Изучение генетики человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Генетика человека изучает законы наследственности и изменчивости у человека в норме и при патологиях, физические и психические врожденные признаки, а также некоторые аспекты поведения: соотношения «генотипического» и «средового» в формировании индивидуального фенотипического разнообразия психологических и психофизиологических характеристик.

Достижения современной генетики человека базируются на законах и закономерностях классической генетики, которые имеют универсальное значение и в полной мере применимы к человеку. Успехи теоретической генетики находят практическое применение в диагностике, профилактике и лечении ряда наследственных патологий, изучаются генетические основы человека и проблемы его сохранности в будущих поколениях. Каждый современный человек должен быть знаком с законами наследственности как необходимым фактором разумного планирования семьи, обеспечивающим здоровье будущего поколения, формирующим индивидуальность личности и особенности ее поведения в социуме.

При написании данного пособия авторы не претендовали на исчерпывающее изложение материала по всем основным разделам генетики, а попытались представить материал по основам генетики человека, отражающий современный уровень знания о роли наследственности и изменчивости человека. Учебное пособие содержит следующие разделы: о материальных основах наследственности (гл. 2--5), законы формальной генетики (гл. 7--10), проблемы изменчивости (гл. 11--12), некоторые аспекты современных методов исследования генетики человека, а также проблемы иммуногенетики, онкозаболеваний, медико-генетические аспекты и др.

Мы благодарим наших коллег доцентов кафедры генетики РГУ, к.б.н. Н.И.Беличенко и к.б.н. И.И.Бессчетного, а также доцента кафедры общей биологии РГПУ, к.б.н. Й.А.Климову за труд, проделанный ими при ознакомлении с содержанием тех разделов, по которым они являются специалистами, за полезные замечания и советы.

Глава 1. Вводная

1.1 Общие положения

Генетика изучает наследственность и изменчивость организмов в диалектическом единстве, т.к. наследственность консервативна по своей природе, а изменчивость порождает не только многообразие живой природы в целом, но и обеспечивает внутривидовое разнообразие. Генетика -- фундаментальная наука, изучающая процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционом уровнях.

Наследственность -- способность организмов обеспечивать материальную (свойства и признаки) и функциональную преемственность, а также определенную схему индивидуального развития (онтогенеза).

Изменчивость -- способность организма утрачивать имеющиеся признаки или приобретать новые.

Генотип -- совокупность всех наследственных задатков (генов) организма.

Фенотип -- совокупность внешних признаков организма на данном этапе онтогенеза, обусловленных генотипом и формирующихся под влиянием внешней среды.

Весь генетический материал представлен молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислотой), образующих с белками сложный комплекс -- хроматин, хорошо видимые структуры которого -- хромосомы наблюдаются в период деления клетки.

Каждый многоклеточный организм, размножающийся половым путем, развивается из одной единственной клетки -- зиготы, образованной в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. В зиготе набор хромосом диплоидный (двойной -- 2п), где каждая из пары гомологичных (одинаковых) хромосом привнесена гаметами, имеющими одинарный, или гаплоидный, набор (п) хромосом. Каждый вид организмов, в том числе и человек, имеет свой постоянный набор по количеству и морфологии хромосом -- кариотип. Так, кариотип дрозофилы 2п = 8; кошки 2п = 38; собаки 2п = 70; коровы 2п = 60; мыши 2п = 38; обезьяны 2п = 48; человека 2п = 46. В кариотипе различают аутосомы -- хромосомы, одинаковые у всех представителей данного вида независимо от пола, и пару половых хромосом: у женщин -- XX, а у мужчин -- XY.

Ген -- локус (участок) молекулы ДНК, обеспечивающий синтез определенной белковой молекулы или полипептидной нити, детерминирующей определенный признак, свойство или функцию.

Разные состояния одного и того же гена -- аллели. Аллели занимают идентичные участки (ло-кусы) в гомологичных хромосомах. При половом размножении каждый организм, развивающийся из зиготы, получает половину генов (признаков) от матери (через яйцеклетку), а другую половину от отца (через сперматозоид). Исключение составляют гены непарных половых хромосом у мужчин. В результате мейоза в зрелую зародышевую клетку всегда попадает только один аллель каждой пары, таким образом, каждый ребенок всегда получает только по одному аллелю из каждой пары аллелей родителей. Они могут быть либо в одинаковом состоянии, и тогда мы такой организм называем гомозиготным относительно данной аллельной пары (АА или аа), либо в различном состоянии, и тогда организм называется гетерозиготным (Аа) (рис. 1.1). Признаки могут иметь контрастные проявления, и тогда их называют альтернативными (например, мочка уха может быть сросшаяся или свободная и т.д.).

Рис. 1.1 Локализация пары аллелей в гомологичных хромосомах: 1 -- гомозигота доминантная --АА; 2 -- гомозигота рецессивная --аа; 3 -- гетерозигота --Аа.

Аллели могут быть сильными -- доминантные аллели, т.е. проявляются всегда, и слабыми, проявляются не всегда, -- рецессивные. В связи с этим мы в дальнейшем будем говорить о генотипах особей как о гомозиготах доминантных или рецессивных и гетерозиготах, когда в генотипе есть доминантный и рецессивный задатки. Так, аллель J*, обуславливающий синтез агглютиногена А, доминантен над рецессивным аллельным геном J0, который распознается лишь в гомозиготном состоянии; ген резус-положительности (Rh) доминантен

над геном резус-отрицательности (rh) и т.д. Часто ни один из двух различных аллельных генов не является ни доминантным, ни рецессивным, при этом выявляются фенотипические эффекты обоих генов одновременно. Это относится к аллельным генам групп крови JA и JB, генам вариантов альбумина, серповидно-клеточного гемоглобина и нормального гемоглобина (НЬ) и т.д. В этих случаях мы говорим о кодоминантном эффекте, т.к. оба ал-леля одновременно доминантны, т.е. проявляются фенотипически в гетерозиготном состоянии.

1.2 История исследований генетики человека

На рубеже 18--19 веков были сделаны первые попытки верно оценить наследование ряда патологий у людей. Мопертюи в 1750 году описал, что полидактилия может передаваться по аутосомно-доминантному типу любым из родителей. Причем сделанные выводы предвосхитили идеи Грегора Менделя. Адаме в «Трактате о предполагаемых наследственных свойствах болезней» (1814) сделал следующие заключения о наличии «семейных» (рецессивных) и «наследуемых» (доминантных) факторов у человека: отметил проявления семейных заболеваний у близких родственников и др., руководствуясь которыми можно было прогнозировать проявление некоторых болезней у потомков.

В начале 19-го века были выявлены некоторые закономерности наследования гемофилии при исследовании ряда родословных, в которых встречались лица, страдающие этой болезнью. Об опасности этой болезни при обряде обрезания у новорожденных указывалось еще в Талмуде: «Женщины в таких семьях передают эту склонность от отцов к своим детям, даже когда они замужем за мужчинами из других семей, не подверженных кровотечениям...» (Нассе, 1820).

В 1865 г. Ф.Гальтон предположил, что способности человека зависят от наследственных факто ров. В 1889 г. он предложил изучать влияние качеств, которые могут улучшить здоровье человека. В дальнейшем его идеи способствовали развитию евгеники. Он разработал генеалогический и близнецовый методы (1876) исследований человека.

Описание наследования дальтонизма (сцепленное с полом, рецессивное наследование) приведено офтальмологом Горнером (Швейцария, 1876).

О.Гертвиг в 1875 г. описал процесс оплодотворения. А.Вейсман указал, что носителями наследственных свойств являются ядра клеток, лежащих в основе процессов роста и размножения клеток у человека. В 1882 г. В.Флеминг на животных провел детальное изучение митоза, выделив в нем 4 фазы, а в 1883 г. Э.Ван Бенеден показал, что в половых клетках число хромосом в два раза меньше, чем в соматических. При оплодотворении число хромосом увеличивается вдвое. Термин «хромосомы» был предложен В.Вальдеером в 1888 г. для обозначения постоянных элементов ядра клетки.

Законы наследования моно-, ди- и полигенных признаков, установленные Г.Менделем в 1865 г., определили развитие генетики как науки на весь последующий период.

Официальной датой рождения генетики принято считать весну 1900 г., когда независимо друг от друга Г.де Фриз (Голландия), Корренс (Германия), Чермак (Австрия) переоткрыли законы Менделя, что дало толчок к развитию генетических исследований.

1901 -- 1903 гг. Г.де Фризом была создана мутационная теория, постулаты которой справедливы и сегодня: мутации возникают внезапно, устойчивы, могут быть прямыми и обратными, возникают повторно, бывают полезными и вредными. Однако он считал, что мутации без участия естественного отбора могут приводить к возникновению нового вида.

Английский врач Гэррод в 1902 г. при анализе семейных данных по алкаптонурии впервые использовал подходы Г.Менделя и отметил, что эта болезнь обмена веществ наследственная и расщепляется в потомстве как рецессивный признак. Гэррод показал справедливость законов наследования Менделя для человека. В 1908 г. он сформулировал известное положение «О врожденных дефектах обмена».

В 1903 г. американский антрополог Фараби при изучении родословной нескольких поколений впервые установил аутосомно-доминантный тип наследования брахидактилии (короткопалости). Основной целью исследования этого периода было выяснение того, какие болезни человека передаются по наследству согласно законам Менделя.

В начале века К.Ландштейнер (1900) описал систему групп крови AB0. В 1908 г. независимо друг от друга математик Харди (Кембридж) и врач Вайнберг (Штутгарт) показали, почему от поколения к поколению частота встречаемости доминантных генов не меняется. Они вывели закон относительной частоты встречаемости доминантных и рецессивных аллелей в свободно скрещивающихся популяциях, который заложил основу популяционной генетики.

В 1924 г. Бернштейн установил, что группы крови АВО контролируются тремя аллелями одного гена. Концепция наследственного полиморфизма была сформулирована Фордом в 1940 г.

В 1910 г. Т.Морганом и его сотрудниками была показана роль хромосом в наследственности и установлены законы сцепленного наследования, которые вместе с законами независимого наследования Г.Менделя составляют фундамент классической генетики.

Работы А.С.Серебровского по антропогенетике (1922--1929) способствовали становлению медико-генетического института, который был создан в 20-х годах под руководством профессора С.Г.Левита.

В 1924 году Г.А.Левитский применил термин «кариотип» для обозначения ядерных особенностей организма. Термин «идиограмма» (типичный для вида состав ядра) был предложен С.Г.Навашиным, но распространения не получил. Лишь после уточнения Левитским в 1931 г. идиограмма стала предполагать графическое изображение совокупности признаков хромосом (диаграммно-схематическое изображение).

Часть работ по генетике человека публиковалась тогда в популярном журнале «Annals of Eugenics». После окончания второй мировой войны он стал называться «The Jornual о/ Human Genetics». С тех пор развитие генетики человека шло в других направлениях:

О изучение наследования патологий;

изучение факторов возникновения и распространения таких болезней, как диабет, злокачественные опухоли, шизофрения.

На основании родословных (А.С.Пушкина, С.Рахманинова, Л.Н.Толстого, А.М.Горького, П.И.Чайковского) изучали наследование одаренности известные генетики Н.К.Кольцов и Ю.А.Фи-липченко. Филипченко опубликовал цикл работ по наследственности человека и евгенике. В 1921 г. Ю.А.Филипченко организовал бюро по евгенике при Российской Академии наук, впоследствии реорганизованное в лабораторию генетики, ставшую в 1933 г. институтом генетики, который возглавил Н.И.Вавилов.

Клинико-генеалогический метод получил дальнейшее развитие в работах С.Н.Давиденкова, который анализировал различные клинические формы (полиморфизм) и особенности течения болезней нервной системы.

В 1925 г. выходит в свет книга «Наследственные болезни нервной системы», положившая начало почти тридцатилетней тематике исследований известного клинициста-генетика С.Н.Давиденкова. По существу, он первый отчетливо сформулировал принцип генетической гетерогенности наследственных болезней. «Единая» миопатия распалась на семь форм. Давиденков высказал идею о необходимости создания каталогов генов для классификации наследственных патологий.

В конце 20-х начале 30-х годов в нашей стране начался кризис генетики, которая была объявлена «лженаукой». Отечественные ученые-генетики не смогли продолжать в течение многих лет научные исследования практически по всем направлениям генетики и в смежных с ней биологических дисциплинах. Трагические последствия августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 г. нанесли огромный вред теоретическим и практическим достижениям генетики в нашей стране, утвердив антинаучные идеи Т.Д.Лысенко. Был нанесен непоправимый вред подготовке биологов и медиков. Лишь только с 50-х годов в нашей стране началось восстановление генетических направлений исследования.

1941 год -- обнаружена несовместимость крови по резус-фактору у матери и плода. В этот период была заложена основа биохимической генетики Бидлом и Тейтемом.

Молекулярная биология как самостоятельная наука сформировалась к 1953 году, когда трое ученых Френсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс описали модель строения ДНК.

Эллисон (1954) получил доказательство о роли инфекционных болезней в формировании генофонда человека, установив связь между малярией и частотой гена серповидноклеточности среди населения Западной Африки. -

До 1956 года считалось, что диплоидный набор человека имеет 48 хромосом, но Тио и Леван установили, что в клетках человека содержится 46 хромосом.

В.М.Ингрэм в 1957 году показал, что отличия между нормальным гемоглобином и серповиднок-леточным у человека определяется только заменой глутамина на валин в шестом положении -- цепи гемоглобина человека.

В 1959 году Л ежен установил причину возникновения синдрома Дауна, связанного с трисомией по 21 хромосоме. Джекобе и Стронг, а также Форд с сотрудниками обнаружили моносомию и трисомию по Х-хромосоме (ХО и XXY) при синдроме Тернера и Клайнфельтера, соответственно. В том же году была установлена роль Y-хромосомы в определении пола у человека.

В 1960 году Мурхед с сотрудниками разработал метод культивирования лимфоцитов периферической крови с целью получения метафазных хромосом человека. Патау и Эдварде описали две аутосомные трисомии, позже идентифицированные, как 13 и 18. Ноуэлл и Хангерфорд показали роль хромосомных мутаций при развитии злокачественного заболевания у человека. Они описали «филадельфийскую хромосому» при злокачественном миелолейкозе. Методы дифференциального окрашивания хромосом, позволившие идентифицировать все хромосомы человека, были разработаны к 1970 году.

В 1961 году была высказана гипотеза Лайон об инактивации одной из Х-хромосом в кариотипе женщин.

Обширные исследования в области изучения полиморфизма наследственных болезней человека выполнены Мак-Кьюсиком. Им был составлен подробный каталог генов в 1966 году, который впоследствии неоднократно переиздавался с дополнениями.

А.Баев (1967) расшифровал последовательность нуклеидов т-РНК (t-RNA). Л.Зилбером (1968) была предложена вирусно-генетическая теория возникновения рака.

1972 год -- формируется новое направление в молекулярной биологии -- генетическая инженерия. В этом году в лаборатории Берга (США) была получена рекомбинантная ДНК. На базе исследований этого направления возникла «индустрия ДНК». С помощью генной инженерии сконструированы искусственные гены инсулина, соматотропина, интерферона.

В середине 70-х годов были открыты транспозоны советским ученым Г.Георгиевым с помощью методов молекулярной генетики, гипотеза о существовании которых была ранее предложена Б.Мак-клинток.

Важнейшим достижением последнего времени является определение числа генов у человека и составление генетических карт хромосом, а также выяснение причин мутирования генов.

1.3 Дополнение: лауреаты Нобелевской премии в области генетики

Завещание Альфреда Нобеля

Я, нижеподписавшийся, Альфред Бернхард Нобель, обдумав и решив, настоящим объявляю мое завещание по поводу имущества, нажитого мною к моменту смерти.

Все остающееся после меня реализуемое имущество необходимо распределить следующим образом: капитал мои душеприказчики должны перевести в ценные бумаги, создав фонд, проценты с которого будут выдаваться в виде премии тем, кто в течение предшествующего года принес наибольшую пользу человечеству. Указанные проценты следует разделить на пять равных частей, которые предназначаются: первая часть тому, кто сделал наиболее важное открытие или изобретение в области физики, вторая --¦ тому, кто совершил крупное открытие или усовершенствование в области химии, третья -- тому, кто добился выдающихся успехов в области физиологии и медицины, четвертая -- создавшему наиболее значительное литературное произведение, отражающее человеческие идеалы, пятое -- тому, кто внесет весомый вклад в сплочение народов, уничтожение рабства, снижение численности существующих армий и содействие мирной договоренности. Премии в области физики и химии должны присуждаться Шведской королевской академией наук, по физиологии и медицине -- Королевским Кароллинским институтом в Стокгольме, по литературе -- Шведской академией в Стокгольме, премия мира -- комитетом из пяти человек, избираемым Норвежским стортингом. Мое особое желание заключается в том, чтобы премию получали наиболее достойные, независимо от того, скандинавы, они или нет.

Сие завещание является последним и окончательным, оно имеет законную силу и отменяет все мои предыдущие завещания, если таковые обнаружатся после моей смерти.

Наконец, последнее мое обязательное требование состоит в том, чтобы после моей кончины компетентный врач однозначно установил факт смерти, и лишь после этого мое тело следует предать сожжению.

Париж, 27 ноября 1895 г. Альфред Бернхард Нобель.

Нобелевские премии были присуждены следующим исследователям за выдающиеся достижения и открытия фундаментальных законов генетики:

Основы генетики человека

1933 г. -- Томасу Ханту Моргану за открытие функций хромосом как носителей наследственности.

1946 г. -- Герману Дж. Меллеру за открытие возникновения мутаций под воздействием рентгеновских лучей.

1957 г. -- Александеру Тодду за работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам.

1958 г. -- Джорджу Бидлу и Эдуарду Тейтему за открытие способности генов регулировать определенные химические процессы, и другую половину -- Джошуа Ледербергу за открытия, касающиеся генетической рекомбинации у бактерий и структуры их генетического аппарата.

1959 г. -- Северо Очоа и Артуру Корнбергу за исследование механизма биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот.

1962 г. -- Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой, материи.

1965 г. -- Андре Мишелю Львову, Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Мано за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.

1968 г. -- Роберту Холли, Хару Гобинду Коране и Маршаллу Ниренбергу за расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков.

1969 г. -- Максу Дельбрюку, Альфреду Хер-ши и Сальвадору Лурие за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов.

1975 г. -- Ренато Дульбекко за исследование механизма действия онкогенных вирусов, Хоуар-ду Мартину Гемину и Дейвиду Балтимору за открытие обратной транскриптазы.

1978 г. -- Даниэлю Натансу, Гамильтону Смиту и Вернеру Арберу за открытие ферментов рестрикции и работу по использованию этих ферментов в молекулярной генетике.

1980 г. -- Баруху Бенацеррафу, Жану Доссе и Джорджу Снеллу за их открытие генетически детерминированных структур поверхностей клеток, регулирующих иммунологические реакции.

1980 г. -- Полу Бергу за фундаментальные исследования в области биохимии нуклеиновых кислот, в частности рекомбинантной ДНК, и вторую половину -- Уолтеру Гилберту и Фредэрику Сенгеру за признание успехов, достигнутых в области генной инженерии и молекулярной генетики.

1983 г. -- Барбаре Макклинток за открытие подвижных элементов генома.

1985 г. -- Майклу Стюарту Брауну и Джозефу Леонарду Голдстейну за раскрытие механизма регуляции холестеринового обмена.

1989 г. -- Дж. Майклу Бишопу и Гарольду Э.Вармусу за открытие природы онкогенов.

1989 г. -- Сиднею Альтману и Томасу Чеку за открытие каталитической функции РНК и применение этой функции в биотехнологии.

Глава 2. Молекулярные основы наследственности

2.1 Генетическая роль ДНК и РНК

ДНК -- носитель наследственной информации

«Значение ДНК столь велико, что никакое знание о ней не будет полным». Ф.Крик.

ДНК -- дезоксирибонуклеиновая кислота -- биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф.Гриффит обнаружил у пневмококков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Он показал, что клетки невирулентных штаммов бактерий (шероховатые без капсул) приобретают свойства вирулентных (гладких с капсулами) штаммов, убитых нагреванием. Природа трансформирующего агента была установлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации.

Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в апрельском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной биологии, изучающей основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК -- полимер, структурной единицей которого является нуклеотид (рис. 2.2).

Нуклеотид состоит из азотистого основания пу-ринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пирими-динового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО~). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360°, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 градусов вокруг спирали относительно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания -- внутри и расположены с интервалом 34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что количественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

т.е. пропорция пуриновых и пиримидиновых оснований всегда равная.

Чаргаффом для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент специфичности, учитывающий долю гуанин-цитозиновых пар:

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5' положения одного пентозного конца и 3' положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5--3' связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5' конца к 3' концу -- такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3-5' считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити. Следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК.

Полиморфизм ДНК --

это способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только in vitro (в пробирке):

В-форма -- имеет стандартную структуру, практически соответствующую модели ДНК, которая была предложена Уотсоном, Криком и Уилкинсом, в физиологических условиях (низкая концентрация солей, высокая степень гидратации) является доминирующим структурным типом.

А-форма -- обнаружена в более обезвоженных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Интересна с биологической точки зрения, т.к. ее информация близка к структуре двухцепочечных ДНК, или для ДНК-РНК дуплексов.

С-форма -- имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности. Следующие формы характерны только для молекул ДНК с определенными последовательностями в парах оснований.

D- и Е-форма -- возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют наименьшее число пар оснований на виток (8 и 7.5). Обнаружены только в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма -- это зигзагообразная форма, с чередованием лево- и правоспиральности. Эта форма выявляется при наличии ряда факторов: высокая концентрация солей и наличие специфических катионов; высокое содержание отрицательных супервитков в молекуле ДНК и других Z-ДНК встречается на участках, обогащенных парами Г--Ц. Показано, что Z-форма ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-учас-тков, а также играть существенную роль в процессах рекомбинации.

Шотландский ученый Арнотт предположил: «Было бы удивительно, если бы в живой природе никак не использовалась эта способность ДНК -- менять свою форму».

Некоторые из форм могут при определенных условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга, например, А <-> В; а также Z <-> В. Предполагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Показательно, что в ДНК человека имеются участки, потенциально способные переходить в Z-форму, которые диспергированы в геноме человека.

Предполагается, что в клетках человека существуют условия, стабилизирующие Z-форму (Марри и др., 1993).

Знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заклю- -ченная в ДНК, должна передаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортировалась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вторых, еще более важным казалось то, что сахарофос-фатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сходны и было бы легко представить себе, как происходит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочеч-ной ДНК с образованием нестабильных гибридных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:

В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных цепей белков в процессе трансляции, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.

Строение и функции РНК

РНК -- рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

· углеводом РНК, к которому присоединяются пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;

· в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молекуле РНК занимает урацил;

· РНК -- одноцепочечная молекула;

· так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, может не выполняться по равенству содержания оснований.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках как про- так и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

Матричные РНК (информационная РНК, мессенджер-РНК) выполняют функцию матриц белкового синтеза (см. «Транскрипция»). В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа гетерогенная ядерная РНК(гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК. Процесс транскрипции осуществляется в ядре на ДНК, гяРНК после созревания будет служить матрицей для синтеза белка в цитоплазме.

Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемых антикодонами. Аминокислотный остаток может присоединятся к 3' -- концу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Структура тРНК представлена на рис. 2.3. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Иногда эту структуру называют «клеверным листом», конфигурация которого возникает благодаря нескольким внутрицепочечным комплементарным участкам. Молекулы всех видов тРНК имеют 4 основных плеча. Акцепторное плечо заканчивается последовательностью ЦЦА (5--3'). Через 3' происходит связывание с карбоксильной группой аминокислоты. Остальные плечи тоже состоят из стеблей, образованных комплементарными парами оснований и петель из неспарен-ных оснований. Антикодоновое плечо узнает нук-леотидный триплет (кодон).

Рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Для эукариот рибосома состоит из большой субъединицы с молекулярной массой 2,8 х10~6 (60S) и малой, имеющей молекулярную массу 1,4x10"6 (40S), где S (Сведберг)-- единица измерения коэффициента седиментации (мера массы макромолекулы). Эти субчастицы могут диссоциировать на белок и рРНК. Весовое соотношение рРНК: белок для эукариот составляет 1:1. Все субчастицы рибосом состоят из рРНК, которые синтезируют-ся в структуре ядрышек. В цитоплазме рибосомы упаковываются с рибосомными белками, приобретая достаточную устойчивость, и способны осуществлять большое число циклов трансляции.

В 1970-х годах Сидней Альтман и Томас Чек сделали открытие, противоречащее традиционным представлениям. Они показали, что РНК не только является переносчиком информации с ДНК, но и выступает в роли катализатора в ряде клеточных процессов. Каталитическая способность РНК позволила использовать эту молекулу для различных биотехнологических целей, в частности для борьбы с вирусными инфекциями.

2.2 Генетический код

До расшифровки генетического кода невозможно было понять, каким образом кодируется наследственная информация. Расшифровка генетического кода позволила понять механизм синтеза белка и связать между собой дефекты определенных белков человека и наследственные заболевания, а также создала необходимые предпосылки для диагностики и лечения таких заболеваний.

Генетический код -- единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеоти-дов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклео-тидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г.Гамовым. Основные свойства кода триплетность и вырожденность выявили в 1961 г. Ф.Крик и С.Бреннер.

Поскольку в белках встречается 20. различных аминокислот, то каждая не может кодироваться одним нуклеотидом (в ДНК всего 4 типа нуклеоти-дов), т.к. 16 останутся незакодированными. Не могут «слова» генетического кода состоять и из 2 «букв», т.к. будут закодированы всего 16 аминокислот. Значит, наименьшая возможная длина «слова», определяющая аминокислоту, -- 3 нуклеотида. Число * возможных триплетов нуклеотидов равно 64.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Система, содержащая искусственную мРНК, состоящую только из урациловых нуклеотидов, синтезировала полипептидную цепь, состоящую только из фенилаланина (в ДНК кодом для нее должен быть комплементарный триплет нуклеотидов -- AAA). Это сделали двое ученых М.Ниренберг и Г.Маттеи. К 1965 г. был расшифрован полностью весь генетический код (рис. 2.4). Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами.

В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода -- секвенирования.

Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) -- последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

Шутливая ода-четверостишие, посвященная генетическому коду, написана генетиками. Каждое слово состоит из трех букв, как триплет, кодирующий одну аминокислоту, из трех нуклеотидов:

Наш код так мал,

Так лих наш код.

Был дым, был -- пал,

Нет, жив наш род!

2. Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (вспомним, что аминокислот 20, а триплетов -- 64), исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета УАА, УАГ, УГА -- это стоп-сигналы (терминирующие кодоны), прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК..

3. Однозначность -- каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие двух важнейших свойств -- вырожденности и однозначности, одновременно присущих генетическому коду.

4. Генетический код не перекрываем -- процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков вплоть до нонсенскодонов. Таким образом, генетический код не содержит знаков пунктуации.

5. Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.

При считывании информации положение первого основания кодона (триплета) определяет рамка считывания. Число возможных рамок считывания равно трем, поскольку генетический код триплетен. Обычно функциональный белок синтезируется по одной рамке считывания.

Иногда могут происходить изменения рамки считывания, связанные с выпадением или добавлением одного или нескольких нуклеотидов. При последующей сборке белка в нем будет нарушена последовательность аминокислот. Это называется мутацией со сдвигом рамки.

Глава 3. Матричные процессы в клетке

Существуют три типа матричных процессов в клетках: репликация, транскрипция и трансляция. Кратко остановимся на них.

3.1 Репликация ДНК

Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией, которая должна передаваться полностью и с очень высокой точностью.

Репликация -- удвоение ДНК, происходящее в синтетическую (S) стадию интёрфазы перед каждым делением клетки. Информация, необходимая для репликации ДНК, заложена в ее структуре. Поскольку нити ДНК комплементарны друг другу, т.е. основания в парах дополняют друг друга, каждая цепь автоматически поставляет информацию для образования недостающей цепи. В 1957 г. Дельбрук и Стент сформулировали три альтернативные гипотезы репликации ДНК в клетках эукариот:

Консервативная репликация. Исходная двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для 2. Основы генетики человека образования совершенно новой двухцепочечной молекулы, нацело достраивающейся на исходной. При этом одна из дочерних клеток получит исходную ДНК, а другая вновь синтезированную ДНК. Полуконсервативная репликация. Две нити ДНК расплетаются (как застежка-молния). Каждая цепь служит матрицей для образования новой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним тут же присоединяются свободные нуклеотиды, ранее синтезированные в цитоплазме. В результате каждая половинная спираль снова становится целой, и вместо одной молекулы получаются две, в результате чего хромосома становится двухроматидной.

Дисперсионная репликация. Исходная ДНК распадается на короткие разной длины фрагменты, используемые в качестве матриц для построения фрагментов двух новых двойных спиралей, которые затем воссоздаются в единую структуру молекулы. Образованные молекулы ДНК содержат старые и новые фрагменты.

Позже М.Мезельсон и Ф.Сталь, используя авторадиографический метод, показали, что полуконсервативный метод репликации характерен для всех эукариот и большинства прокариот. Лишь только некоторые формы вирусов способны к дисперсионной и консервативной формам репликации. Процесс репликации ДНК весьма сложен, но протекает аналогично у про- и эукариот, отличаясь участвующими ферментами, скоростью и направлением репликации, количеством точек репликации (числом репликативных вилок-репликонов). Скорость репликации у эукариот осуществляется довольно медленно -- 50 пар оснований в 1 с, а у E.coli 1700 пар/с, но малая скорость репликации компенсируется множеством репликонов и двунаправленностью репликации. В каждой репликативной вилке ДНК расплетена и находится в одноцепочечной форме. Репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, расплетая ДНК, пока не дойдет до точки окончания синтеза (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Строение репликативной вилки E.Coli (А.Корнберг, 1984).

В 1955 г. А.Корнберг и его коллеги из Стенфордского университета открыли фермент, который обеспечивает репликацию ДНК, и назвали его полимеразой. Полимераза присоединяет компле-ментарный нуклеотид к матричной цепи. Например, в матричной цепи находится нуклеотид А -- полимераза присоединяет к нему нуклеотид Т, если в матричной цепи встречается Г-нуклеотид, полимераза к нему присоединяет Ц-нуклеотид.

На современном этапе среди ферментов, участвующих в синтезе ДНК, выделены ДНК-полимеразы I, II, III, обладающие 5'-> 3'полимеразной активностью. Кроме того, все три фермента проявляют способность деградировать ДНК. Полимеразы являются 3'--> 5' экзонуклеазами и способны отщеплять нуклеотиды в этом направлении. Это свойство обеспечивает высокую точность репликации. Когда ДНК-полимераза III ошибочно присоединит неправильное основание, то «включается» ее 3'--> 5'экзонуклеазная активность. Этот механизм реализуется потому, что данный фермент может работать как полимераза лишь на ' совершенной двойной спирали ДНК с абсолютно правильным спариванием оснований.

Не менее важны топоизомеразы -- ферменты, катализирующие переходы в молекулах ДНК, связанные с изменением степени сверхспирализа-ции. ДНК, различающиеся только по степени сверх-спирализации, называются топологическими изомерами, или топоизомерами. Одни из них релак-сируют сверхспирали, а другие -- приводят к образованию, в них сверхвитков. В 1967 г. была открыта ДНК-гираза, которая переводит двухцепочечную ДНК в состояние отрицательной сверхспи-рализации. Это необходимо для снятия положительных сверхвитков, возникающих при репликации из-за раскручивания двойной спирали. Сверхспирали регулируют активность ДНК, а4 степень сверхспирализации контролируется ферментами то-поизомеразами-П (для эукариот)или гиразами.

Инициация репликации начинается с образования сверхспиралей у ДНК. Этот процесс реализуется в присутствии ДНК-гиразы и АТФ. Если вывести из стоя гиразу, репликация прекращается. Сверхспирализация ДНК происходит лишь в тех случаях, когда не нарушена целостность структуры ДНК. Сверхспираль сразу же раскручивается топоизомеразой -- хеликазой (helix -- спираль). Поскольку ДНК-полимеразы катализируют репликацию только в направлении 5' -> 3', а цепи родительской ДНК антипараллельны, только одна из новых цепей синтезируется непрерывно. Эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь, называемая отстающей, синтезируется в виде фрагментов ДНК -- фрагменты Оказаки, которые у эукариот имеют последовательность 100-- 200 нуклеотидов. Эти фрагменты лигируются (сшиваются) полинуклеотидлигазами, и образуется непрерывная вторая цепь. Этот процесс называется созреванием. Синтез каждого фрагмента Оказаки (3' --> 5') начинается на маленьком фрагменте РНК (около 10--60 нуклеотидов), который удаляется еще до окончания считывания фрагмента. Это так называемая затравка, или праймер. При созревании РНК затравка удаляется, как с 5' -- конца лидирующей цепи, так и 5'-- концов фрагментов Оказаки, с помощью ДНК-полимеразы I, действующей как 3' -» 5' экзонуклеаза, ДНК-лигаза соединяет в нужном порядке фрагменты ДНК (рис. 3.2).

3.2 Репарация ДНК

В любой клетке человека под влиянием различных факторов в ДНК ежедневно происходят тысячи случайных изменений, а за год в каждой клетке накапливается лишь очень небольшое число стабильных изменений нуклеотидной последовательности ДНК. Среди множественных случайных замен оснований в ДНК лишь одна на тысячу приводит к возникновению мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидируются в процессе репарации ДНК- Механизм репарации («залечивание» повреждений ДНК) основан на том, что молекула ДНК имеет две копии генетической информации -- по одной в каждой из нитей молекулы. Основной путь репарации включает три этапа:

· измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. В спирали ДНК в этом месте возникает брешь;

· ДНК-полимераза и гликозилазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити;

· ДНК-лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы (рис. 3.3)

Рис. 3.3. Этапы вырезания и репарации поврежденного участка ДНК (Айала, 1988).

Нарушение репарации у людей, пораженных пигментной ксеродермой (повышенная чувствительность к солнечному свету), приводит к раку кожи. Активность УФ-эндонуклеазы, необходимая для репарации, при этом отсутствует. Если подавляются репарационные системы, то мутагенез усиливается.

3.3 Биосинтез белка

Транскрипция (переписывание) -- синтез на ДНК-матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в релаксированном (деспирализованном) состоянии (рис. 3.4). Это первый этап белкового синтеза.

Рис. 3.4. Синтез белка у эукариот.

Матричная РНК (мРНК) содержит генетическую инструкцию по синтезу определенного полипептида и переносит ее к белоксинтезирующему аппарату клетки, находящемуся в рибосомах цитоплазмы клеток. Синтез мРНК имеет стадии: инициации, элонгации и терминации аппарату клетки, находящемуся в рибосомах цитоплазмы клеток. Синтез мРНК имеет стадии: инициации, элонгации и терминации.

Для инициации транскрипции необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК -- это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Для эукариот имеется ряд принципиальных отличий в этих процессах. Для эукариот характерно «кэпирование» 5--конца мРНК (первыми включаются нуклеотиды, содержащие основания аденин или гуанин). Модификация 5-- конца мРНК приводит к образованию особой последовательности РНК, называемой кэп-структуры. При модификации 3--конца к нему присоединяются последовательность poly(A) длиной 20-200 нуклеотидов (poly-A -- «хвост»). Первичным продуктом гена, формируемым в ядре, состоящем из больших по размерам молекул-предшественников, называемым незрелой, или гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), является точная копия транскрибированного участка ДНК.

Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом, в результате которого молекулы подвергаются модификации по 5' --> 3' концам и сплайсингу. Сплайсинг гетерогенной ядерной РНК -- это удаление последовательностей РНК, соответствующих нитронам ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов (рис. 3.5) (см. гл. 4.2).

Для эукариот характерно большое число реакций сплайсинга. Это происходит благодаря наличию в интронах строго определенной последовательности оснований ГУ или ГА в начале соответствующего участка интрона РНК и оснований АГ -- в конце. Молекулы гяРНК имеют молекулярную массу более 107, в то время как молекулярная масса мРНК не превышает 2 х106.

Трансляция (перевод) -- процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденсацией отдельных аминокислотных остатков, начиная с аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу.

Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс трансляции -- декодирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декодирования осуществляется в направлении от 5' --» 3' и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой. Подобно транскрипции механизм трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК (тРНК), специфичная к данной аминокислоте. тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчастице, образует связь кодон -- антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в ами-ноацильный участок (А-участок) большой субъединице. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той тРНК, которая переносит метионин. Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидиль-ный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома -- инициирующий комплекс.

Элонгация -- это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов:

О узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свободного А-участка на рибосоме;

О образование пептидной связи, которое происходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заняты молекулами тРНК. Часть большой субъединицы рибосомы -- фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи;

О транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходят из А на Р-участок и, наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон.

Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.

Каждая мРНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы мРНК около 2 мин. Разрушая старые и образуя новые мРНК, клетка может довольно строго регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Это регуляция синтеза белка на уровне транскрипции. У эукари-от возможна регуляция и на уровне трансляции.

Синтез белка -- один из существеннейших показателей жизни. Жизнь каждого индивидуума начинается с оплодотворенной яйцеклетки, которая многократно делится. Вскоре в образовавшейся клеточной массе начинается дифференци-ровка: между многими ранее однородными клетками возникают различия. Клетки дифференцируются потому, что в них содержатся разные белки, от присутствия которых зависит, какие реакции будут проистекать в клетке, а также свойства и функции данной клетки. Поскольку любой белок является продуктом гена, то дифференци-ровка обусловлена тем, что разные гены включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза. Кроме того, каждый человек на Земле в прошлом, настоящем или будущем имеет свой неповторимый набор только ему свойственных белков, именно поэтому каждый человек уникален. Исключение составляют монозиготные близнецы, у которых генетический материал идентичен. Именно специфичность белковых наборов обеспечивает иммунный статус каждого человека.

...