Генетика и геном человека

Мейоз

Мейоз — клеточное деление, которое ведет к образованию и созреванию половых клеток (например, у человека — яйцеклеток и сперматозоидов из особых соматических клеток яичников и семенников). Мейоз приводит к уменьшению числа хромосом исходной материнской клетки вдвое. Мейоз состоит из двух последовательных делений и соответствующих фаз. При делении соматической клетки в ней образуются два противоположных центра, к каждому из них стягиваются, например у человека, 23 пары хромосом двух будущих клеток. В случае деления половых клеток к каждому из этих центров отводится только 23 хромосомы, т. е. наполовину меньше, чем в случае соматических клеток. Распределение отходящих к центрам хромосом — каких больше от отца или

каких от матери и в какой последовательности, а также комбинации —

происходит, как полагают сегодня генетики, случайным образом: количество вариантов возможного попадания каждой хромосомы к соответствующему центру при делении половых клеток человека равно более 8 млн (223). Биологическое значение мейоза:

1. Обеспечивает постоянство видов на Земле. Если бы число хромосом, передаваемых от одного поколения в другому, не уменьшалось бы вдвое, то в каждом последующем поколении число хромосом бы удваивалось (у человека- родителя — 46 хромосом, следующее поколение (дети) — 92, внуки — 184 и т. д.).

2. Мейоз обеспечивает разнородность гамет (греч. gamete — жена, gametes — муж) по генному составу. Гаметы — половые клетки (мужские гаметы — сперматозоиды, женские гаметы — яйцеклетки). Гонады (греч. gone —

порождающее) — половые органы, образующие половые клетки.

3. Мейоз обусловливает комбинативную изменчивость, т. е. каждая гамета (мужская или женская) получает в результате мейоза всего лишь один набор хромосом из двойного набора хромосом своих материнских клеток. Случайная встреча гамет (сперматозоиды и яйцеклетки) приводит к тому, что гены родителей комбинируются, вследствие чего у детей могут появляться признаки, которых не было у родителей. Как уже отмечалось выше, все хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы. Аутосомы — все хромосомы

в клетках, за исключением половых хромосом. Половые хромосомы —

хромосомы, определяющие пол организма при половом размножении. У женщин

22 пары аутосом и две одинаковые половые хромосомы ХХ, у мужчин — 22 пары аутосом и две неодинаковые половые хромосомы XY.

Мейоз как процесс деления клеток приводит к тому, что каждая из пары одинаковых хромосом (но неодинаковых по происхождению) попадает в разные гаметы. Мейоз обеспечивает процесс, в результате которого во все гаметы женщин попадают 22 аутосомы и одна Х-хромосома (гаметы одинаковы). Женский пол является гомогаметным. У мужчин мейоз приводит к образованию двух типов гамет: 22 + X, 22 + Y. Развитие женских гамет (яйцеклеток) называется овогенезом. Зрелая яйцеклетка называется овоцитом и содержит только один набор аутосом из пар гомологичных аутосом и одну половую хромосому X. Овоцит — содержит большой запас питательных, энергетических веществ и по своим размерам

превосходит сперматозоид в 85 тыс. раз. Зигота — оплодотворенный овоцит,

содержащий двойной набор аутосом и половых хромосом (один набор — от отца, другой — от матери). При содержании в зиготе половых хромосом XY рождается мальчик, при ХХ — девочка. К моменту полового созревания женщины обнаруживается около 100 тыс. овоцитов, однако за весь репродуктивный период

в яичниках женщины образуется около 300—400 овоцитов. Процесс образования сперматозоидов (мужских гамет) называется сперматогенезом, он имеет отличие

от овогенеза: при сперматогенезе из одной исходной клетки образуются 4 сперматозоида, а при овогенезе из одной исходной клетки образуется 1 яйцеклетка и 2 направленных тельца, в которые уходит избыток хромосомного материала, чтобы набор хромосом в яйцеклетке был гаплоидным (одинарным).

В течение всей половой жизни здоровый мужчина продуцирует (его гонады) около 500 млрд сперматозоидов. Три типа деления клеток, о которых говорилось выше, обеспечивают жизненный цикл клеток в живых организмах. Принцип

«клетка от клетки» позволил проследить эволюцию живого на Земле.

Генетика (греч. genos — происхождение) — наука, изучающая механизм и закономерности наследственности и изменчивости организмов.

Большую роль в развитии генетики сыграли клинические исследования наследственных болезней. В 1814 г. в Лондоне врач Адамс опубликовал работу под названием «Трактат о предлагаемых наследственных свойствах болезней, основанных на клиническом наблюдении». Через год эта работа была издана под названием «Философский трактат о наследственных свойствах человеческих рас». Эту работу медики-генетики называют первым генетическим справочником для медицинского консультирования: браки между родственниками повышают частоту семейных болезней, не все врожденные болезни являются наследственными, часть из них возникает в результате поражения плода во внутриутробном его развитии.

В 1869 г. английский исследователь Ф. Гальтон (1822—1911) сформулировал основные принципы евгеники (греч. eugenes— хорошего рода) — теории, изучающей факторы, влияющие на улучшение наследственных качеств человека (умственная способ-

ность, одаренность, физическое и психическое здоровье). В евгенике Ф.

Гальтон предлагал обращать главное внимание на улучшение и сохранение

«хороших качеств», а не на борьбу с патологическими признаками, передаваемыми от одного поколения к другому. Например, он считал, что нужно создавать благоприятные условия для размножения одаренных людей и т. п. В дальнейшем термин «евгеника» вышел за рамки медицинской и биологической литературы и стал использоваться во многих социально-политических теориях, концепциях, приобретая политическое, философское и социальное значение: обоснование разделения членов общества на элиты и массы, а также других идей.

Вторая половина XIX в. является значительным шагом в развитии наук о живом: в 1859 г. появилась работа Ч.Дарвина (1809—1882) об эволюции в живой природе — «Происхождение видов путем естественного отбора». Все 1250 экземпляров этой книги были проданы за один день. Эта книга имела большой общественный резонанс. О ней спорили, дискутировали. Общественное мнение раскололось на две противоположные группы: «за» и категорически, с возмущением, «против». Другим событием была публикация в 1865 г. работы под названием «Опыты над растительными гибридами» чешского исследователя Г. Менделя (1822—1884). Работа Г. Менделя относилась по своему предмету к широкому кругу вопросов изучения наследственности на растениях. Г. Менделю были известны результаты исследования наследственности человека в медицине. Работа Г. Менделя находилась во многих библиотеках европейских научных сообществ, но на нее не обратили должного внимания.

В 1900 г. три ботаника независимо друг от друга, не зная работ Г. Менделя,

«переоткрыли» законы Г. Менделя (Де Фриз из Голландии, Корренс из Германии, Чермак из Австрии). 1900 г. считается годом рождения генетики, хотя это не совсем справедливо. В 1905 г. В. Бэтсон предложил термин «генетика», а в 1909 г.

В. Иогансен ввел термин «ген» (греч. genes — рождающий, рожденный) для обозначения наследственных факторов. Он же ввел еще два важных термина: генотип — совокупность генов у одной особи и фенотип — совокупность признаков организма.

На основе гибридологического метода Г. Мендель сформулировал три знаменитых закона наследования признаков, получивших названия «законы Г. Менделя». Эти законы говорят о наследственности и изменении как явлении (феномене), но не затрагива-

ют биохимический уровень объяснения. Начиная с первых десятилетий

прошлого века, произошло так называемое «впутывание» физики и химии в объяснении природы живого. Хотя ряд ученых, не биологов по образованию, уже участвовали в исследовании природы живого. Луи Пастер, Георг Мендель были, например, физиками по образованию.

Дискуссии по поводу «впутывания» физики и химии в объяснение живого основывались, как правило, на следующей аргументации.

Все организмы состоят из атомов, следовательно, они должны подчиняться физическим и химическим законам. Организмам принадлежит способность создания упорядоченности из беспорядка, но физико-химическая сторона этой способности не выходит за пределы второго закона термодинамики. Жизнь поддерживается за счет ядерных реакций в недрах Солнца. Жизнь и дождевые тучи — это явления единого мира. Ген, как единица наследственности и изменчивости, — это апериодический кристалл, сопротивляющийся флуктуациям (отклонениям), нарушающим условия существования живого. Это движение привело к современному уровню развития генетики и исследованию эволюции живого.

В 1928 г. бактериолог Ф. Гриффит положил начало доказательству, что информация о наследственности находится в ДНК. Смесь из убитых бактерий (будучи живыми, вызывали воспаление легких у мышей) и живых бактерий, не убивающих мышей при введении их в организм, приводила к гибели мышей при

введении этой смеси в их организм. Получалось, что способность убивать

мертвой бактерии-«убийцы» перешла в смеси к живой бактерии.

В 1944 г. О. Эвери и его сотрудники доказали, что объяснением этого явления служит процесс трансформации (лат. transformatio — превращение) ДНК — приобретение признака штамма (нем. stamm — чистая культура) микроорганизма одного вида другим микроорганизмом в результате проникновения в его ДНК штамма первого микроорганизма. Уже в 1952 г. исследователи Дж. Ледерберг и

Н. Циндер объяснили еще одно явление, получившее название трансдукции (лат. trancductio — передача, перемещение), которое обозначает процесс передачи генов от одного штамма бактерии другому (так называемый эксперимент. в U- образной трубке).

Развитие генетики в прошлом веке совпало с формированием науки о

защитных свойствах организмов. Начало исследования этой проблемы связано с работами Луи Пастера и И. Мечникова (1845-1916).

В 1945 году Нобелевский лауреат П. Медавр доказал, что организм защищает свой иммунитет (лат. immunitas — освобождение от чего-либо) не только от микробов, но и от клеток любого генетически чужеродного организма. Иммунитет — это способ защиты организма от живых тел и веществ, несущих признаки генетической чужеродности. Иммунология — наука, изучающая защитные реакции организмов, обеспечивающих невосприимчивость организмов

к генетически чужеродным телам и веществам.

В 1964 г. исследователь Ф. Бернет сформулировал вопрос: зачем организмам нужна такая строгая система контроля в виде его иммунной системы? Иммунная система человека (все лимфоидные органы и лимфоидные клетки человека) имеет общую массу в 1,5—2 кг. Число лимфоидных клеток в организме человека равно приблизительно 1012. Исследования этого вопроса показали, что при делении клеток в многоклеточных организмах примерно одна из миллиона клеток становится генетически отличной от исходной. В многоклеточном организме человека в каждый момент деления его клеток образуется около 1 млн клеток- балластов. Для ликвидации клеток-балластов и проникновения в организм генетически чужеродных внешних тел существует у организмов иммунная система.

Антиген — это все те вещества, которые несут признаки, генетически чужеродные организму. Введение в организм антигена вызывает развитие специфических иммунологических реакций: например, вакцинация ведет сначала

к ослаблению организма, а затем — к выработке высокой иммунной защиты от данного антигена путем выработки антител (белки из класса иммуноглобулинов против антигенов).

Иммунологические исследования прошлого столетия позволили сделать очень важный вывод об эволюции живого: многоклеточные организмы, состоящие из более 100 млн делящихся клеток, могли возникнуть и эволюционировать только при одном обязательном условии — возникновение специальной системы иммунных клеток1.

1 Петров Р. В. Иммунология. М., 1987. С. 10.

Глубокое изучение иммунных систем организмов привело к широкому

обсуждению в конце прошлого века вопроса о роли РНК в иммунной системе организмов и в возникновении жизни вообще: что возникло первично — ДНК или РНК? По существу, этот вопрос по-новому переосмысливает основное положение «ДНК—РНК—белок» современной генетики. В частности, было установлено, что иммунные участки РНК, на которые долгое время не обращали особого внимания, ответственны за распознание маскировок вирусов, проникающих в чужой организм, под видом последовательности нуклеотидов этого организма. При отсутствии подобной иммунной РНК живые организмы не могли бы возникнуть, а тем более выжить. Далее оказалось, что в геноме человека содержится наследственная информация о реликтовых вирусах, которые когда-

то появились в геноме человека и сохраняются сегодня. Они являются

«молчащими» генами, т. е. воспроизводят себя, перемещаясь по геному человека,

но не создают новых своих поколений, эволюционного плана. Естественно, ученые задают себе по этому поводу несколько вопросов: откуда эти вирусы взялись и почему они «молчат»? почему этих участков реликтовых вирусов больше в геноме человека, чем у обезьян и при каких условиях они могут

«заговорить»? Большую роль в развитии генетики сыграли исследования влияния химических и радиационных воздействий на организмы. Оказалось, что эти воздействия приводят к изменениям в генетическом материале организмов независимо от самой физической природы воздействия естественного (например, солнечная радиация) или искусственного, создаваемого человеком, например использование рентгеновских аппаратов в медицине.

В целом современная генетика к началу XXI в. пришла к следующим результатам:

1. В одном наборе хромосом ДНК клетки человека содержится 3,5 · 109 пар азотистых оснований, следовательно, в двойном наборе хромосом ДНК клетки человека — 7 млрд пар азотистых оснований.

2. Ген — это участок ДНК, состоящий из последовательности нуклеотидов или пар азотистых оснований, который кодирует белок или РНК. Главное свойство гена — это сочетание высокой устойчивости как единицы наследственности, передаваемой от поколения к поколению, со способностью к наследуемым изменениям, мутациям в качестве основы их изменчивости.

3. Ген имеет экзон-интронное строение. Экзоны — это участки гена, которые

кодируют белок или РНК. Интроны — это участки гена, не участвующие в кодировании ни белка, ни РНК. По-мнению большинства генетиков, это строение гена характерно для человека и некоторых других высших животных, но не для бактерий, в их генах нет интронов. Такое строение гена у человека создает широкие возможности кодирования белков или РНК: снимается копия с ДНК в виде матричной РНК, в которой присутствуют интроны, затем эта первичная м- РНК преобразуется в основную м-РНК без копий интронов. «Вырезая» в разном порядке интроны, можно соединять в разной комбинации экзоны, как из букв одного слова можно создать иногда большое количество других слов.

4. Подсчет числа генов у человека основывается на разных методиках, поэтому часто приводятся разные числа от 40 000 до 100 000 генов. Трудность подсчета генов животных состоит в том, что чем выше уровень сложности строения и поведения организма, тем больше в его ДНК последовательностей нуклеотидов, которые не кодируют ни белок, ни РНК. В 21-й хромосоме человека есть участок

в 7 млн пар нуклеотидов. В нем обнаружен один ген.

5. В 2003 г. было установлено, что из 3,5 млрд пар нуклеотидов в одном наборе хромосом ДНК клетки человека чуть больше 1% участвуют в кодировании белка, более 28% пар нуклеотидов участвуют в кодировании РНК, а остальные 70% пар выполняют какие-то другие функции в геноме человека. Первоначально эту часть ДНК назвали «эгоистической ДНК», т. е. существующей только ради самой себя. Сегодня анализ именно этой части ДНК человека открывает много непонятной информации, которая со временем получит соответствующее объяснение.

6. Геномом человека называют сегодня всю наследственную информацию человека, включая «эгоистическую ДНК».

7. Изучение генома человека освещает по-новому проблему точности,

«молекулярных часов». Стало известно, что большинство точечных мутаций (замена одного нуклеотида на другой) происходит в среднем с частотой 175 новых мутаций на одно поколение (25 лет). Поскольку большинство мутаций являются нейтральными для организма, то они могут сохраняться в эволюции организмов длительное время. Современные данные о скорости изменения ДНК организмов разных видов позволяют установить в сред-

нем, как часто в ДНК того или иного генома происходят мутации за 1 млн лет.

Сравнивая организмы разных видов по сходству и различию состава их геномов,

«молекулярные часы» могут указать примерное время, когда эти два вида имели общего предка.

Дата добавления: 2014-11-29