© Martin Wolsing
& WWaaWW 1999

Hvad er et gen og hvordan fungerer det?

Betegnelsen "gen" blev første gang brugt af den danske arvelighedsforsker Wilhelm Johansen i starten af 1900-tallet. Han opfattede det som et abstrakt begreb for arveanlæg og først senere blev man klar over, at genet var noget konkret.
I 1903 foreslog amerikaneren William S. Sutton at kromosomerne var det fysiske grundlag for arv. Da man allerede dengang vidste at kromosomer bestod af DNA og protein, blev den fremherskende mening, at det var proteinet der, pga. sin kompleksitet, måtte være det genetiske materiale. DNA blev blot betragtet som et støttemolekyle der bandt proteinerne sammen.
I 1944 lykkedes det den amerikanske kemiker Oswald Avery at isolere rent DNA, som han indsatte i bakterier. Derved ændredes deres funktion. Nogenlunde samtidig opdagede en anden kemiker, Erwin Chargaff, at forholdet mellem de fire baser i DNA varierer betydeligt fra art til art. Tilsammen var disse to opdagelser tilstrækkeligt til at overbevise flertallet om at det var kromosomerne og DNA der rent faktisk var det fysiske grundlag for arveligheden.
I 1953 kom så James Watson og Francis Cricks berømte model for DNAs opbygning. Modellen viste at DNA bestod af en spiral af to DNA-strenge som løber parallelt, men i hver sin retning. Ned langs midten af molekylet holder brintbindinger de to strenge sammen.
I 1961 demonstrerede Francis Crick sammen med Sydney Brenner at hver aminosyre i et protein bliver kodet af tre DNA-baser, som tilsammen kaldes et kodon og i 1965 havde man, efter talrige eksperimenter, fundet ud af, hvilke aminosyrer de 61 mulige kodons koder for.
Et gen blev herefter defineret som "den DNA-sekvens der koder for et givent protein", man gik med andre ord baglæns og oversatte proteinets aminosyresekvens til først en mRNA-sekvens og dernæst en basesekvens på DNA niveau. Se figur 1.1.

Figur 1.1 Protein-syntese. Et gen defineres som den DNA-sekvens der koder for et givent protein.

Denne definition holdt indtil 1977 hvor man opdagede afbrudte gener, eller på engelsk "interrupted genes". Det primære vidnesbyrd på det, var en sammenligning af strukturen af et givent stykke DNA og det tilsvarende mRNA. Det viste sig, at DNAet indeholdte nogle sekvenser som ikke kom til udtryk i mRNA. Mellem de kodende regioner der repræsenterede proteinet lå der med andre ord en eller flere regioner der ikke kodede for protein. Dette misforhold mellem sekvensen af DNA og mRNA er almindeligt i eukaryoter men meget sjældent i prokaryoter. De regioner der er repræsenteret i både DNA og mRNA kaldes exons, mens de regioner som kun er i DNA og mangler på mRNA kaldes introns.
Når et gen skal udtrykkes giver DNAet derfor ophav til en midlertidig mRNA-streng som nøjagtigt repræsenterer DNA-sekvensen. Herefter fjernes introns så kun exons bliver tilbage. Denne proces hvor introns fjernes kaldes RNA splicing.
Et strukturelt gen kan derfor nu defineres som "den DNA-sekvens der korresponderer med det midlertidige mRNA". Se figur 1.2.

Figur 1.2 Protein-syntese. Opdagelsen af interrupted genes, betød at et gen nu defineres som den DNA-sekvens der korresponderer med det midlertidige mRNA.

Det er nærliggende at tro at der må være en eller flere regulatorer, der styrer hvornår og hvor meget et givent gen skal udtrykkes - og det er der også.
Når et givent gen skal transkriberes foregår det ved hjælp af enzymet RNA-polymerase. RNA-polymerase binder til DNA-strengen umiddelbart foran (kaldes opstrøms) det gen der skal transkriberes i et område der kaldes promotoren.
I 1950'erne opdagede Francois Jacob og Jacques Monod at E. coli var i stand til at regulere produktionen af enzymet b-galactosidase som nedbryder lactose. De gener der koder for b-galactosidase kaldes lac-generne. Når lactose er tilstede i det medium hvor E. coli vokser er b-galactosidase koncentrationen ca. 1000 gange højere end når der ikke er lactose tilstede.
Det viste sig, at der et stykke opstrøms promotoren for lac-genet, var et gen der kodede for en repressor. Genet for repressoren blev udtrykt hele tiden - konstitutivt - dvs. at der hele tiden blev produceret repressor. Repressoren bandt sig til lac-promotoren, og derved forhindredes RNA-polymerase i at binde og starte transkribtionen af lac-generne. Med andre ord blev der ikke produceret b-galactosidase.
Hvis der i mediet var lactose tilstede ændrede repressoren konformation og kunne ikke længere binde til lac-promotoren, der derfor var fri så RNA-polymerase kunne binde sig og begynde transkribtionen af lac-generne.
Kort sagt: Hvis der er lactose til stede i mediet kan repressoren ikke binde til lac-promotoren og der produceres b-galactosidase. Hvis der derimod ikke er lactose tilstede binder repressoren til lac-promotoren, så der ikke produceres b-galactosidase. Se figur 1.3.

Figur 1.3 Simplificeret model af kontrollen af lac-generne. Hvis der er lactose til stede i mediet kan repressoren ikke binde til lac-promotoren og der produceres b-galactosidase. Hvis der ikke er lactose tilstede binder repressoren til lac-promotoren, så der ikke produceres b-galactosidase.

Denne form for kontrol kaldes negativ kontrol fordi et protein (repressor) blokerer for traskriptionen. Der findes også positiv kontrol hvor et protein (aktivator) aktiverer transkriptionen. Derudover findes der en masse andre kontrolmekanismer som det vil gå for vidt at komme nærmere ind på her ligesom kontrollen i de fleste flercellede eukaryoter, der foregår helt anderledes.
Definitionen af et gen kan nu udvides til at omfatte associerede regulator-sekvenser: Promotor, andre opstrøms regulatorer og en terminator som følger umiddelbart efter visse gener og sørger for at transkribtionen stopper.