Текст книги "Одинаковые или разные? Геномика"

Франсиско Хавьер Соберон Майнеро, Моника Бергна
Одинаковые или разные? Геномика

Перевод с испанского выполнила Вера Гордиенко по изданию:

¿Iguales o diferentes? Genomica. – Dr. Francisco Xavier Soberon Mainero, Monica Bergna. Ilustraciones de Maria Elena Valdez

Издание охраняется законом об авторском праве.

Нарушение ограничений, накладываемых им на воспроизведение всей этой книги или любой ее части, включая оформление, преследуется в судебном порядке.

© Ediciones Tecolote, 2017, ¿Iguales o diferentes? Genomica. Original edition in Spanish

© Francisco Xavier Soberon Mainero and Monica Bergna, Text

© Maria Elena Valdez, Illustrations

© Перевод. Издание на русском языке. Оформление. ООО «Попурри», 2020

⁂

ДНК
Молекула жизни

Человеческие существа состоят из миллиардов живых клеток. В каждой клетке есть ядро. А в каждом ядре находится геном, сформированный в цепочку ДНК – молекулу жизни, в которой содержатся инструкции для каждого индивида.

Еще полвека назад никто и не подозревал о том, как живет клетка. Сегодня о геноме слышали все. Слова «ДНК», «геном» и «гены» прочно вошли в наш словарь, хоть мы порой точно и не знаем, что они означают. Дело в том, что геномика интересна не только ученым, она имеет отношение к каждому из нас, рассказывает о нашем здоровье, нашем будущем, и потому так важно понимать, что это такое и по каким законам все живет и действует.

У нас, людей, 99,8 процента генома совершенно одинаковые. А частичка в 0,2 процента разницы придает нам особенности внешнего вида – например, цвет глаз, волос, рост; и внутреннего содержания – например, болезни, к которым мы предрасположены.

Геномы всех живых существ написаны одинаковым кодом – еще одно доказательство эволюции. Иначе говоря, если все живые существа имеют одинаковую молекулярную основу, то лишь потому, что мы все унаследовали ее от общего предка. Человеческие гены – это тайна, которую мы постепенно раскрываем. Возможно, наше поколение первым отыщет некоторые ответы, но мы непременно зададим еще больше вопросов.

Дарвин
Общий ствол

В XIX веке Чарльз Дарвин открыл нам много нового, впервые заговорив об эволюции видов. «Все живые существа произошли от общего ствола», – сказал он, хотя в то время сравнивать человека с обезьянами или другими животными было весьма опасно: человека животным не считали, ни в коем случае. Дарвин пришел к выводу, что при естественном отборе видов в каждом случае доминировали более благоприятные для дальнейшего существования и выживания характеристики. Ученый открыл, что мы развиваемся или образовываем новые качества, которые помогают нашему виду выжить. Однако Дарвин не смог понять механизм, с помощью которого признаки передавались от предков к потомкам.

«Я был уверен, что многообразие природы и, соответственно, необходимость приспосабливаться в каждом новом случае давали толчок происхождению новых видов, и человек стал лишь одним из них».

В 1835 году Дарвин посетил Галапагосы и обнаружил, что виды животных на этих островах значительно различаются. Исследователь обратил внимание на певчих птиц – вьюрков: у галапагосских вьюрков на каждом из островов клювы оказались разной формы. Некоторые птицы с легкостью кололи орехи, другие вытаскивали из коры насекомых, а некоторые даже научились сосать кровь из других птиц. Вот как по-разному птицы приспособились к требованиям окружающей среды!

Дарвин понял, что внутри каждого вида выживало потомство с наиболее благоприятными для существования признаками – с клювом лучшей формы, с густыми перьями или шерстью, с сильными ногами (если приходилось спасаться от преследователей). Таким образом, птицы и животные, лучше других приспособленные к выживанию в определенной среде, с наибольшей вероятностью передавали свои качества потом – кам, закрепляя их в следующих поколениях.

Мендель и его горошины

Если все живые существа произошли от общего предка, то каким образом действует механизм биологического разнообразия?

В 1866 году Грегор Мендель продемонстрировал, что форма и размер горошин передаются из поколения в поколение. Научные изыскания этого ученого открыли новый путь в науке, вымощенный тысячами горошин, – генетику. Работы Менделя стали началом долгого процесса, который привел нас к необходимости исследовать происхождение генов и хромосом, а потом и осознать важную роль ДНК.

Мендель установил, что каждое живое существо несет в себе набор наследственных признаков, определенных характеристик. В процессе воспроизводства они сочетаются между собой согласно определенным законам, которые он предложил к рассмотрению.

С тех пор наука шагнула вперед, и столетие спустя ученые открыли, что многие болезни имеют генетический компонент, который не всегда следует законам, описанным Менделем. Выяснилось, что окружающая среда и привычки (или поведение) индивида также могут влиять на результат, то есть на проявление наследственных характеристик у потомства.

«Признаки бывают доминантными и рецессивными. В зависимости от этого они могут проявиться или не проявиться в следующем поколении потомства, однако опять возникнуть через поколение или далее».

Поговорим о генетике
А что там у мух?

Мендель намеревался описать только те законы, которые управляют процессами наследования признаков в растениях. Однако описанные им шаги, как оказалось, отражают основы наследования любого гена и применяются до сих пор, даже при изучении высших организмов и человека.

В начале XX века американский биолог Томас Хант Морган изучал процесс наследственной передачи признаков у мух дрозофил (Drosophilia melanogaster). В ходе экспериментов Морган выяснил, что наследуемые черты – гены – располагаются в ядрах клеток, внутри хромосом, и каждый из генов находится в определенной позиции. Его эксперименты также показали, что мутации генов проявляются в природе и становятся источником биологического разнообразия, необходимого для процесса эволюции.

Генетика – это наука, которая изучает, как биологическая информация передается потомству и изменяется в каждом последующем поколении.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это научное название молекулы, в которой содержится генетическая информация всех живых существ.

Хромосома – это четко структурированная упаковка ДНК, которая находится в ядре клетки. У различных организмов существует разное количество хромосом. Люди наследуют от каждого родителя набор из двадцати трех хромосом. Полный набор генетической информации, содержащийся в хромосомах всех клеток организма, определяет индивидуальные характеристики каждого человека.

Ген – это основная единица наследственности живого организма. Она передает информацию от поколения к поколению. Ген – это сегмент (участок) ДНК.

В 1944 году Эрвин Чаргафф разделил молекулы нуклеиновых кислот до их азотистых оснований и выяснил, что азотистые основания не всегда находились в ядре в равных пропорциях. Кроме того, он обнаружил, что количество аденина (А) в клетке равно количеству тимина (Т), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (С). Эти данные сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК.

Из чего мы сделаны?

Все живые организмы состоят из клеток, в структуре которых находятся нуклеиновые кислоты. Американский биохимик Феб Аарон Теодор Левин в двадцатые годы XX века установил, что нуклеоидные кислоты состоят из сахаристых соединений рибозы и дезоксирибозы. Кислоту, в которой содержится дезоксирибоза, назвали дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК. Другую кислоту, в которой содержится рибоза, назвали рибонуклеиновой кислотой, или РНК. Левин и его сподвижники верили, что данная субстанция повторяла саму себя, однако не считали, что эти кислоты несли генетическую информацию.

Левин также выяснил, что ДНК состоит из дезоксирибозы, одной фосфатной группы и четырех азотистых оснований, соединенных в цепочку.

Фотография 51
Ключ к разгадке

В середине прошлого века ученые Морис Уилкинс, Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик решили заняться изучением ДНК.

В 1952 году Розалинд Франклин впервые сфотографирова – ла гидратированную ДНК. Выяснилось, что эта молекула имела совершенно не такую структуру, как предполагалось ранее. Уилкинс показал Уотсону и Крику фотографию 51, на которой ясно виден простой и симметричный рисунок в форме «Х». И мир узнал о спиралевидной форме ДНК!

Что такое ДНК?
Шаг за шагом

В начале 1950-х годов молодой американский ученый Джеймс Уотсон приехал в Англию, в Кембридж, где познакомился с физиком по имени Фрэнсис Крик. И Уотсон, и Крик интересовались исследованиями ДНК и пытались определить ее структуру с помощью рентгеновской дифракции.

Уотсон построил пространственные модели азотистых оснований и понял, что нуклеотиды могут соединяться в пары и образовывать слабые связи с помощью водородных мостиков. Работы Чаргаффа помогли Уотсону осознать, почему содержание тимина (Т) практически идеально соответствовало содержанию аденина (А), а гуанина (G) – содержанию цитозина (С). Ступени, сформированные азотистыми основаниями, оказались комплементарными, то есть взаимодополняющими.

В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали в журнале Nature статью, в которой подробно описали строение ДНК. В заключении этой работы было сказано, что пары азотистых оснований (А с Т и G c C) двойной винтовой спирали модели ДНК объясняют, почему информация хранится в последовательностях, которые поддаются копированию, то есть передаются по наследству.

Вся наследуемая информация находится в последовательностях азотистых оснований вдоль цепи молекулы ДНК. Живой организм наследует от родителей уникальную цепочку оснований. С открытия структуры и функций ДНК началась новая эра в биологии.

Все живые организмы закодированы языком, в котором всего четыре буквы!

ДНК собрана из нуклеотидов, как из кирпичиков. Нуклеотиды состоят из трех веществ: фосфорной кислоты, моносахарида и азотистого основания (А, С, G или Т). ДНК представляет собой не что иное, как двойную цепь нуклеотидной последовательности, где основания изменяются. Эти цепочки противонаправленны, то есть ориентированы в разные стороны, и комплементарны. И к тому же свернуты в спираль.

Гены в наследство
Упаковка генов

Длина цепи ДНК – приблизительно 1,8 метра. Поскольку эта цепочка очень тонкая, ей необходима защита, чтобы не разорваться. Помните, еще недавно все записывали музыку на аудиокассеты? Если пленка в такой кассете разматывалась, то быстро запутывалась или даже рвалась, а если застревала в пластиковом корпусе или магнитофоне, то восстановить звук на испорченном участке бывало невозможно. Поэтому пленку на таких кассетах всегда держали намотанной на бобины, а двигалась пленка только для прослушивания записей.

Вот и цепочка ДНК такая же – очень тонкая и очень длинная, одним словом, хрупкая. И потому эта цепь завернута в белки, как в моток из тычинок, чтобы сформировать нуклеосомы, скатанные, как ожерелье из жемчужинок, и, наконец, соединенные в цепи.

Сегодня мы знаем, что такая «упаковка» служит еще и для передачи сообщения о том, какие гены активны, а какие нет. Но это уже из области эпигенетики, о которой мы поговорим позже.

Белки и компактная ДНК образуют вещество хроматин, из которого создаются хромосомы.

Хромосомы состоят из центромеры и плеч (участков хроматид по обе стороны от центромеры) неравномерной длины.

Центральная догма

В 1958 году на основании собранных к тому времени данных Фрэнсис Крик объявил: «Информация переносится в одном направлении от ДНК к белкам через некое промежуточное звено». Позднее выяснилось, что этим промежуточным звеном является информационная рибонуклеиновая кислота – РНК.

Кроме того, Крик теоретически допустил, что только ДНК может удваиваться и, следовательно, воспроизводиться и передавать генетическую информацию потомкам.

Французские биологи Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1960 году выделили РНК – рибонуклеиновую кислоту – и выяснили, что она играет сразу несколько важных ролей. РНК, которая получает информацию от ДНК и переносит ее к рибосоме, ученые назвали информационной РНК (иРНК). Не так давно были подробно описаны и дополнительные функции РНК – функции регулятора экспрессии генов.

Процесс образования белка начинается, когда энзим прикрепляется к ДНК. Именно тогда ДНК разворачивается и делится надвое, чтобы позволить считать свою информацию. Энзим «переписывает» ее, создавая иРНК.

В этом новом сегменте все тиминовые основания (Т) заменяются урациловыми (U). Информационная РНК выходит из ядра клетки в цитоплазму. Там ее задерживает рибосома, которая считывает и переносит генетическую информацию от иРНК в молекулу, созданную из аминокислот и называемую белком. Каждый белок имеет особую последовательность аминокислот, которая определяется их последовательностью в гене, давшем толчок к образованию данного белка.

Генетический код

Язык, который переводит основную последовательность иРНК в аминокислоты в белке, часто называют генетическим кодом, ведь он одинаков для всех живых организмов.

Хоть и довольно сложный, это единый код, в котором три нуклеотида формируют одну аминокислоту, а четыре основания создают 20 аминокислот.

Каждому гену отводится сегмент внутри длинной молекулы ДНК.

Гены в свою очередь формируются тремя основаниями – кодонами, которые соотносятся с соответствующими аминокислотами.

Кроме того, есть три кодона, которые не соотносятся ни с одной из аминокислот, это кодоны UGA, UAG и UAA.

Они играют роль прерывателей, то есть прекращают процесс трансляции или синтеза белков. Эти кодоны называют стоп-кодонами.

Информация, содержащаяся в последовательности ДНК, должна обрести форму и функцию.

ДНК создает некоторые инструкции, то есть проекты, планы, однако для их претворения в жизнь нужны инструменты и материалы. Клеточный механизм переводит информацию ДНК в определенные белки, по принципу один ген – один белок.

Например:

Только один процент человеческого генома (30 миллионов пар оснований) переводится в белки, из которых приблизительно 21 000 – различные гены. Остальной генетический материал имеет другие функции. Сложно представить, что нам, таким сложным существам, требуется для полноценной жизни так мало генов. Ведь даже у некоторых растений генов больше! Так где же наше остальное наследство?

Если разобраться, генов не так уж мало, поскольку каждый ген сам по себе может кодировать белки в зависимости от того, как он транслирует информацию. Кроме того, у нас есть и дополнительный уровень информации (регуляторные и эпигенетические маркеры), с помощью которых гены могут быть активированы или деактивированы, а это указывает на новый уровень клеточного языка.

Большинство генов составлены из длинных непрерывных цепочек ДНК. Ген состоит из инициирующего кодона, экзона (кодирующего фрагмента молекулы ДНК), интрона (некодирующего элемента), а также стоп-кодона. В зависимости от того, как он считывается, один и тот же ген может производить несколько различных типов белков. Гены бывают разными и по размеру.

Еще несколько лет назад считалось, что строение людей и других живых существ предопределяли только гены, доставшиеся им при зачатии. Это мнение менялось очень стремительно.

Наука движется вперед, приближаясь к расшифровке языка химических модификаций, которые регулируют экспрессию генов. Благодаря технологическому прогрессу, научные изыскания теперь обходятся дешевле. Сегодня даже сложные исследования не требуют крупных финансовых вливаний.

Геном человека
Мы почти одинаковые

Определение геномной последовательности (секвенирование генома) открыло новые возможности, помогло нам понять, какие гены связаны с определенными биологическими процессами или болезнями. Новые науки, технологии и области применения результатов исследований появились, чтобы объяснить, как гены работают и что происходит, когда в их системе случается сбой.

Геном так велик, что нам не хватило бы и множества человеческих жизней, чтобы его расшифровать.

Ученые предложили разрезать геном на определенные последовательности и изучать их отдельно друг от друга: так компьютерам удобнее считывать информацию.

Было проведено несколько научно-исследовательских проектов, в том числе проекты «Геном человека», «1000 геномов» (цель которого – создать библиотеку различных генетических вариаций человека) или проект HapMap, где исследователи анализируют по частям информационные отрезки генома. Благодаря этому стал возможен анализ генотипа в быстром формате с помощью микрочипа, что в миллионы раз снизило первоначально заявленную стоимость проектов.

Составив карты генома, исследователи выяснили, что множество болезней связаны не с пороками развития одного или нескольких белков, а с активацией и деактивацей генов.

Исследования генома человека – не конец, а начало.

Человек и обезьяна
Сравниваем геномы

Механизм сохранения и распространения генетической информации един для всех организмов и действует на основе ДНК, РНК и единого генетического кода.

Так происходит по одной простой причине: как и предполагал Дарвин, мы все унаследовали этот процесс от одного общего предка, и наши геномы более или менее похожи, в зависимости от удаленности от этого общего корня. Таким образом, геном человека и шимпанзе совпадает на 98 процентов. От мухи или банана мы, конечно, отличаемся куда разительнее, но наши гены вполне можно сравнить даже с генами насекомых и растений. Универсальность генетического кода, таким обра – зом, сама по себе является доказательством процесса эволюции. Сходство биологических последовательностей в организмах показывает, что все живые существа произошли от общего предкового гена, чей геном множество раз удвоился, изменился, дав жизнь новым наборам генов.

В 1973 году американский ученый-генетик Мэри-Клэр Кинг сравнила белки человека и шимпанзе и доказала, что генетически люди и обезьяны очень похожи. Эта информация, довольно спорная и даже скандальная для того времени, указывает, что у наших биологических видов был общий предок, существовавший, по последним оценкам, приблизительно пять или семь миллионов лет назад, что, с точки зрения эволюции, совсем недавно.

В 2005 году, когда расшифровали геном шимпанзе, оказалось, что он совпадает с геномом человека на 98 процентов.

Эта информация открыла новое направление в науке, и ученые стараются понять и объяснить базовые различия этих двух видов живых существ.

У нас как будто одна и та же библиотека, но мы читаем разные книги, ведь наши геномы, хоть и похожие, экспрессируются по-разному.

Некоторые исследования показали, что большинство генов, связанных с человеческими болезнями, присутствуют в геноме мухи дрозофилы, и во многих лабораториях по всему миру сейчас работают с этим биологическим видом.

Размер генома не имеет прямого отношения к сложности живого организма.

А об этом вы знали? Геном мушки дрозофилы состоит из 120 миллионов пар оснований, геном рыбы фугу – из 400 миллионов, а геном человека – из 3200 миллионов.

Мутации
Мы уникальны

Человеческие организмы генетически идентичны на 99,8 процентов. Различия на 0,2 процента приводят к небольшим вариациям нормальности или к более серьезным изменениям, в результате которых появляются болезни. Такие изменения называют мутациями.

Мутации могут возникать в течение всей жизни в результате воздействия некоторых факторов окружающей среды (например, курение табака приводит к образованию мутаций) или просто в результате копирования ДНК. И, конечно, при передаче признаков по наследству от одного поколения к другому. Все эти изменения определяют, к примеру, нашу группу крови, цвет глаз, а в некоторых случаях и предрасположенность к болезням.

Подавляющее большинство последовательностей человеческого генома не кодирует никаких белков и не регулирует генов. Таким образом, если мутация произойдет на одном из этих участков, это не приведет к особым последствиям. Однако при возникновении точечной мутации или мутации другого типа в кодирующих последовательностях существует высокая вероятность того, что белок будет сформирован иначе. И этот другой белок, возможно, будет работать хуже, чем его обычная версия, а может и не сработать совсем.

Пример мутации – лактозная непереносимость. У всех детей и младенцев в организме присутствует энзим, который позволяет им расщеплять содержащийся в молоке сахар. Однако в телах многих взрослых ген, производящий этот энзим, прекращает себя проявлять, вследствие чего человеку становится сложнее перерабатывать лактозу и в организме развивается ее непереносимость.

Для представителей групп населения, чье питание традиционно зависит от животноводства, молоко является очень важным продуктом, и сельские жители, фермеры, приобрели со временем мутацию, закрепившуюся из поколения в поколение, в результате которой они в любом возрасте могут с удовольствием пить молоко без неприятных последствий.

Мутация – это изменение информации в геноме. Мутации бывают различных типов: доминантные и рецессивные. Если мутация доминантна, то достаточно всего одной из двух хромосом получить информацию – и она проявится в организме, а если мутация рецессивна, то у двух хромосом должна быть одинаковая мутация. Наиболее часто встречаются следующие типы точечных мутаций:

Молчаливая мутация – изменяет всего один нуклеотид в ДНК, не оказывая влияния на формирование белка.

Миссенс-мутация – изменяет кодон и аминокислоту. Нонсенс-мутация – изменяет кодон, превращая его в стоп-кодон.

Когда информация не доносится до белка, то возможны негативные последствия: белок либо не построится, либо не станет выполнять свои функции.

Мутация сдвига рамки считывания – нуклеотид теряется или добавляется к кодону, и в этом случае создается совершенно аномальный белок.

Самая обычная фраза

МАМА МЫЛА РАМУ

в результате точечной мутации превратится в

МАМА МЫЛ РАМУ,

при нонсенс-мутации станет

МАМА МЫЛА СТОП,

а при мутации сдвига рамки считывания –

ММАМ ЫЛАР АМУ.