Генетический код: описание, характеристики, история исследования. Один ген хранит информацию о

Энциклопедия - Геном

Свойство походить на своих предков называют наследственностью. И хотя сходство между родителями и потомками велико, но, как правило, не абсолютно – всегда есть вариации и по отдельным признакам, и по степени их выраженности. Проявление наследственных признаков нередко зависит от условий, в которых происходит развитие – организм к ним приспосабливается, изменяя некоторые свои характеристики.

Наследственность и хромосомы

Хранителями наследственной информации являются хромосомы – микроскопические тельца в ядре клетки (рис.1). В каждой клетке любого организма конкретного вида содержится определенное число хромосом. У человека их 46. Поскольку хромосомы всегда парны (имеется по две хромосомы каждого сорта), то можно сказать, что у человека 23 пары хромосом. Подавляющее большинство клеток человеческого организма содержат все 46 хромосом (диплоидный набор), и только половые клетки – гаметы – имеют по 23 хромосомы (гаплоидный набор). При оплодотворении мужская и женская половые клетки сливаются, поэтому оплодотворенная яйцеклетка, как и все клетки развивающегося из него нового организма, получают 46 хромосом, половину – от матери, половину – от отца.

Хромосома – это гигантская молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), скрученная особым образом. На отдельных участках молекулы ДНК (соответственно, и хромосомы) закодирована наследственная информация. Участок молекулы ДНК, в котором зашифрована единица наследственной информации, называется геном (рис. 2). Один ген хранит информацию о строении определенной молекулы белка, входящей в состав тела человека. Совокупность генов, то есть вся информация, заключенная в хромосомах, получила название геном.

Генетический код

Белки построены из 20 видов аминокислот, а ген кодирует каждую аминокислоту трехбуквенным кодом. Всего же для генетического кодирования последовательности аминокислот в белках существует 4 вида оснований, содержащихся в ДНК. Поскольку молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей, основания одной нити взаимодействуют с основаниями другой (см. рис. 2). Поэтому говорят о паре оснований или нуклеотидной паре в молекуле ДНК.

В 1966 году усилиями ученых многих стран был расшифрован генетический код. Самое важное, что генетический код оказался универсальным для всей живой природы: у бактерии, слона и незабудки одни и те же коды для соответствующих аминокислот. Это свойство кода имеет огромное практическое значение: гены одного организма могут быть перенесены в любой другой, и в любой чужеродной клетке содержащаяся в генах программа может быть использована для синтеза полноценных белковых молекул. Перенос генов в новый организм производится с помощью методов генной инженерии, а животные или растения, содержащие инородный ген (трансген), введенный в их хромосомы, названы трансгенными.

Исследование генома человека

На повестке дня молекулярной биологии – расшифровка ДНК высших организмов, состоящих из тысяч и миллионов пар оснований. Расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК называется секвенированием. Один из его этапов сводится к дроблению генома и каждой ДНК на маленькие фрагменты, которые исследуются компьютером, а затем собираются в полную последовательность.

Для всестороннего исследования генома человека с 1990 года ведется международная программа «Геном человека» (Human Genome Project) – один из самых дорогостоящих и дерзновенных проектов в истории человечества. Основной задачей программы является построение генетических карт каждой хромосомы человека (рис.3,4) и определение полной первичной структуры ДНК всех хромосом.

Для решения этой задачи создан Международный консорциум по изучению генома человека, который объединил 20 лабораторий и сотни ученых мира. Общая стоимость проекта оценивается в 1,5 миллиарда долларов. Начиная с 1998 года, к работе по секвенированию генома человека присоединилась частная компания Целера Геномикс. В рамках проекта для сравнения с человеком расшифрованы геномы одной бактерии, дрожжевого гриба, круглого червя с длиной тела 1 миллиметр, плодовой мушки дрозофилы, маленького цветочного растения и мыши.

В результате работы по проекту «Геном человека» у человека обнаружено 31 тысяча 780 генов, фирма Целера Геномикс получила другие результаты – 39 тысяч 114 генов (ранее считалось, что человек имеет от 50 до 140 тысяч генов). В каждой ДНК гены занимают лишь 1–2%, остальная часть приходится на повторы или другие последовательности. Количество нуклеотидных пар всех 46 молекул ДНК в клетке человека равняется 6,4 миллиарда. Самым большим геном, найденным в геноме человека, является ген мышечного белка, содержащий 2,4´106 нуклеотидных пар.

Хромосома 22, одна из самых маленьких, была расшифрована в конце 1999 года, и статья, сообщившая об этом, имела почти 200 авторов. По их данным, хромосома 22 имеет от 679 до 817 генов, из которых 150 – псевдогены.

Международный консорциум еще в 2003 году сообщил, что расшифровано 99,99% генома человека. Результаты свидетельствуют о том, что у человека большее распространение, чем в геномах других организмов, получили гены иммунной защиты, внутри- и межклеточной сигнализации, нервной системы и гомеостаза. Количество генов, кодирующих белки, у человека в 2 раза больше, чем у червя, мушки и растения. Это обусловлено возникновением у человека новых белков. По мнению ученых, человеческий организм не изобретал новые гены, а использовал элементы существующих, собирая из них новые белки с новыми функциями.

Идентифицированы сотни генов редко встречающихся наследственных болезней, более 100 онкогенов. Установлено, что в развитие наследственных заболеваний вовлечено 1400 генов. Уже длительное время человек располагает информацией о структуре гена ВИЧ.

В июле 2012 года журнал Cell опубликовал результаты работы группы ученых из Стэнфордского университета об успешном завершении длившегося почти десятилетие процесса расшифровки полного генома сперматозоида. На основании полученной в ходе параллельной расшифровки генома каждого сперматозоида информации, исследователи составили персональную рекомбинационную карту, позволяющую оценить последовательность, частоту и другие характеристики каждого эпизода рекомбинации и мутации генов. Полученные результаты, по мнению ученых, очень важны для изучения причин бесплодия у мужчин.

Интересен факт, что до 10% генома человека составляют повторяющиеся элементы, напоминающие интегрированную форму инфекционных ретровирусов птиц и млекопитающих. Биологическая роль их пока не известна. Но у обезьян этих вирусов намного меньше или нет вообще. Получается, что по чужеродным элементам генома человек и обезьяна различаются гораздо сильнее, чем по самим генам. Это позволило высказать предположение, что вирусы могли сыграть важную роль в превращении обезьяны в человека! Было проведено сравнение ДНК неандертальца и современного человека. Различия говорят о том, что разделение этих ветвей эволюции произошло около 600 тысяч лет назад, и в течение многих тысяч лет мы жили рядом.

Клонирование

В 1997 году из клеток взрослой овцы была клонирована овечка Долли с целью создания идентичных трансгенных животных, которые с молоком секретировали бы факторы свертывания крови или инсулин. Для этого осуществили ядерный перенос – ядро яйцеклетки замещали донорскими клетками из вымени взрослой овцы. Новый организм должен был стать точной копией взрослого донора. Из 200 переносов один закончился успешно, и на свет появилась Долли (рис.5). Спустя некоторое время успешно провели единственный опыт клонирования приматов: двух макак-резусов вырастили из эмбриональных клеток. К сожалению, опыт не удалось повторить.

Помимо производства лекарственных средств, клонирование можно использовать для спасения исчезающих видов животных и растений, лечения генетических болезней домашних животных, производства органов для трансплантации и создания моделей болезней человека. Поскольку эти эксперименты заставили задуматься о клонировании человека, их определили как аморальные и неэтичные, что в результате привело к запрету исследований в области клонирования. Перспективным признается лишь клонирование клеток с целью их трансплантации обратно пациенту для замещения поврежденных тканей (терапевтическое клонирование).

www.medweb.ru

хранение и передача. Генетический код. Цепочка ДНК

После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.

Цепочка ДНК

Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.

Что такое наследственная информация?

Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли нуклеиновые кислоты в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.

Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.

носители наследственной информации

В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.

Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.

Функции ДНК

К функциям дезоксирибонуклеиновой кислоты относятся хранение наследственной информации и ее передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий. Организмы, которые претерпели серьезные мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.

Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.

Состав нуклеиновых кислот

Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:

Ортофосфорная кислота.
Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.

Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.

Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.

Уровни организации наследственной информации

Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.

уровни организации наследственной информации

Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.

Разделяют несколько видов генов:

по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;

по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.

Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка.

А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.

Каков генетический код человека?

Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.

что такое наследственная информация

У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая - от матери.

Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.

Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом - №17. А самая большая пара - 1 и 3.

Диаметр двойной спирали у человека - всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.

Как передается генетический код?

Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации - находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.

Но у человека другой процесс передачи генов - половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.

Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.

Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.

Реализация наследственной информации

В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.

Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.

Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.

Принцип комплементарности

Спирали ДНК состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.

На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.

РНК и его виды

Что такое наследственная информация? Это последовательность нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.

Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.

Информационная (иРНК), или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.

Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.

Репарация поврежденной молекулы ДНК

Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.

На каком уровне происходит реализация наследственной информации

Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.

Почему происходят мутации?

Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.

Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.

Хранение и передача наследственной информации

Геномные мутации наиболее серьезны. Их причина - это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.

Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.

Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.

fb.ru

Ген — Викизнание... Это Вам НЕ Википедия!

Ген - биологическая сущность, хранящая часть наследственной информации.
Совокупность генов образует геном
Ген "(от греч. genos-род, происхождение), участок молекулы ДНК (в некоторых случаях РНК), в котором закодирована информация о биосинтезе одной полипептидной цепи с определенной аминокислотной последовательностью. Ген - единица наследств. материала, обеспечивающая формирование к.-л. признака организма и его передачу в ряду поколений. Контролируют все клеточные процессы на молекулярном уровне, обеспечивая биосинтез белков, в первую очередь ферментов. Если белок состоит из более чем одной полипептидной цепи, синтез каждой из них контролируется самостоятельным геном."

Участки молекул (^^) ДНК соответствующие различным генам состоят из ((VV)) нуклеотидов.

Гены эукариот[править]

Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. Прежде всего это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор – последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов. Важная особенность эукариотических генов – их прерывность. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни – экзоны – это участки ДНК, которые несут информацию о строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие – интроны – не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулы и-РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов – «ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и-РНК осуществляется специальными ферментами и получил название Сплайсинг (сшивание, сращивание). Экзоны обычно соединяются вместе в том же порядке, в котором они распологаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариот прерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериальным, наблюдается полное соответствие нуклеотидов последовательности первичной структуре кодируемых ими белков. Таким образом, ген эукариот во многом похож на оперон прокариот, хотя и отличается от него более сложной и протяженной регуляторной зоной, а также тем, что он кодирует обычно только один белок, а не несколько, как оперон у бактерии.

Генетический код[править]

Последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК является кодом, в соответствии с которым осуществляется соединение аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковых молекул, строящихся под контролем соответствующих генов. Было установлено, что включение одного аминокислотного остатка в строящуюся полипептидную цепь определяется сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов, так называемых триплетов, причем включение одной и той же аминокислоты могут кодировать несколько различных триплетов Доказано, что генетический код универсален, т.е. он един для всех живых организмов. Реализация информации, «записанной» в гене, осуществляется с помощью посредника, которым является одна из разновидностей РНК — матричная, или информационная, РНК (мРНК). Синтез мРНК происходит на молекуле ДНК как на матрице. Такой матричный синтез обеспечивает точность «переписывания» (транскрипции) особенностей нуклеотидной последовательности гена на молекулу мРНК. Синтезированная мРНК из ядра клетки поступает в цитоплазму, где на рибосомах происходит реализация генетической информации (процесс трансляции), которая воплощается в последовательность аминокислот, соединяющихся в полипептидную цепь белка.

Ген может непосредственно определять наличие какого-либо признака (фена) организма или принимать участие в формировании нескольких признаков (явление плейотропии). Однако основная масса признаков у человека формируется в результате взаимодействия многих генов (явление полигении). Утрата гена или его изменение (см. Мутагенез) приводят к изменению признака, контролируемого этим геном. Степень проявления признака, контролируемого конкретным геном (экспрессивность гена), зависит также от условий окружающей среды. В то же время даже в пределах родственной группы особей, находящихся в сходных условиях существования, проявление одного и того же гена может варьировать по степени выраженности. Все это свидетельствует о том, что при формировании признаков генотип выступает как целостная система, функционирующая в строгой зависимости от внутриорганизменной и окружающей среды. Т.о., отдельный признак или совокупность всех признаков организма, т.е. его фенотип, являются результатом взаимодействия генотипа с окружающей средой; способность гена фенотипически проявлять себя тем или иным образом называют пенетрантностью гена.

Структурные гены относятся контролируют (кодируют) первичную структуру матричных, или информационных, РНК, а через них последовательность аминокислот в синтезируемых полипептидах (см. Белки). Другую группу структурных генов составляют гены, определяющие последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях рибосомной РНК и транспортной РНК (см. Нуклеиновые кислоты).
Регуляторные гены контролируют синтез специфических веществ, так называемых ДНК-связывающих белков, которые регулируют активность структурных генов.
Повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Функции их не известны.
Мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены).
Псевдогены, представляют собой неактивные копии известных генов, но расположенные в других частях генома.

www.wikiznanie.ru

Хромосомы дают первые сведения о структуре генома

Выше уже говорилось, что в ядре клетки молекулы ДНК расположены в особых структурах, получивших название хромосомы. Их исследование началось еще свыше 100 лет назад с помощью обычного светового микроскопа. Уже к концу XIX века выяснилось кое-что о поведении хромосом в процессе деления клеток и высказывалась мысль об их участии в передаче наследственности.

Хромосомы становятся видимыми в микроскопе при делении клетки на определенной стадии клеточного цикла, называемой митозом. Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка, которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой. При делении клетки в ходе митоза происходит удвоение числа хромосом, в результате которого обе вновь образующиеся клетки в конечном итоге обеспечиваются одним и тем же стандартным набором хромосом.

Лишь в 1956 г. впервые Ю. Тио и A. Леван описали хромосомный набор человека, определили количественный состав хромосом и дали их общую морфологическую характеристику. По сути дела эти работы и положили начало изучению структуры генома человека. У человека в каждой клетке тела содержится 46 хромосом, физические длины которых находятся в пределах от 1,5 до 10 мкм (рис. 7).

Рис. 7. Вид под микроскопом полного набора хромосом, содержащихся в ядре каждой отдельной клетки человека

Напомним читателю, что набор хромосом во всех клетках человека (за исключением половых) называют диплоидным (двойным), поскольку каждая из хромосом представлена двумя копиями (всего 23 пары). Каждая соматическая клетка человека (кроме красных кровяных клеток крови) содержит по 2 полных набора хромосом. В каждом единичном (гаплоидном) наборе присутствует 23 хромосомы — 22 обычные хромосомы (аутосомы) и по одной половой хромосоме — X или Y. Таким образом, геном каждого конкретного человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, а если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24. Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом.

Изучение строения (размера и формы) хромосом человека показало, что большинство из них по внешнему виду напоминают кегли, состоящие из двух толстых частей (хроматид) и тонкой перетяжки (центромеры) между ними. Сходство с кеглями, а не с гантелями заключается в том, что центромера чаще всего расположена не в центре хромосомы, а смещена к одному из ее концов. Размеры хромосом сильно варьируют, самая короткая хромосома примерно в десять раз меньше, чем самая длинная. Это второе принципиально важное сведение о структуре генома человека — составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер.

Если сравнивать число и размер хромосом у человека и у других видов организмов, то можно увидеть огромные отличия. Например, у коровы, размер генома которой примерно равен геному человека, имеется 60 пар хромосом. У шпорцевой лягушки содержится всего 18 хромосом, но даже самые маленькие из них больше, чем самые крупные хромосомы человека. У птиц, наоборот, число хромосом достигает 40 и более и все они очень небольшие по размерам. Таким образом, разнообразие хромосом в природе весьма велико.

С помощью световой микроскопии были определены размеры всех хромосом человека. Затем все неполовые хромосомы были пронумерованы по уменьшению размера — от 1 до 22. Половым хромосомам не присвоили номер, а назвали X и Y. Как показали более точные последующие исследования, хромосома 21 реально оказалась чуть меньше 22, однако нумерацию хромосом не изменили (чтобы не вносить путаницу). Различие в хромосомных наборах между мужчинами и женщинами состоит в том, что у женщин имеются две половые X-хромосомы (т. е. хромосомы во всех 23-х парах одинаковы), а у мужчин пару с X-хромосомой образует мужская половая хромосома — Y. Каждую хромосому можно рассматривать как отдельный том большого двадцатичетырехтомного собрания сочинений под названием Энциклопедия человека.

Половые клетки человека, в отличие от клеток тела взрослого организма (соматических клеток), содержат не 2 набора томов ДНКового текста, а всего лишь один. Перед зачатием каждая отдельная хромосома (отдельный том в Энциклопедии человека) сперматозоида отца и яйцеклетки матери состоят из смешанных в разном сочетании различных глав ДНКового текста их родителей. Любая из хромосом, полученная нами от отца, образовалась в его семенниках незадолго до того, как мы были зачаты. Ранее, за всю историю человечества, точно такая хромосома никогда не существовала. Она была сформирована в процессе случайного перемешивания, происходящего при делении, постепенно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом предков со стороны отца. Также обстоит дело и с хромосомами яйцеклеток, за исключением того, что они формируются в организме нашей матери задолго до нашего рождения (почти сразу после рождения самой матери).

В зиготе, образующейся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, материнские и отцовские гены смешиваются и перетасовываются в разных сочетаниях. Это происходит в результате того, что хромосомы не остаются неизменными в поколениях — они вступают во взаимодействие со своей случайно встреченной парой, обмениваясь с ней материалом. Такой постоянно идущий процесс получил название рекомбинации. И следующему поколению часто достается уже гибридная хромосома — часть от дедушки и часть от бабушки. Далее в ряду поколений пути генов постоянно пересекаются и расходятся. В результате слияния уникальной яйцеклетки с уникальным сперматозоидом и возникает уникальный во всех отношениях геном. И в этом смысле все мы уникумы. Каждый человеческий индивид хранит уникальную генетическую информацию, состоящую из случайной комбинации разных вариантов генов.

Отдельный ген можно рассматривать как единицу, продолжающую существовать в ряду многочисленных поколений. И в этом смысле ген бессмертен! Существует даже такая оригинальная точка зрения, что не сами люди, а их гены правят миром, а каждый конкретный живой организм служит лишь временным прибежищем для них. Эта не бесспорная мысль принадлежит Ричарду Докинзу, автору книги «Эгоистичный ген». По его мнению, гены практически бессмертны в отличие от живых организмов, в которых они существуют. Некоторым генам десятки и даже сотни миллионов лет. Гены, пользуясь терминологией Докинза, делают все возможное, чтобы выжить. Приспосабливаются к жаре и холоду, выбирая себе местечко получше, мигрируют с помощью человека и вступают в новые комбинации. Человек оказался довольно непоседливым хозяином. За тысячи лет он сильно исколесил мир, распространяя свое присутствие, влияние и свою начинку — гены. (Подробнее с идеями и аргументацией Р. Докинза любознательный читатель может познакомиться в Приложении 1). Такая точка зрения далеко не бесспорна, и из дальнейшего изложения нам станет понятно, что гены — это в первую очередь не эгоисты, а трудоголики. Имеются гены — «сторожа» генома, гены — «дворники», гены — «повара» и гены — «домоуправители». Обеспечивая свое существование, они обеспечивают и существование нас.

Сразу после зачатия будущий человек представляет собой всего одну клетку (зиготу), наделенную одной исходной ДНКовой библиотекой, содержащей 46 томов. Среди 46 томов всегда 23 получены от отца, а другие 23 — от матери. Тексты 23 отцовских и 23 материнских томов хотя и очень сходны в целом, тем не менее отличаются в деталях. Например, в отцовском томе № 18 на странице 253 существует предложение-предписание (в виде гена), в котором сказано, что глаза у ребенка должны быть карими, а в этом же материнском томе на той же странице тоже написано о цвете глаз, но согласно этому тексту цвет должен быть голубыми. Первое указание более строгое (доминирующее), чем второе, и в результате у ребенка глаза будут иметь карий цвет. Ген, который диктует свои права, называют доминирующим, а тот, который уступает свои права, — рецессивным. Голубой цвет глаз имеют только те люди, у которых и в материнском, и в отцовском тексте содержатся рецессивные гены, в которых есть указание на голубоглазость. Затем зигота делится на две клетки, каждая из них вновь делится и так до появления миллиардов клеток. Схематически процесс деления клеток изображен на рис. 8.

При каждом делении клетки содержащиеся в библиотеках тома ДНКового текста точно копируются, причем практически без ошибок. Организм взрослого человека состоит в среднем из 1014 клеток. Например, в головном мозге и печени насчитывается примерно по 10 млрд. клеток, в иммунной системе — 300 млрд. клеток. В течение всей жизни человека в его организме происходит около 1016 клеточных делений. Клеточный состав многих органов за 70 лет жизни обновляется несколько раз. И каждая из этих клеток содержит одни и те же 46 томов ДНКового текста.

В конце 60-х годов XX века был осуществлен важный прорыв в исследовании хромосом. Обусловлен он был всего лишь тем, что для их окраски стали использовать специальное контрастное вещество — акрихин-иприт, а затем и другие сходные с ним соединения. Такая окраска позволила выявить внутри хромосом большое число разных субструктур, которые не обнаруживались под микроскопом без окрашивания. После окрашивания хромосом специфическим красителем Гимза-Романовского они выглядят как зебры: вдоль всей длины видны поперечные светлые и темные полосы, имеющие окраску разной интенсивности.

Рис. 8. Основные стадии клеточного цикла, приводящего к делению клетки

Эти полосы получили название хромосомных G-сегментов или полос (рис. 9). Картина сегментации сильно отличается у разных хромосом, но расположение хромосомных сегментов постоянно у каждой из хромосом во всех типах клеток человека.

Природа полос, выявляемых при окраске, до конца еще не ясна. Сейчас установлено только, что участки хромосом, соответствующие темным полосам (названные R-полосами), реплицируются раньше, чем светлые участки (названные G-полосами). Таким образом, полосатость хромосом скорее всего все же имеет некий до конца еще не понятый смысл.

Окрашивание хромосом очень облегчило их идентификацию, а в дальнейшем способствовало определению расположения на них генов (картированию генов).

Рис. 9. Специфические хромосомные G-сегменты, выявляемые при окраске хромосом человека, и система их обозначения согласно решению международной конференции в Париже в 1971 году. Цифрами под хромосомами указаны их номера. X и Y — половые хромосомы, p — короткое плечо, q — длинное плечо хромосом

Хотя детальные процессы, происходящие при окрашивании, еще не до конца ясны, очевидно, что картина окраски зависит от такого параметра, как увеличенное или уменьшенное содержание в отдельных полосах хромосом АТ или ГЦ-пар. И это еще одно общее сведение о геноме — он не однороден, в нем есть районы, обогащенные определенными парами нуклеотидов.

Это, в частности, может быть связано с повторяемостью некоторых типов нуклеотидных последовательностей ДНК в определенных районах.

Дифференциальная окраска хромосом нашла широкое применение для выявления и идентификации небольших индивидуальных изменений генома конкретного человека (полиморфизма), в частности, приводящих к различным патологиям. Примером этому может служить обнаружение так называемой филадельфийской хромосомы, встречающейся у больных с хроническим миелоидным лейкозом. С помощью окраски хромосом установлено, что у пациентов с этим заболеванием определенный фрагмент исчезает на хромосоме 21 и появляется на конце длинного плеча хромосомы 9 (перенос фрагмента или транслокация, сокращенно t). Генетики обозначают такое событие как t (9; 21). Таким образом, хромосомный анализ свидетельствует о том, что разные молекулы ДНК могут обмениваться между собой отдельными участками, в результате чего в геноме образуются «гибриды», состоящие из молекул ДНК разных хромосом. Анализ уже изученных свойств хромосом позволил сформировать представление о полиморфизме генома человека.

Для выяснения локализации отдельных генов на хромосомах (то есть картирования генов) используют целый арсенал специальных зачастую весьма сложных по замыслу и исполнению методов. Один из основных — молекулярная гибридизация (образование гибрида) гена или его фрагмента с фиксированными на твердой подложке препаратами хромосом, выделенными из клеток в чистом виде (это называют гибридизацией in situ). Суть метода гибридизации in situ заключается во взаимодействии (гибридизации) между денатурированными (расплетенными) нитями ДНК в хромосомах и комплементарными нуклеотидными последовательностями добавленных к препарату хромосом, индивидуальных однонитевых ДНК или РНК (их называют зондами). При наличии комплементарности между одной из нитей хромосомной ДНК и зондом между ними образуются довольно стабильные молекулярные гибриды. Зонды маркируют предварительно с помощью разных меток (радиоактивных, флуоресцентных или др.). Места образования гибридов на хромосомах выявляют по положению этих меток на препаратах хромосом. Так, еще до появления методов генной инженерии и секвенирования ДНК выяснили, например, расположение в геноме человека генов, кодирующих большие и малые рибосомные РНК (рРНК). Гены первых оказались локализованными в пяти разных хромосомах человека (13, 14, 15, 21 и 22), тогда как основная масса генов малой рРНК (5S РНК) сконцентрирована в одном месте на длинном плече хромосомы 1.

Пример картины, получаемой при гибридизации меченых флюоресцентным красителем генов-зондов, приведен на рис. 10 на цветной вклейке.

Рис. 10. Гибридизация хромосом человека с генами-зондами, мечеными красным и зеленым флюоресцентными красителями. Стрелками указано расположение соответствующих генов на концах двух разных хромосом (справа вверху дано увеличение картины гибридизующихся хромосом).

Гены, расположенные на одной хромосоме, определяют как сцепленные (связанные) гены. Если гены расположены на разных хромосомах, они наследуются независимо (независимая сегрегация). Когда же гены находятся на одной и той же хромосоме (т. е. сцеплены), они неспособны к независимой сегрегации. Изредка в половых клетках могут происходить различные изменения хромосом в результате рекомбинационных процессов между гомологичными хромосомами. Один из таких процессов получил название кроссинговера. Из-за кроссинговера сцепление между генами одной группы никогда не бывает полным. Чем ближе расположены друг к другу сцепленные гены, тем меньше вероятность изменения расположения таких генов у детей по сравнению с родителями. Измерение частоты рекомбинаций (кроссинговера) используется для установления линейного порядка генов на хромосоме внутри группы сцепления. Таким образом, при картировании хромосом первоначально устанавливают, находятся ли данные гены в одной и той же хромосоме, без уточнения, в какой именно. После того, как хотя бы один из генов данной группы сцепления локализуют в определенной хромосоме (например, с помощью гибридизации in situ), становится ясным, что все другие гены этой группы сцепления находятся в той же самой хромосоме.

Первым примером связи генов с определенными хромосомами может служить обнаружение сцепления определенных наследуемых признаков с половыми хромосомами. Чтобы доказать локализацию гена в мужской половой Y-хромосоме, достаточно показать, что данный признак всегда встречается только у мужчин и никогда не обнаруживается у женщин. Группа сцепления женской X-хромосомы однозначно характеризуется отсутствием наследуемых признаков, передающихся от отца к сыну, и наследованием признаков матери.

Особенно важным для изучения генома человека на первых этапах его исследования стал метод, называемый гибридизацией соматических клеток. При смешивании соматических (неполовых) клеток человека с клетками других видов животных (чаще всего для этой цели использовали клетки мышей или китайских хомячков) в присутствии определенных агентов может происходить слияние их ядер (гибридизация). При размножении таких гибридных клеток происходят потери некоторых хромосом. По счастливой для экспериментаторов случайности в гибридных клетках человек-мышь происходит потеря большей части хромосом человека. Далее отбираются гибриды, в которых остается только какая-нибудь одна человеческая хромосома. Исследования таких гибридов позволили связать некоторые биохимические признаки, свойственные клеткам человека, с определенными хромосомами человека. Постепенно благодаря использованию селективных сред научились добиваться сохранения или потери отдельных хромосом человека, несущих определенные гены. Схема отбора, хотя и не очень проста на первый взгляд, довольно хорошо показала себя в эксперименте. Так, придумали специальную селективную среду, на которой могут выживать только те клетки, в которых синтезируется фермент тимидинкиназа. Если для гибридизации с клетками человека взять в качестве партнера мутантные клетки мыши, не синтезирующие тимидинкиназу, то будут выживать только те гибриды, которые содержат хромосомы человека с геном тимидинкиназы. Таким путем впервые удалось установить локализацию гена тимидинкиназы на хромосоме 17 человека.

Несмотря на то, что изучение генома человека на уровне хромосом дало ряд важных его характеристик, они были самыми общими и дали относительно мало для полного понимания устройства и функционирования генетического аппарата человеческих клеток.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

bio.wikireading.ru

описание, характеристики, история исследования :: SYL.ru

Каждый живой организм обладает особым набором белков. Определенные соединения нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК образуют генетический код. Он передает информацию о строении белка. В генетике была принята определенная концепция. Согласно ей, одному гену соответствовал один фермент (полипептид). Следует сказать, что исследования о нуклеиновых кислотах и белках проводились в течение достаточно продолжительного периода. Далее в статье подробнее рассмотрим генетический код и его свойства. Будет также приведена краткая хронология исследований.

Терминология

Генетический код – это способ зашифровки последовательности белков аминокислот с участием нуклеотидной последовательности. Этот метод формирования сведений характерен для всех живых организмов. Белки – природные органические вещества с высокой молекулярностью. Эти соединения также присутствуют в живых организмах. Они состоят из 20 видов аминокислот, которые называются каноническими. Аминокислоты выстроены в цепочку и соединены в строго установленной последовательности. Она определяет структуру белка и его биологические свойства. Встречается также несколько цепочек аминокислот в белке.

ДНК и РНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота – это макромолекула. Она отвечает за передачу, хранение и реализацию наследственной информации. ДНК использует четыре азотистых основания. К ним относятся аденин, гуанин, цитозин, тимин. РНК состоит из тех же нуклеотидов, кроме того из них, в составе которого находится тимин. Вместо него присутствует нуклеотид, содержащий урацил (U). Молекулы РНК и ДНК представляют собой нуклеотидные цепочки. Благодаря такой структуре образовываются последовательности – "генетический алфавит".

Реализация информации

Синтез белка, который кодируется геном, реализовывается при помощи объединения мРНК на матрице ДНК (транскрипции). Также происходит передача генетического кода в последовательность аминокислот. То есть имеет место синтез полипептидной цепи на мРНК. Для зашифровки всех аминокислот и сигнала окончания белковой последовательности достаточно 3-х нуклеотидов. Эта цепь называется триплетом.

История исследования

Изучение белка и нуклеиновых кислот проводилось длительное время. В середине 20 века, наконец, появились первые идеи о том, какую природу имеет генетический код. В 1953 году выяснили, что некоторые белки состоят из последовательностей аминокислот. Правда, тогда еще не могли определить их точное количество, и по этому поводу велись многочисленные споры. В 1953 году авторами Уотсоном и Криком было опубликовано две работы. Первая заявляла о вторичной структуре ДНК, вторая говорила о ее допустимом копировании при помощи матричного синтеза. Кроме того, был сделан акцент на то, что конкретная последовательность оснований – это код, несущий наследственную информацию. Американский и советский физик Георгий Гамов допустил гипотезу кодирования и нашел метод ее проверки. В 1954 году была опубликована его работа, в ходе которой он выдвинул предложение установить соответствия между боковыми аминокислотными цепями и "дырами", имеющими ромбообразную форму, и использовать это как механизм кодирования. Потом его назвали ромбическим. Разъясняя свою работу, Гамов допустил, что генетический код может являться триплетным. Труд физика стал одним из первых среди тех, которые считались близкими к истине.

Классификация

По истечении нескольких лет предлагались различные модели генетических кодов, представляющие собой два вида: перекрывающиеся и неперекрывающиеся. В основе первой было вхождение одного нуклеотида в состав нескольких кодонов. К ней принадлежит треугольный, последовательный и мажорно-минорный генетический код. Вторая модель предполагает два вида. К неперекрывающимся относятся комбинационный и "код без запятых". В основе первого варианта лежит кодировка аминокислоты триплетами нуклеотидов, и главным является его состав. Согласно "коду без запятых", определенные триплеты соответствуют аминокислотам, а остальные нет. В этом случае считалось, что при расположении любых значащих триплетов последовательно другие, находящиеся в иной рамке считывания, получатся ненужными. Ученые полагали, что существует возможность подбора нуклеотидной последовательности, которая будет удовлетворять этим требованиям, и что триплетов ровно 20. Хотя Гамов с соавторами ставили под сомнение такую модель, она считалась наиболее правильной на протяжении следующих пяти лет. В начале второй половины 20-го века появились новые данные, которые позволили обнаружить некоторые недочеты в "коде без запятых". Было выявлено, что кодоны способны провоцировать синтез белка в пробирке. Ближе к 1965 году осмыслили принцип всех 64 триплетов. В результате обнаружили избыточность некоторых кодонов. Другими словами, последовательность аминокислот кодируется несколькими триплетами.

Отличительные особенности

К свойствам генетического кода относятся:

Триплетность. Последовательность трех нуклеотидов является значащей единицей кода.
Непрерывность. Триплеты не имеют знаков препинания, наблюдается непрерывное считывание информации.
Неперекрываемость. Нуклеотид входит в состав только одного триплета. У некоторых генов вирусов, бактерий и митохондрий кодируется несколько белков, и происходит считывание со сдвигом рамки.
Однозначность. Конкретный кодон соответствует не больше чем одной аминокислоте. Правда, UGA у Euplotescrassus может кодировать цистеин и силеноцистеин.
Вырожденность. Конкретной аминокислоте соответствует несколько кодонов.
Универсальность. Генетический код действует по одному принципу в организмах различной сложности. В этом заключается суть генной инженерии. Однако существуют некоторые исключения.
Помехоустойчивость. Мутационные замены нуклеотидов бывают консервативными и радикальными. Первые не приводят к смене класса кодируемой аминокислоты. Радикальные мутации изменяют класс кодируемой аминокислоты.

Вариации

Впервые отклонение генетического кода от стандартного было обнаружено в 1979 году во время изучения генов митохондрий в организме человека. Далее выявили еще подобные варианты, в том числе множество альтернативных митохондриальных кодов. К ним относятся расшифровка стоп-кодона УГА, используемого в качестве определения триптофана у микоплазм. ГУГ и УУГ у архей и бактерий нередко применяются в роли стартовых вариантов. Иногда гены кодируют белок со старт-кодона, отличающийся от стандартно используемого этим видом. Кроме того, в некоторых белках селеноцистеин и пирролизин, которые являются нестандартными аминокислотами, вставляются рибосомой. Она прочитывает стоп-кодон. Это зависит от последовательностей, находящихся в мРНК. В настоящее время селеноцистеин считается 21-ой, пирролизан – 22-ой аминокислотой, присутствующей в составе белков.

Общие черты генетического кода

Однако все исключения являются редкостью. У живых организмов в основном генетический код имеет ряд общих признаков. К ним относятся состав кодона, в который входят три нуклеотида (два первых принадлежат к определяющим), передача кодонов тРНК и рибосомами в аминокислотную последовательность.

www.syl.ru

Гены, геном, хромосомы | Селекция привлекательных состояний

library

Мы уже знаем, что совокупность молекул ДНК клетки выполняет функцию хранения наследственной информации, необходимой для создания нового организма. В широком смысле слова этот набор молекул ДНК и называют «геномом», но смысл, вкладываемый в это слово, нам станет понятен не раньше, чем мы определим, что такое «ген».

Мы теперь знаем, что геном ( genome [‘ʤiːnəum] ) (т.е. совокупность ДНК) содержит исчерпывающую информацию о признаках организма, передающихся по наследству. При этом сами ДНК не принимают непосредственного участия в построении организма. Они лишь содержат чертежи и позволяют их читать по мере необходимости. Можно представить геном в виде библиотеки, содержащей книги самой разнообразной тематики, в которых есть вся нужная организму информация.

«Чтением» ДНК занимается специализированный сложный протеиновый комплекс, называемый РНК-полимераза ( transcriptase [træn’skrɪpteɪz] ), и сам процесс этого чтения можно в общих чертах описать довольно просто, хотя, разумеется, в основе этого процесса лежит огромное количество сложных биохимических реакций. Этот процесс «чтения», то есть процесс снятия наследственной информации, называется транскрипцией ( transcription [træn’skrɪpʃən] ). Подробнее об этом процессе будет написано позже, а сначала мы все-таки должны сделать шаг назад и понять — что такое ген.

Запри покрепче дверь в квартиру, закрой окна занавесками, попроси никого не входить в твою комнату или, лучше всего, читай эту главу тогда, когда никого нет дома, потому что если власти узнают, что ты читаешь про гены, то тебе несдобровать, и ГУЛАГ примет тебя со всеми потрохами, а донесшие на тебя соседи с удовлетворением поселятся в твоей комнате, надеясь, что ты никогда больше не вернешься. Что поделаешь — такова специфика проживания среди россиян — создай им благоприятные условия для написания доносов, и миллионы анонимок понесутся в КГБ, НКВД и прочие мясорубки. Да, у генетики непростая история, чем-то напоминающая дорогу первых анатомов и астрономов — дорогу, вдоль которой тут и там горят костры, на которых сжигают не только их книги, но и их самих. Впрочем, можешь выдохнуть и раздвинуть шторы. За генетику уже не сажают. Или «пока не сажают»?… Наверное все-таки будет правильнее сказать «пока не сажают», если тебе выпала участь жить на территории поднимающей свои оскаленные головы религиозной гидры. Голов у нее много, и кто знает, что будет дальше.

Допустим, клетке необходимо построить какой-то протеин. Для этого РНК-полимераза должна найти в одной из молекул ДНК набор нуклеотидов, которые и представляют собою зашифрованное описание плана его постройки. Как именно этот план зашифрован — будет описано позже, а пока что мы просто скажем, что существует такой набор нуклеотидов — часть всей цепочки ДНК, в которой описан план построения именно этого, нужного объекта.

Найдя этот набор нуклеотидов, РНК-полимераза совершит процесс транскрипции, тем самым положив начало длинной цепочке процессов, завершающим этапом которых и будет построение требуемого протеина далеко за пределами ядра клетки. Грубо говоря, вот именно этот набор нуклеотидов, в которых зашифрована информация о каком-то конкретном объекте, будь то протеин или РНК, и называется «ген» ( gene [ʤiːn] ). Гены могут быть довольно сложно устроены, и в будущем мы увидим, что само понятие «ген» претерпевает некие изменения, получая все более и более уточненный смысл, но пока достаточно и этого, упрощенного определения. Более наукообразно и точно определение звучит так: «Каждый ген представляет собой последовательность нуклеотидов участка ДНК, несущую законченный отрезок информации и являющуюся исчерпывающей инструкцией для построения одного протеина или одной молекулы РНК».

ксенопус

Длина генома разных живых существ значительно отличается. Чем проще организм, тем (чаще всего) меньше разновидностей протеинов он содержит, тем меньше генов ему требуется для хранения наследственной информации. Например, геном бактерии микоплазма ( mycoplasma [‘mʌɪkə’plazmə] ) состоит всего из 500 генов, а геном человека из более чем 25 тысяч. Но это описание общей тенденции, в которой бывают заметные исключения. Никому не придет в голову спорить с тем, что человек устроен сложнее, чем рисовый кустик, однако у него примерно 40 тысяч генов! Чуть ли не в 2 раза больше, чем у нас. Возможно, что эволюция кустика шла слишком запутанными путями, и ему еще далеко до оптимизации своей библиотеки. И у лягушки-ксенопуса тоже примерно 25 тысяч генов.

хромосома

хромосомы

Конечно, молекула ДНК не могла бы уместиться в мельчайшем ядре крохотной клетки, если бы она не была специальным образом упакована, ведь полная длина нашего генома достигает 2-х метров в развернутом виде, и в ядрах клеток, размер которых в среднем равен нескольким тысячным долям миллиметра, такая швабра не поместится. Поэтому ДНК в ядрах клеток хранится в тщательно и аккуратно упакованном виде. Упакованная спираль ДНК и называется хромосомой. Когда РНК-полимераза готовится снять нужную информацию с гена или группы генов, хромосома в нужном месте расплетается. Внешний вид хромосом хорошо известен, и я думаю, что многие узнают их на этих изображениях.

Говорить о хромосомах подробнее мы будем позже, а сейчас — просто немного самой общей информации. У разных живых существ имеется разное количество хромосом. Например, в каждой обычной клетке человека находится 23 пары хромосом. Каждая пара хромосом состоит из двух почти идентичных хромосом, одна из которых получена от отца, а другая — от матери. Все хромосомы пронумерованы для удобства, начиная от самой длинной, получившей номер «1», и заканчивая самой короткой, двадцать второй. А где же 23-я? Из ряда обычных хромосом выпадает особые, половые хромосомы ( sex chromosome [seks ‘krəməsəum] ), которых имеется два вида. У женщин есть две хромосомы, обозначающиеся буквой «Х» ( X-chromosome [eks ‘krəməsəum] ). Мужчины имеют одну большую «Х», и одну маленькую «Y» ( Y-chromosome [waɪ ‘krəməsəum] ). Хромосома «Y» — самая маленькая во всем геноме.

Таким образом почти вся наследственная информация человека зашифрована в 23-х молекулах ДНК, и этот комплект присутствует во всех его клетках. Самая большая наша хромосома (имеющая номер 1) достигает в длину примерно 10.000 нанометров. Таким образом, каждый ген имеет свой конкретный «хромосомный адрес», находясь на одной из имеющихся хромосом. Набор всех хромосом живого существа называется кариотип ( karyotype [‘kærɪətʌɪp] ).

Почему я написал, что «почти вся» наследственная информация заключена в комплекте хромосом? Потому, что не все гены находятся в хромосомах. Часть их содержится внутри митохондрий — тех самых одноклеточных, что когда-то образовали симбиоз с другими клетками и теперь стали неотъемлемой частью нашего организма. И митохондриальные гены унаследованы нами именно с тех ужасно далеких времен, когда митохондрии были еще живущими самостоятельно существами.

Также можно еще запомнить, что у некоторых вирусов гены записаны не в ДНК, а в РНК.

На данный момент это все, что стоит сказать о генах и хромосомах, и конечно, после такой пробежки по верхам у тебя сложится о них лишь самое общее представление, но именно это сейчас и требуется. Подробнее будет позже, а пока обратимся к лирике.

Мэтт Ридли, автор чрезвычайно интересной научно-популярной книги «Геном», предлагает представить себе геном человека как своеобразную автобиографию. «В геноме с помощью генетического кода записаны все превратности и достижения эволюции нашего вида, начиная с самых дальних глубин геологических эпох. У нас есть гены, которые практически не изменились с того времени, когда в кембрийской грязи зашевелилось первое живое одноклеточное существо. Одни гены появились, когда наши предки были червями, а другие — когда они стали рыбами. Некоторые гены зафиксировались в настоящем виде потому, что наши предки пережили эпидемию страшной болезни. А есть еще гены, с помощью которых можно проследить миграции людей по Земле за последние тысячелетия. Наш геном — это летопись вида, начатая четыре миллиарда лет назад и продолжающаяся до сегодняшнего дня.»

virus

Чрезвычайно важно и интересно то, что кроме «летописей», переданных по наследству от предков, в нашем геноме присутствуют нуклеотидные последовательности, переданные от существ, традиционно (и возможно ошибочно) считающихся исключительно вредоносными. Речь идет о вирусах. Последовательности, совпадающие с наследственной информацией инфекционных вирусов, занимают около 8% генома человека. По оценкам ученых, это наследие вирусов, встроившихся в геном наших предков от 10 до 50 миллионов лет назад. Предполагают, что такое заимствование генов организмом так же естественно, как заимствование слов иностранного языка в любой развивающейся культуре. Гораздо проще взять уже готовую смысловую единицу и найти ей применение, чем изобретать велосипед заново. Ученые пока только догадываются, какую роль играют некоторые из этих генов в человеческом организме. Но уже то, что естественный отбор пронес эти последовательности через миллионы лет, говорит об их полезности. Продукты, получаемые из некоторых таких генов, были установлены, и подтвердилось, что «велосипед» был весьма сложным, и наше существование без таких вирусных генетических фрагментов было бы весьма затруднительным. Например, вирусы содержат протеины, помогающие им нарушать целостность клеточной оболочки, чтоб в образовавшееся отверстие впрыснуть свою ДНК. И именно такие протеины работают при развитии наружного слоя плаценты, когда требуется слить множество клеток в единое многоядерное целое. Потенциально вредоносный механизм, использованный с умом, принес нам огромную пользу. Можно провести аналогию с тем, как человек научился многие животные и растительные яды применять так, что они превращаются в чрезвычайно эффективные лекарства.

Отдавая себе ответ в том, какую огромную роль вирусы сыграли в нашей эволюции, можно приостановить накручивание всяких ужасов в их отношении, которое стало привычным для нашей цивилизации с момента, когда вирусы были только открыты. Сейчас слово «вирус» вызывает мгновенную и однозначно негативную, даже во многом психопатическую реакцию в каждом человеке, но надо понимать, что вирусы играли и играют огромную роль в балансе и развитии жизни на Земле. Прямо сейчас жизнь вокруг нас буквально кишит огромными толпами невероятно разнообразных вирусов. Более того, внутри наших тел происходит то же самое, и мы живы не «несмотря на это», а благодаря этому. Враждебное, патологически агрессивное отношение к вирусам вредит нам гораздо больше, чем некоторые из них, поскольку, подчиняясь навязчивой пропаганде фармацевтических гигантов, люди начинают тратить кучу денег и нервов на бессмысленные и даже вредные попытки оградить себя от контакта с вирусами и бактериями. Необходимо ясно понимать, что дети, которые моют руки с мылом по 5 раз в день, болеют гораздо (!) чаще, чем те, кто делает это лишь раз-два. Дети, которым не дают возиться в земле, плескаться в лужах и тискаться с кошками и собаками, вырастают болезненными и уязвимыми. Нашей иммунной системе необходим (!), жизненно важен постоянный контакт с окружающим нас миром вирусов и бактерий, поскольку таким образом она учится конструктивно взаимодействовать с ними, в том числе и эффективно защищаться, когда это необходимо, и учиться у них.

mous

Вероятно, в результате вышенаписанного может сложиться впечатление, что геном человека существенно отличается от геномов других существ. Тут и «летопись поколений», содержащая записи об эпидемиях, и встроенные последовательности вирусов, которым нашлось применение, и разница в количестве генов между разными живыми существами. Тем удивительнее будет узнать, что 99% мышиных генов имеют аналоги (пусть даже несколько отличающиеся) в геноме человека. И такое сходство геномов используется учеными для того, чтобы выделять последовательности, максимально схожие у таких разных существ, и делать вывод о важности этих последовательностей для обоих организмов, раз после возникновения у далекого общего предка они сохранялись для выживания обоих видов. Также анализ геномов используется для того, чтобы определять более или менее далекое родство между разными видами живых существ.

секвенатор

Термин «секвенировение» ( sequence analysis [‘siːkwəns ə’næləsɪs] ) обозначает определение точной последовательности нуклеотидов во всем геноме какого-то организма. На данный момент ученые научились уже довольно быстро секвенировать гены, автоматизировав этот процесс. Современные секвенаторы способны полностью прочесть геном конкретного человека лишь за несколько дней и несколько тысяч долларов, и очевидно, что на этом прогресс не остановится. Знать свой полный геном очень важно, так как, анализируя его, можно предвидеть и предупредить развитие тех или иных генетических заболеваний. Если твое финансовое положение позволяет, я советую тебе сделать это, чтобы в какой-то момент своей жизни не столкнуться с проблемой, решать которую надо было начинать много лет назад.

bodhi.name

Справочник

Y-хромосома

Y-хромосома – это половая хромосома человека, определяющая мужской пол. Соответственно, она присутствует только в клетках мужчин. В отличие от других хромосом Y-хромосома передается от отца к сыну в практически неизменном виде. Изменения в Y-хромосоме происходят только в результате случайных мутационных процессов. Если при производстве половых клеток в Y-хромосоме мужчины произошла мутация, то все его сыновья получат уже измененную мужскую половую хромосому.

Особенности Y-хромосомы (передача «по прямой» и редкие мутации) позволяют использовать ее для отслеживания эволюционной истории человечества. Анализируя мутации мужской хромосомы у разных людей, ученые смогли определить, как «выглядела» Y-хромосома «молекулярно-биологического Адама» – мужчины, от которого произошли все живущие на Земле представители сильного пола. Кроме того, исследователи выделили несколько «типов» Y-хромосом, отличающихся между собой определенными мутациями (их называют однонуклеотидными полиморфизмами). Такие разновидности мужских хромосом получили название гаплотипов, и все мужчины планеты принадлежат к одному из них.

Аллель

Аллелями называют различные формы одного и того же гена. У человека в каждой клетке присутствует по два набора всех генов: один он получает от отца, второй – от матери. Все гены имеют строго определенное положение на хромосоме. Если расположить рядом отцовскую и материнскую хромосомы, то каждый ген хромосомы, пришедший от отца, окажется ровно напротив такого же гена (аллеля), доставшегося от матери.

Если у организма оба аллеля (отцовский и материнский) какого-либо гена одинаковы, то такой организм называют гомозиготным по этому гену. Если же аллели разные (например, материнский ген отвечает за светлые волосы, а отцовский – за темные), то организм называют гетерозиготным по этому признаку.

Гаплогруппа

Гаплогруппа представляет собой совокупность сходных гаплотипов. Отдельные гаплогруппы выделяют по конкретным однонуклеотидным полиморфизмам. Если несколько человек принадлежат к одной гаплогруппе, значит, все они являются прямыми потомками «основателя» гаплогруппы, у которого впервые появился этот полиморфизм. Специалисты, изучающие популяции людей, чаще всего работают с митохондриальными гаплогруппами и гаплогруппами Y-хромосомы. Митохондриальная ДНК передается только от матери к дочери, а ДНК Y-хромосомы – только от отца к сыну.

Гаплотип

Гаплотипом называют такую совокупность генов (а точнее – их аллелей) на хромосоме, которая передается потомству как единое целое.

Люди несут в своих клетках по две копии каждой из хромосом (за исключением половых). Одна копия приходит от отца, а вторая от матери. При образовании половых клеток (сперматозоидов или яйцеклеток) материнские и отцовские хромосомы соединяются и обмениваются различными участками. В итоге геномы половых клеток несколько отличаются от генома породившего их организма (этот процесс необходим для увеличения генетического разнообразия потомства). Перемешивание генов между отцовскими и материнскими хромосомами можно представить себе как обмен блоками. Блоки, которые всегда (за редким исключением) обмениваются как единое целое, и называются гаплотипами.

Ген

Геном называют элементарную единицу наследственности, потому что один ген кодирует один определенный признак организма. Структурно ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК. Специальные молекулы в клетках человека расшифровывают эту последовательность и синтезируют на ее основе либо молекулы белка, либо молекулу РНК. Белки выполняют самые различные функции, например, они могут быть ферментами или из них могут формироваться те или иные ткани и органы. Молекулы РНК регулируют синтез новых белков или работу генов. Нарушения в структуре гена чреваты нарушениями в синтезе белков или РНК, что может пагубно отразиться на работе организма.

Геном

Геном – это совокупность всех генов организма. У человека в каждой клетке все гены представлены в двух копиях (одна от отца, вторая от матери), но когда ученые говорят о геноме, они имеют в виду одинарный набор генов. Таким образом, клетки человека несут по два генома. В половых клетках– яйцеклетке и сперматозоиде – содержится одинарный набор хромосом, и, следовательно, одна копия генома.

Дикий тип (wild type)

Признак, присущий большинству особей в популяции; обычный фенотип; норма.

ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – молекула, на которой записана наследственная информация об организме. ДНК можно сравнить с магнитофонной лентой, на которой хранятся инструкции по созданию магнитофона и указания, как он должен работать. Молекулы ДНК есть в каждой клетке организма – они хранятся в клеточном ядре в форме хромосом. При делении клетки ее ДНК удваивается, и каждая из клеток-«дочек» получает полный набор.

Структурно ДНК состоит из отдельных «кирпичиков» – нуклеотидов. Различают четыре вида «кирпичиков» - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В молекуле ДНК нуклеотиды соединяются друг за другом, образуя длинные цепи. Нуклеотиды расположены в ДНК не в случайном порядке – они образуют «слова» генетического языка, то есть гены.

Митохондриальная ДНК

Митохондриальная ДНК - это ДНК, находящаяся не в ядре клетки, а внутри клеточных структур, называемых митохондриями. Митохондрии – это клеточные энергостанции, которые производят молекулы, поддерживающие функционирование клетки. Ученые полагают, что митохондрии произошли от бактерий и поэтому сохранили часть своей ДНК.

В череде поколений митохондрии передаются только по материнской линии (то есть от матери к дочери), так как первой клеткой будущего организма со всеми ее структурами становится материнская яйцеклетка, а отцовский сперматозоид приносит в нее только ДНК.

Помимо того, что митохондриальная ДНК непрерывно передается от предков к потомкам, она, в отличие от ядерной ДНК, сохраняется в череде поколений в практически неизменном виде. Эти два свойства оказались очень полезными для изучения эволюции человека (и других живых существ). Сравнивая митохондриальные ДНК множества людей, ученые смогли найти «митохондриальную Еву» – ближайшего предка всех людей, от которой они получили митохондриальную ДНК.

Несмотря на то что ДНК митохондрий почти не изменяется со временем, в ней все же накапливается некоторое количество мутаций. Измененная митохондриальная ДНК расходится от женщины, у которой впервые произошла мутация, ко всем ее дочерям, дочерям дочерей и так далее. На основании таких мутаций, называемых однонуклеотидными полиморфимами, ученые отнесли всех людей к нескольким гаплогруппам по митохондриальной ДНК (существуют еще гаплогруппы, выделяемые по мужской Y-хромосоме).

Моногенные заболевания

Моногенные заболевания – это заболевания, в развитии которых «виноваты» мутации, произошедшие в одном-единственном гене. Моногенные болезни наследуются по правилам классической (менделеевской) генетики. То есть развитие заболевания зависит от того, какие аллели конкретных генов есть у человека в геноме. Если «опасный» ген находится на одной из неполовых хромосом, то он может наследоваться двумя способами: аутосомно-доминантным и аутосомно-рецессивным.

Заболевание наследуется по аутосомно-доминантному типу, если «больной» (мутантный) аллель сильнее «здорового». В этом случае действие мутантного аллеля (то есть развитие болезни) проявляется даже в том случае, если его напарник не несет мутации.

При аутосомно-рецессивном типе наследования для развития болезни необходимо, чтобы у человека в геноме присутствовали два мутантных аллеля. Иными словами, и отец, и мать должны передать ему «плохие» варианты гена. В том случае, если один из вариантов оказывается «хорошим», то человек не заболевает.

В отдельную группу выделяют заболевания, связанные с мутациями генов, находящихся на половых хромосомах. Такие заболевания передаются только от отца к сыну (когда «плохой» ген находится на мужской Y-хромосоме) или же от матери детям обоего пола (когда вызывающая болезнь мутация происходит на женской Х-хромосоме). Этот тип заболеваний чаще всего проявляется у мужчин. Если «плохой» аллель находится на Y-хромосоме, то женщина, в принципе, не может его получить, так как обе половые хромосомы у женщин – это Х-хромосомы. Если болезнь связана с мутацией в женской половой хромосоме, то мужчина, получивший «плохую» хромосому, будет болен (так как у него в геноме нет «здоровой» пары). У девочки-носителя действие мутантного аллеля маскируется его здоровым напарником, и болезнь проявляется только в том случае, если обе ее Х-хромосомы несут мутацию.

Еще один тип моногенных заболеваний – это митохондриальные заболевания, то есть заболевания, связанные с мутацией в ДНК митохондрий. Такие болезни передаются от женщин детям обоего пола (так как новый организм получает митохондрии из материнской яйцеклетки).

Однонуклеотидный полиморфизм

Однонуклеотидным полиморфизмом (от английского single nucleotide polymorphism - SNP; в русскоязычной литературе употребляется слово «снип») называют изменение в последовательности ДНК размером в один нуклеотид. Оно может произойти в результате замены, вставки или выпадения нуклеотида.

Иногда снипы меняют работу генов, но во многих случаях они никак не сказываются на их активности. По некоторым оценкам, в геноме человека насчитывается около 10 миллионов однонуклеотидных полиморфизмов. Ученые составили огромные базы данных снипов, так как они являются удобным инструментом генетического анализа. Так, многие снипы четко связаны с риском тех или иных заболеваний (то есть наличие у человека определенного снипа увеличивает для него вероятность развития той или иной болезни).

Помимо медико-биологических исследований снипы используются специалистами для изучения различных популяций людей. Так, именно по снипам выделяют гаплогруппы – один из отличительных признаков популяций.

Полигенные заболевания

Полигенными называют заболевания, которые развиваются в результате совместной «работы» нескольких генов и факторов среды. Другими словами, у полигенных заболеваний нет какой-то одной вызывающей их причины. Тем не менее, гены играют в развитии таких заболеваний немалую роль (раньше их называли болезнями с наследственной предрасположенностью). Наличие определенных вариантов генов повышает риск развития у человека того или иного полигенного заболевания. Типичными примерами полигенных заболеваний являются сахарный диабет, ревматизм, бронхиальная астма.

Популяция

Популяцией называют совокупность особей одного вида, обитающих более или менее обособленно от других особей и воспроизводящихся в течение длительного времени. Представители одной популяции с большей вероятностью заводят потомство друг с другом, чем с представителями других популяций. Обычно такая избирательность является следствием географической или иной изоляции (в случае людей типична, например, изоляция по национальному признаку). Предпочтительное генетическое перемешивание только внутри популяции приводит к тому, что для ДНК всех членов популяции характерна некоторая общность. Эта особенность позволяет ученым отличать выходцев из тех или иных популяций при помощи анализа ДНК.

Хромосома

Хромосомы – это крошечные тельца, находящиеся в клеточном ядре. Они состоят из плотно скрученных нитей ДНК, соединенных с особыми белками. Название происходит от греческих слов «хрома» – цвет и «сома» – тело. То есть термин «хромосома» буквально переводится как окрашенное тельце. Дело в том, что под микроскопом хромосомы видны как плотные темные «колбаски».

На самом деле, ДНК существует в виде «окрашенных телец» очень недолго – только при делении клетки. В остальное время ДНК частично распутывается, и разглядеть отдельные хромосомы нельзя.

i-gene.ru