Молекулярная генетика

Понимание биологического развития с учетом влияния природы и принципов действия генома человека возможно лишь при условии рассмотрения биохимических компонентов, составляющих нашу жизнь, и того, что они делают. Эти биохимические компоненты локализованы в клетках, составляющих сложные организмы, например человека. С них мы и начнем изучение вопросов молекулярной генетики.

Клетки человека

Человеческий организм состоит более чем из 200 различных видов клеток,являющихся самыми маленькими автономными структурами в нем. Несмотря на свое разнообразие, практически все наши соматические (телесные) клетки имеют несколько одинаковых, общих компонентов, как показано на рис. 3.1. Внешний слой клетки — клеточная мембрана— пористый, что позволяет впускать внутрь клетки питательные вещества, а продукты жизнедеятельности выпускать наружу. Внутри клетки находится цитоплазма, состоящая из большой совокупности различных и высокоспецифичных структур, поддерживающихся волокнистым ци-тоскелетом во взвешенном состоянии. Митохондрииявляются источниками энергии клетки; они обрабатывают питательные вещества и обеспечивают клетку энергией. Эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджии рибосомыявляются структурами «сборочного конвейера», который производит многие виды протеинов (белков), необходимых для жизни и функционирования как клетки,

Глава 3. Наследственность и среда 1 05

Рис.3.1. Соматическая клетка. Источник: Human heredity: principles and issues, 4th

edition, Copiright © 1997. Reprinted with permission of Wadsworth, an imprint ot the

Wadsworth group, a division of Thomson learning

так и всего организма. Внутренней частью клетки является ядро,также окруженное пористой мембраной, отделяющей его от остальной цитоплазмы и в то же время позволяющей биохимическим веществам беспрепятственно проходить сквозь нее в обоих направлениях. Наконец, в ядре локализована большая часть дезоксирибонуклеино-войкислоты (ДНК).ДНК выступает в роли «органа исполнительной власти» клетки и является основой (базой) наследственности.

ДНК. Структура ДНК была раскрыта Джеймсом Уотсоном, Фрэнсисом Криком и их коллегами (Watson, Crick, 1953). С помощью дедуктивных логических выводов, сделанных на основании анализа работ ранних исследователей и листа бумаги, вместившего всего лишь две страницы текста, Уотсон и Крик совершили революцию в биологии и смежных дисциплинах, за что позже получили Нобелевскую премию. На рис. 3.2 представлен созданный на компьютере образ «двойной спиральной» структуры ДНК.

ДНК — это макромолекула, обладающая высокой сложностью организации. Она состоит из большого числа маленьких молекул, в свою очередь состоящих из атомов. Если гипотетически «развернуть» отдельный сегмент ДНК и представить его в виде лестницы (рис. 3.3), мы смо-

Рис.3.2. Созданная на компьютере модель сегмента ДНК

106 Часть I, Начало

Рис. 3.3. Сегмент ДНК, представленный в виде лестницы. Р = фосфат, S = сахароза, А = аденин, Т = тимин, С = цитозин, G = гуанин

жем увидеть составляющие ее блоки, называемые нуклеотидами.Каждый нуклеотид состоит из молекулы соли фосфорной кислоты и молекулы сахарозы, которые формируют боковые стойки лестницы, и из одной из четырех азотно-уг-леродно-водородных баз:адениновой (А), тиминовой (Г), цитозиновой (С) и гуа-ниновой (G), объединенных водородной связью по парам, формирующим ступеньки лестницы.

Базы связываются в базовые парыв строго определенном порядке, не допускающем вариантов. В силу своего химического строения аденин может связы-

Глава 3. Наследственность и среда 1 07

ваться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Однако есть три важных момента, подверженных вариации: (1) сторона лестницы, к которой относится каждая базовая пара; (2) порядок, в котором базовые пары следуют на лестнице; (3) общее количество базовых пар. Благодаря этим вариантам существуют различия между видами, т. е. все живые организмы используют лишь эти четыре базовые пары, но с различным их количеством и способами расположения. Например, состав ДНК у наших ближайших «соседей», шимпанзе, более чем на 98% идентичен нашему — и менее 2% ДНК отвечают за те значимые различия, которые существуют между нами (см., например, Pinker, 1997).

Как отмечалось в самом начале главы, результаты, обнародованные Cetera genomics corporation, показывают, что геном человека составлен из 3,12 миллиарда «букв»; на самом деле это означает, что в ДНК человека находятся 3,12 миллиарда базовых пар. Более того, ДНК каждого среднего человека приблизительно на 99,9% идентична ДНК любого другого нормального человека (Lander, 1999). Лишь 0,1% отвечает за биологический вклад во все наши индивидуальные различия по физическим и психологическим характеристикам. Полученные данные вызывают большие сомнения насчет наличия смысла в понятии «раса».

На молекулярном уровне значительная часть этих 0,1% индивидуальных различий принимает форму отдельных нуклеотидных полиморфизмов(SNPs — single nucleotide polymorphisms — «снипс»). Снипс — это вариации нуклеотидов, случающиеся в среднем у 1 из 1250 базовых пар (Celera genomics corporation, 2000), что составляет около 5 миллионов по данным Celera, хотя считается, что только от 10 до 20% из них выполняют значимые функции. К моменту написания этой книги Celera genomics corporation и Human Genome Project определили более половины из них, и темпы раскрытия таковы, что большинство или все они, вероятно, будут идентифицированы к тому моменту, когда вы прочтете ее. Однако, как и в случае с общим геномом человека, потребуется гораздо больше времени для исследования того, что же на самом деле делают все эти 5 миллионов нуклеотидных полиморфизмов. В то же время появляется задача определения известных нуклеотидных полиморфизмов, обусловливающих различные болезни, и тех, что помогают объяснить различные виды реакций людей на медицинские препараты.

Возможно, в конце концов также будут идентифицированы и те отдельные нуклеотидные полиморфизмы, которые детерминируют биологические предпосылки интеллекта и личности, создавая возможности как для больших научных открытий, так и для рисков злоупотребления этими знаниями.

Гены и синтез протеинов (белков)

Понятие геновкак основных единиц наследственности было известно задолго до того, как молекулярная генетика смогла подтвердить их наличие и значение, определить биохимическую природу. Ген (который некоторые предпочитают называть локусом — locus¹) — это выраженный сегмент ДНК, который может иметь длину от нескольких сотен до нескольких миллионов базовых пар. До сих пор истинное количество генов в геноме человека неизвестно. Оценки колеблются от 30 до 120 тысяч; обобщая оценки, полученные различными путями, этот диапазон можно сузить до 65-80 тысяч (Strachan, Read, 1999). На момент написания этих

¹ Locus (англ. букв.) - местоположение гена или аллели в хромосоме. — Примеч. перев.

1 08 Часть I. Начало

ВРЕЗКА 3.1

Раса и этничность

В заявлении Крейга Вентера, президента и главного научного сотрудника «Celera genomics corporation», сделанном им 26 июня 2000 года и упоминавшемся нами в начале этой главы, было сказано:

Мы рассмотрели геномы трех женщин и двух мужчин, считающих себя испанцами, азиатами, кавказцами и афроамериканцами. Мы собрали эту начальную выборку... из уважения к национальному многообразию, которое представляет собой США, и для иллюстрации того, что понятие расы не имеет под собой никакой генетической, научной основы.По пяти геномам, исследованным «Celera genomics corporation», невозможно отличить одну национальность от другой(жирный шрифт наш), (р. 1).

Если раса не имеет биологической основы, что также подтверждается исследованиями, обнаружившими, что различия внутри«расовых» групп гораздо больше, чем различия междуними (например, Zuckerman, 1990), то является ли полезным сам конструкт «раса»? Имеет ли смысл думать, говорить и писать о различиях людей, основанных на таких физических характеристиках, как цвет кожи, цвет волос, тип и черты лица, на других анатомических признаках? Целесообразно ли соединять в одну группу людей, которых обычно называют «черные», «белые», «азиаты» или «испанцы»? (Последнее особенно проблематично, потому что определение «испанцы» объединяет огромное многообразие людей, которые часто не используют данный термин для описания себя.)

Хотя и существуют доводы в пользу обратного (например, Eisenman, 1995; Helms, Talleyrand, 1997), создается впечатление, что термин этничностьгораздо полезнее для описания и понимания людей (Brace, 1995; Dole, 1995; Yee, Fairchild, Weizmann & Wyatt, 1993). Эта идея не нова; она предлагалась еще в 50-е годы XX века (Montagu, 1951; в изложении Yee at al., 1993).

Этничность «есть понятие, объединяющее в себе социальные, религиозные, лингвистические переменные, а также особенности употребления продуктов питания и другие характеристики для идентификации индивидов и популяций» (Witzing, 1996; р. 675). Корни эт-ничности находятся первоначально в культуре и, до некоторой степени, в социальном представлении о своей расе (с которой люди идентифицируются и в соответствии с принадлежностью к ней могут определять себя). Она является гораздо более ясным концептом, чем раса. Кроме того, это позволяет обходить стороной ряд проблем, связанных с классификацией людей и изучением того, как и почему они различаются. Например, если вы объездите весь мир, вы обнаружите людей, сочетающих в себе практически все возможные комбинации физических черт, относящихся к признакам той или иной расы (Segall et al., 1999; Shreeve, 1996). Есть темнокожие люди с правильными «европейскими» чертами лица. Есть люди, цвет кожи, глаз которых такой, как у азиатов, но черты лица характерны для «черных», и т. д. Каждый из этих примеров не подлежит простой классификации. Кроме того, существует множество людей - потомков смешанных браков, сочетающих в себе черты двух, а иногда и более национальностей, которые тоже не так просто классифицировать.

Смещение фокуса с расы на этничность также позволяет обойти печально известное «правило одной капли» - идею о том, что если человек обладает чертами лица белого человека, но при этом несет малейший след темнокожих предков, значит, он «черный». Аналогично, если практически «белый» человек имеет немного от азиатской расы, то он является «азиатом». Помимо очевидного «белого» уклона этой устаревшей теории она создает значительные трудности для исследователей развития при проведении сравнительных изучений. Например, если взять статистику Бюро переписи населения США (U. S. census

Глава 3. Наследственность и среда 1Q9

Bureau), которая может быть очень полезна для нашей работы и используется в этой книге, часто трудно понять, что же на самом деле представляет эта статистика. Например, не все черные люди являются «этническими черными», несмотря на то, что в опросах они могут причислять себя к «черным». К тому же «черная» субкультура США, другие такие субкультуры обладают большим внутренним многообразием. Понятие «быть черным» может трактоваться по-разному. В США то же самое наблюдение относится ко многим азиатским культурам, среди которых - японская, китайская, корейская, вьетнамская и многие другие, каждая из которых отличается своими установками и обычаями. «Белые» субкультуры в США могут быть еще более разнообразными, потому что их представители проживают в различных регионах и к тому же могут сохранять элементы своих европейских и других культурных наследий.

Многие люди гордятся тем, что они считают своим расовым или иным наследием, что тоже необходимо принимать во внимание. Некоторым из них это помогает ощутить чувство принадлежности к чему-либо, определить, кто они есть. В свою очередь, опыт жизни «черных», особенно в США, был таковым, что его воздействия на последующие поколения нельзя игнорировать. Как говорила подруга одного из авторов этой книги (Г. Дж. Крайг): «Если ты смотришь на меня и видишь, что я черная женщина, ты на самом деле не видишь меня; если ты смотришь на меня и не видишь, что я черная, ты все равно не видишь меня». Таким образом, в этом тексте мы прилагаем все усилия, чтобы уточнить данные исследований, связанных с расой, относительно границ их интерпретации. Там, где это возможно, мы предоставляем социокультурную и этническую информацию относительно участников таких исследований. Некоторые теоретики и исследователи все же дают такие сведения, и можно с уверенностью предсказать, что в будущем их число будет расти.

строк были отмечены места расположения в специфических участках ДНК менее 10 тысяч генов (Humane Genom Organization, HUGO, 2000; Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM, 2000), и для гораздо меньшего их количества были идентифицированы специфические функции (или дисфункции).

Каждую минуту изо дня в день гены осуществляют один важный процесс — синтез протеинов (белков). Протеины— это молекулы, выполняющие разнообразные функции, имеющие решающее значение и касающиеся различных частей организма. В базе данных Национального центра биотехнологий (National Center for Biotechnology, NCBI) представлены описания более 200 тысяч различных протеинов (белков), имеющихся в организме человека. Наиболее общий вид протеинов — энзимы:они служат катализатором многих текущих биологических реакций в клетках организма, т. е. они разбивают либо изменяют биохимические вещества. Кроме того, они выполняют эту функцию в процессе производства других протеинов, при копировании либо «починке» ДНК. Другие протеины в клеточной мембране выполняют такие функции, как регулирование входящего и исходящего потоков биохимических соединений, «информирование» клетки о состоянии внешней среды, а также распознавание и, при возможности, уничтожение непрошеных гостей, пытающихся проникнуть в клетку. Гемоглобинв красных кровяных тельцах — это протеин, соединяющийся с кислородом для обеспечения его транспортировки к клеткам всего организма, и особенно мозга. Мышцы состоят из особого «сокращающегося» протеина, позволяющего им двигаться и осуществлять усилия. Кости и соединительные ткани включают в свой состав коллаген, еще один специализированный структурный протеин. Волосы и ногти

110 Часть I. Начало

тоже состоят из протеинов. Важный класс протеинов — это гормоны, регулирующие физический рост и развитие начиная с пренатального периода. Они запускают процесс интенсивного роста подростков и переход в пубертатный период (см. главу 11), помогают подготовить тело к стрессу и опасности. В свою очередь, искажения в структуре протеинов или в степени их производства являются первичной причиной генетических нарушений, обсуждающихся в этой главе далее.

Общий обзор протеинового синтеза.Из многих тысяч генов лишь некоторые являются «активными» и участвуют в синтезе необходимых для жизни протеинов. Этот процесс начинается с присоединения ядра энзима к соответствующему сегменту ДНК, вызывая разъединение нуклеотидных связей. После этого одна его сторона становится трафаретом и начинает притягивать свободные нуклеотиды в ходе процесса, называемого считыванием генетической информации(transcription). Его результатом является информационная (матричная) РНК,молекула, несущая генетическую информацию (messenger RNA, mRNA). На рис. 3.4 проиллюстрирована получившаяся молекулярная цепочка «до-информационной РНК» (pre-mRNA), являющаяся зеркальным отражением молекулярной цепочки ДНК, за исключением того, что основной урацил(base uracil, U) связывается с адени-ном; информационная РНК не содержит тимина. На следующих стадиях молекулярная цепочка «до-информационной РНК» отделяется, и цепочка ДНК воссоединяется. После этого «до-информационная РНК» подвергается дальнейшей обработке в ядрах клетки, из которой удаляются ненужные нуклеотиды, а концы молекулярной цепочки «заделываются», превращая ее в зрелую информационную РНК, готовую выйти в цитоплазму клетки. Заметьте, что любая тройственная комбинация нуклеотидов имеет название «кодон»;каждая из них будет переводиться в специфические аминокислоты,молекулы, являющиеся компонентами протеинов.

Молекулы транспортной РНК (transfer RNA, tRNA) инициируют этот перевод, прикрепляясь с одной стороны к кодонам информационной (матричной) РНК и выстраивая соответствующие им свободные аминокислоты при помощи энзимов цитоплазмы, выполняющих функцию актуального распознавания.

На следующей стадии рибосома — опять же с помощью энзимов — стартует с эдного конца молекулярной цепочки информационной (матричной) РНК-транспортной РНК, продвигаясь вдоль нее на несколько шагов. С каждым шагом смежные аминокислоты связываются в последовательность, называемую полипептид-

Контрольные вопросы к теме

«Молекулярная генетика»

• ДНК человека базируется на пяти нуклеотидах.

• Все нормальные люди генетически идентичны на 99,9%.

• Отдельные нуклеотидные полиморфизмы являются основой индивидуальных различий между людьми.

• Энзимы - наиболее общий вид протеинов.

• Протеиновый синтез начинается в цитоплазме клетки.

Вопрос для размышленияПочему синтез протеинов так важен для продолжения жизни?

Глава 3. Наследственность и среда 111

Рис. 3.4. Этапы синтеза протеинов

ной цепью;когда рибосома достигает конца, полипептидная цепь является законченной и освобождается. Некоторые протеины состоят из одной полипептидной цепи; сложные протеины состоят из нескольких таких цепей.

Некоторые рибосомы прикрепляются к стенкам эндоплазматического ретику-лума (рис. 3.4). Если одна из них выполняет перевод, полипептидная цепь входит в эндоплазматический ретикулум для дальнейшей обработки, например, чтобы соединиться с другими полипептидными цепями для производства некоего сложного протеина. Химическая структура также может изменяться; все зависит от того, какой протеин синтезируется. Отсюда протеины «упаковываются» и посылаются в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и постепенной секреции

Часть I. Начало

через клеточную мембрану. Другие рибосомы в свободном состоянии находятся в цитоплазме; если одна из них совершает перевод, полипептидная цепь обычно немедленно активируется в виде протеина и остается внутри клетки.

Таким образом, используются всего лишь четыре нуклеотида, составляющих ДНК всех живых существ, чтобы произвести миллиарды потенциально возможных комбинаций 20 главных аминокислот, т. е. миллиарды различных протеинов. Как мы уже говорили, у человека были идентифицированы более 200 тысяч протеинов.