Liegt ein Gen im Sense- oder im Antisense-Strang?

Keine der hervorgehobenen Regionen in Ihrer Abbildung ist ein Gen. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, aus dem ein Produkt entsteht. Grundsätzlich hat ein Gen eine Orientierung (5' → 3'), dh es ist im Wesentlichen eine einzelsträngige Region. Der Strang, der mechanistisch zur RNA-Synthese beiträgt (Matrize), hat jedoch die revers-komplementäre Sequenz des Gens (mit anderen Worten Antisense). Daher ist ein Gen, wie es annotiert wird, keine funktionelle Einheit, sondern eine genomische Repräsentation eines Produkts. Einige Viren (wie der M13-Phage ) haben ein einzelsträngiges Genom; für sie ist das Transkript immer antisense zur genomischen DNA-Region.

Derselbe Abschnitt der dsDNA kann mehrere Gene in beiden Orientierungen beherbergen, und dies ist deutlich bei Viren zu sehen, die ein sehr kompaktes Genom haben. Andere prokaryotische und eukaryotische Genome haben ebenfalls überlappende Gene.

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Bedeutet das, dass nur die angegebene Region von Molekül A ein Gen ist? Oder umfasst der angezeigte Teil von Molekül A + komplementärer Teil, der in Molekül B vorhanden ist, ein einzelnes Gen, so dass A ein Sense- und B ein Nonsense-Strang desselben Gens ist?

Werden die Moleküle A und B von entgegengesetzten Strängen exprimiert, so gelten sie als Produkte unterschiedlicher Gene, auch wenn sich die Genregion überschneidet.

Die Situation ist unklarer, wenn beide Moleküle von demselben Strang exprimiert werden und die transkribierte Region überlappt. Manchmal werden sie demselben Gen zugeordnet (Splice-Varianten) und manchmal nicht.

Dies sind einige Zeilen aus der Annotationsdatei des menschlichen Genoms, die die Position von Genen im Genom angibt ( +und -gegenüberliegende Stränge bezeichnet):

chr1 HAVANA-Gen 1567474 1570639 . + . gene_id "ENSG00000189409.8"; Transcript_id "ENSG00000189409.8"; gene_type "protein_coding"; gene_status "BEKANNT"; gene_name "MMP23B"; Transkripttyp "Proteinkodierung"; Transkriptstatus "BEKANNT"; Transkript_Name "MMP23B"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000074713.4";
chr1 HAVANA-Gen 1590786 1594063 . + . gene_id "ENSG00000272004.1"; Transcript_id "ENSG00000272004.1"; gene_type "antisense"; gene_status "NOVEL"; gene_name "RP11-345P4.10"; Transkripttyp "Antisense"; Transcript_Status "NOVEL"; Transkriptname "RP11-345P4.10"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000185638.1";
chr1 HAVANA-Gen 1603429 1604850 . + . gene_id "ENSG00000269737.1"; Transcript_id "ENSG00000269737.1"; gene_type "antisense"; gene_status "NOVEL"; gene_name "RP11-345P4.7"; Transkripttyp "Antisense"; Transcript_Status "NOVEL"; Transkript_Name "RP11-345P4.7"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000182604.1";
chr1 HAVANA-Gen 1604714 1605836 . + . gene_id "ENSG00000269227.1"; Transcript_id "ENSG00000269227.1"; Gentyp "Pseudogen"; gene_status "BEKANNT"; gene_name "RP11-345P4.6"; Transkripttyp "Pseudogen"; Transkriptstatus "BEKANNT"; Transkriptname "RP11-345P4.6"; Level 1; tag "pseudo_consens"; havana_gene "OTTHUMG00000182605.1";
chr1 HAVANA-Gen 1570603 1590473 . - . gene_id "ENSG00000248333.3"; Transcript_id "ENSG00000248333.3"; gene_type "protein_coding"; gene_status "BEKANNT"; gene_name "CDK11B"; Transkripttyp "Proteinkodierung"; Transkriptstatus "BEKANNT"; Transkript_Name "CDK11B"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000078638.4";
chr1 HAVANA-Gen 1592939 1624167 . - . gene_id "ENSG00000189339.7"; Transcript_id "ENSG00000189339.7"; gene_type "protein_coding"; gene_status "BEKANNT"; gene_name "SLC35E2B"; Transkripttyp "Proteinkodierung"; Transkriptstatus "BEKANNT"; Transkript_Name "SLC35E2B"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000078639.1";
chr1 HAVANA-Gen 1634169 1655766 . - . gene_id "ENSG00000008128.18"; Transcript_id "ENSG00000008128.18"; gene_type "protein_coding"; gene_status "BEKANNT"; gene_name "CDK11A"; Transkripttyp "Proteinkodierung"; Transkriptstatus "BEKANNT"; Transkript_Name "CDK11A"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000000703.14";
chr1 HAVANA-Gen 1634175 1669127 . - . gene_id "ENSG00000268575.1"; Transcript_id "ENSG00000268575.1"; gene_type "verarbeitetes_transkript"; gene_status "NOVEL"; gene_name "RP1-283E3.8"; Transkripttyp "verarbeitetes_Transkript"; Transcript_Status "Roman"; Transkript_Name "RP1-283E3.8"; Level 2; havana_gene "OTTHUMG00000183552.1";

In diesen Beispielen nicht offensichtlich, aber es gibt viele überlappende Gene in entgegengesetzten Strängen. Antisense-lncRNAs wären ein Beispiel, das man sich kurz ansehen sollte. Siehe Können beide überlappenden Gene (in entgegengesetzten Strängen) Proteine ​​produzieren? für ein Beispiel von Genen, die Antisense-überlappende Proteine ​​codieren.

Fazit : Die Definition von Gen ändert sich ständig, aber normalerweise hat ein Gen eine Strangorientierung. Insbesondere wenn zwei verschiedene RNAs aus entgegengesetzten Richtungen, aber aus derselben dsDNA-Region synthetisiert werden, dann sagt man, dass sie aus zwei verschiedenen Genen stammen. (Sehen Sie sich diese Rezension für einige spezifische Beispiele an)

Kurze Antwort

Bei der Bezugnahme auf Gene auf einem doppelsträngigen DNA-Chromosom (die in dieser Frage angenommene Situation) umfasst der allgemeine und wissenschaftliche Gebrauch des Begriffs „Gen“ beide DNA-Stränge.

Die praktische Definition von „Gen“ wurde in den letzten Jahren aus Gründen, die diskutiert werden, insbesondere in Bezug auf das ENCODE-Projekt, kritisch hinterfragt. Keine der Diskussionen, auf die ich gestoßen bin, erwägt jedoch, ein Gen auf einen einzelnen Strang zu beschränken.

Allgemeine und erzieherische Verwendung des Begriffs „Gen“

Der Begriff Gen wurde 1909 geprägt, „um die Mendelsche Einheit der Vererbung zu beschreiben“ , lange bevor vorgeschlagen und festgestellt wurde, dass sich diese Einheiten in der chromosomalen DNA von Organismen befinden.

Ein angesehenes allgemeines Wörterbuch, Mirriam-Webster, schlägt ein modernes Konzept des Begriffs vor, das für nicht spezialisierte Leser verständlich ist:

eine spezifische Sequenz von Nukleotiden in DNA oder RNA, die sich normalerweise auf einem Chromosom befindet und die die funktionelle Einheit der Vererbung darstellt, die die Übertragung und Expression eines oder mehrerer Merkmale steuert, indem sie die Struktur eines bestimmten Polypeptids und insbesondere eines Proteins spezifiziert oder die Funktion steuert von anderem genetischem Material,
z.B. „Sie hat von ihren Eltern einen guten Satz an Genen geerbt.“

Und eine ähnliche Definition wird dem medizinischen Beruf in Morton and Spences Genetics for Surgeons gegeben .

Trotz des in den letzten Jahren gewachsenen Wissens um die Komplexität von Genen ist in zwei Lehrbüchern der modernen Molekularbiologie das wesentliche Merkmal der Definition, dass sie allumfassend und nicht einschränkend ist . Somit ist die Definition in Alberts et al. — Molekularbiologie der Zelle ist:

DNA-Region, die ein einzelnes erbliches Merkmal kontrolliert, das normalerweise einem einzelnen Protein oder einer einzelnen RNA entspricht. Diese Definition umfasst die gesamte funktionelle Einheit, die codierende DNA-Sequenzen, nicht codierende regulatorische DNA-Sequenzen und Introns umfasst.

Und die Definition im Glossar von Lodish et al. — Molekulare Zellbiologie ist sehr ähnlich.

Neuere Überlegungen zum Genbegriff im Rahmen des ENCODE-Projekts

Es gibt mehrere Merkmale der Struktur und der Regulation der chromosomalen Informationen, die Proteine ​​spezifizieren, die zu einer erneuten Überlegung der Verwendung des Begriffs „Gen“ geführt haben. Dies ist nicht nur ein semantisches Anliegen, denn das große ENCODE-Projekt , dessen Ziel es war, eine „Enzyklopädie der DNA-Elemente“ bereitzustellen, hatte die praktische Aufgabe, die darin beschriebenen Elemente zu benennen.

Ich habe ein paar nützliche Artikel von anderen gefunden, die das Problem ausführlich betrachten. Die eine stammt von Smith und Adkinson (2010) und die andere von Portin und Wilkins (2017) . Eine kurze Zusammenfassung der Situation, die sie diskutieren, ist, dass es zwei Hauptprobleme gibt. Ein Problem ist die Abweichung vom Konzept „ein Gen – eine mRNA – eine Polypeptidkette“, die durch alternatives Spleißen, mehrere Promotoren und alternative Translationsinitiationsstellen verursacht wird. Ein zweites ist der Befund der Regulation der Transkription durch Sequenzen, die weit von der Transkriptionsinitiationsstelle entfernt sind.

Die allgemeine Überlegung ist, den Begriff „Gen“ im Sinne von Netzwerken oder integrierten Interaktionen neu zu definieren. Daher lautet der eigene Vorschlag von Portin und Wilkins:

Ein Gen ist eine DNA-Sequenz (deren Komponentensegmente nicht notwendigerweise physisch zusammenhängend sein müssen), die eine oder mehrere sequenzbezogene RNAs/Proteine ​​spezifiziert, die beide von Gen-Regulatorischen Netzwerken hervorgerufen werden und als Elemente in Gen-Regulatorischen Netzwerken teilnehmen, oft indirekt Effekte, oder als Ergebnisse von Genregulationsnetzwerken, wobei letztere direktere phänotypische Effekte ergeben.

und die vom ENCODE-Projekt verwendete wird von Gerstein et al. als:

Das Gen ist eine Vereinigung genomischer Sequenzen, die einen kohärenten Satz potentiell überlappender funktioneller Produkte codieren

1. Ein Gen ist eine genomische Sequenz (DNA oder RNA), die funktionelle Produktmoleküle, entweder RNA oder Protein, direkt kodiert.
2. In dem Fall, dass es mehrere funktionelle Produkte gibt, die sich überlappende Regionen teilen, nimmt man die Vereinigung aller überlappenden genomischen Sequenzen, die für sie kodieren.
3. Diese Vereinigung muss kohärent sein – dh separat für Protein- und RNA-Endprodukte erfolgen – erfordert jedoch nicht, dass alle Produkte notwendigerweise eine gemeinsame Untersequenz aufweisen

(Ergänzt wird es durch ein ontologisches Diagramm, das ich hier nicht wiedergeben werde.)

Dies ist komplex, aber in Bezug auf die Bedenken des Posters ist eines klar: Die Autoren befassen sich zu keinem Zeitpunkt mit Strandung, und es gibt keinen Vorschlag, dass ein Gen auf einen einzelnen Strang beschränkt ist .

Zwei einfache Argumente

Man könnte argumentieren, dass niemand Strandedness erwähnt, weil jeder davon ausgeht, dass sich ein Gen nur auf einem Strang befindet. Wirklich? Wie auch immer, ich werde mit ein paar banalen Argumenten abschließen, dass Strandung keinen Platz bei der Definition von Genen hat, ob sie sich überschneiden oder nicht.

• Die Transkriptionsfaktor/RNA-Polymerase-Bindungsstelle – die TATA-Box – wird als integraler Bestandteil eines Gens betrachtet. Zum Binden werden beide Stränge der TATA-Box benötigt. Ebenso andere Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren. Daher kann das Gen nicht nur auf einem Strang liegen.
• Einzelsträngige DNA-Viren werden mit sogenannten „Positive Sense“- und „Negative Sense“-Genomen gefunden. Unter diesen Genomen gibt es also eindeutig Vererbungseinheiten, die „Anti-Sinn“ lauten, sowie einige, die „Anti-Sinn“ sind. Nach der These vom „einsträngigen Gen“ könnte eines davon nicht als Gene bezeichnet werden. Man müsste sich einen Begriff von ihnen als Vorläufer des Gens im komplementären Strang in der replikativen DNA-Form ausdenken!