekombination mellem dem (se også centimorgan). Et gens karakteristiske position på kromosomet kaldes genets locus. Forsøg med bananfluer og majs viste allerede i 1940'erne, at alleller af gener kan rekombinere, dvs. et gen har en udstrækning på koblingskortet. Alleller opstået ved forskellige mutationer viste sig med meget lav hyppighed at kunne gendanne den oprindelige allel ved rekombination. Den enhed, som påvirkes ved mutation, er derfor mindre end genet, og genet har en finstruktur, som svarer til genets kemiske struktur.

Lægen A.E. Garrod erkendte allerede i 1909, at flere arvelige sygdomme hos mennesket forårsaget af recessive alleller skyldes medfødte defekter i stofskiftet. Dette pegede på en rolle for generne i styringen af organismens stofskifte. Patienter med Føllings sygdom (fenylketonuri) mangler fx evnen til at omdanne aminosyren fenylalanin til tyrosin. Resultatet er, at fenylalanin ophobes og omdannes til fenylpyrodruesyre, og for at undgå giftvirkningen af dette stof må den syge leve på en fenylalaninfattig diæt. Årsagen er, at patienten mangler enzymet fenylalanin-hydroxylase (se også genetiske sygdomme).

Den tætte forbindelse mellem gener og enzymer blev slået fast af G.W. Beadle og E. Tatum i 1940'erne gennem studier af skimmelsvampe. De studerede særlige næringskravsmutanter, som kun kunne gro, hvis de fik tilført bestemte stoffer i deres vækstmedium. Genetisk analyse af mutanter, som krævede aminosyren arginin, viste, at de kunne opdeles i tre grupper, afhængigt af deres genotype mht. tre gener i tre forskellige loci. De tre typer af mutanter havde defekter i tre forskellige enzymer, som virker på forskellige trin i syntesen af arginin. Beadle og Tatum foreslog på dette grundlag ét gen ét enzym-hypotesen, som udsiger, at generne kontrollerer organismens biokemiske processer ved at kontrollere produktionen af enzymer. Denne simple beskrivelse af genernes virkning er meget generel og anvendelig, og den senere udvikling af genetikken for skimmelsvampe og bakterier er i vid udstrækning baseret på brugen af næringskravsmutanter. Sammenhængen mellem gener og enzymer beskriver mange mendelske træk, fx mangler albinoer enzymet tyrosinase, som omdanner aminosyren tyrosin til et forstadium i syntesen af melanin, farvestoffet i hud og hår.

Generelt kontrollerer gener organismens produktion af proteiner, herunder enzymer og strukturelle proteiner. Denne kontrol udføres på to planer, dels i typen af celler og tidspunktet for produktion af proteinet, dels i opbygningen af proteinet.

Det første gennembrud i forståelsen af, hvordan gener kontrollerer cellens stofskifte, kom i 1961 med F. Jacobs og J. Monods undersøgelser af omsætningen af mælkesukker i bakterien Escherichia coli. Enzymet β-galaktosidase spalter mælkesukker, men enzymet produceres kun, når mælkesukker er til stede omkring bakterien. Et gen i bakterien producerer et protein, en repressor, som normalt sætter sig på et stykke DNA kaldet en operator, som er placeret umiddelbart foran β-galaktosidasegenet. Herved blokerer repressoren kopiering til RNA, genets transkription, men hvis mælkesukker er til stede, bliver repressoren inaktiv, idet et mælkesukkermolekyle bindes til proteinet, og genet kan herefter transkriberes.

Kontrol af genekspression gennem vekselvirkninger mellem gener og mellem gener og miljø når et højt og komplekst niveau i højere organismer (eukaryoter). Se molekylærgenetik og proteiner (Proteinsyntese).

I encellede organismer er generne både arvelige enheder, som cellen giver videre til afkommet, og kontrollører af de biokemiske processer i cellen. Hos flercellede organismer kan denne sammenhæng være brudt, og individets formering varetages af specialiserede organer. Hos mange planter kan store dele af individet danne organer til brug under den kønnede formering, men hos højere dyr har kun gonaderne gener i mendelsk forstand: Kun kopier af gonadernes gener kan videregives til afkommet som æg- og sædceller. Generne i resten af dyrets celler, de somatiske celler, bidrager kun til individets fysiologiske funktion, og hos højere dyr mister disse celler allerede tidligt i fosterudviklingen evnen til at reproducere individet. Hos mennesket er kun generne i bestemte dele af ovarierne og testiklerne arvelige, dvs. kun i æg- eller sædcellerne og de væv, som producerer æg- eller sædceller. Enhver ændring af gener eller kromosomer i disse væv er en genetisk mutation med konsekvenser for det fremtidige afkom. Modifikationer af gener eller kromosomer i andre væv har derimod ingen arvemæssige konsekvenser. Derfor vil en ændring af generne i fx leveren ved brug af DNA-manipulation, fx under genterapi, være at ligne med et kirurgisk eller medicinsk indgreb i leverens funktion, og det vil ingen konsekvenser have for de mendelske gener, som videregives til afkommet.

• DNA
• genetik