Андрей Шляхов
Генетика на пальцах
Об инженерах и помощниках мы заговорили не случайно, потому что по выполняемым функциям все гены подразделяются на структурные и функциональные. Структурные гены можно сравнить с рабочими, а функциональные – с инженерами-начальниками.
Простые рабочие парни – структурные гены – содержат информацию о белках или РНК, которую они добросовестно передают по назначению. Функциональные гены регулируют работу структурных генов, можно сказать – руководят ими. В зависимости от вида регуляции функциональные гены подразделяются на гены-модуляторы, гены-регуляторы и гены-операторы.
Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов. Те, которые ослабляют, называются ингибиторами[11], а те, которые усиливают, – интенсификаторами.
Ген-оператор «включает» и «выключает» структурные гены для считывания с них информации. Гены «включаются» при необходимости, а не работают постоянно. Ген-оператор можно сравнить с бригадиром, который руководит рабочими на месте. Бригаде генов помогает высококвалифицированный мастер – фермент РНК-полимераза, который запускает процесс синтеза РНК.
Ген-регулятор руководит работой гена-оператора. Он содержит информацию, на основе которой синтезируется особый белок-репрессор, блокирующий ген-оператор. Как только потребность в производимом продукте удовлетворяется, ген-регулятор останавливает работу операторов, а при необходимости запускает ее снова.
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как именно происходит блокировка или нейтрализация действия химических веществ в живых организмах? Путем связывания молекул блокирующих белков с их молекулами. Можно сказать, что белковая молекула обхватывает молекулу блокируемого вещества «руками и ногами» и таким образом не дает ему выполнять свои функции. Кстати говоря, точно так же работают и антитела – белки иммунной системы, вырабатываемые против чужеродных агентов. Стоит только антителу прикрепиться к вирусу, как тот «выпадает в осадок», теряет способность проникать в клетки.
На сегодняшний день принято считать, что примерно 94 % генов человека подвержено альтернативному сплайсингу. Сплайсинг не только позволяет «экономить» гены, но и тщательнее контролировать синтез белков и РНК, ведь добавление дополнительных этапов повышает уровень контроля.
Имейте в виду, что альтернативный сплайсинг может проявляться не только удалением каких-то функционирующих участков РНК-матрицы, но и оставлением в ней вспомогательного участка, который, по идее, нужно было бы удалить.
ОТВЕТ НА ВОПРОС. Гипотеза геммул была опровергнута посредством эксперимента, который поставил двоюродный брат Чарльза Дарвина Фрэнсис Гальтон. Он переливал кровь от кроликов с темной окраской шерсти кроликам со светлой шерстью. По логике геммулы темной окраски, якобы содержащиеся в перелитой крови, непременно должны были попасть в половые железы кроликов со светлой шерстью и проявить себя в их потомстве. Однако потемнения шерсти у потомства не произошло. Так было доказано, что никаких геммул не существует.
Глава 3
«Ядерная» генетика
Не удивляйтесь, пожалуйста, названию этой главы, в которой пойдет речь о клеточных ядрах и том, что с ними связано.
Ядро клетки хранит наследственную информацию и участвует в делении клетки. Выше мы сравнивали клеточное ядро со шкафом, в котором хранятся молекулы ДНК, но это сравнение не совсем точное, то есть слишком условное, подходящее для обсуждения темы на бытовом уровне. Но теперь-то мы с вами сильно продвинулись вперед, даже с альтернативным сплайсингом ознакомились, и потому можем считать себя продвинутыми генетиками. Потому и разговор у нас будет продвинутый.
Клеточное ядро образовано собравшимися вместе молекулами ДНК. Как только эти молекулы разойдутся в стороны, ядро исчезнет, а как только соберутся снова – появится вновь. Молекулы ДНК находятся в ядре в виде так называемых хромосом – комплексов, образованных молекулами ДНК, РНК и белков. Огромной молекуле ДНК нужны слуги, которые будут ее обслуживать. Каждая молекула имеет свою «свиту», которая сопровождает ее повсюду. Обратите внимание на то, что хромосомы являются не только хранилищем наследственной информации, но и самостоятельно функционирующими биологическими структурами, фактически – органеллами[12], а не молекулами. Так, например, гомологичные хромосомы при определенных условиях могут обмениваться друг с другом своими участками. Этот процесс называется кроссинговером, и мы с ним в свое время ознакомимся.
«Хромосома» в переводе с греческого означает «окрашенное тело». Такое название хромосомы получили благодаря своей способности связывать некоторые красители, используемые для приготовления микроскопических препаратов, проще говоря – за способность к окрашиванию.
У каждого биологического вида в норме должно быть строго определенное число хромосом. У человека их сорок шесть или двадцать три пары. Последняя, двадцать третья, пара (нумерация, как вы понимаете, условна) определяет пол человека. Хромосомы, одинаковые у мужских и женских организмов, называются аутосомами, а хромосомы, комбинация которых определяет пол, называются половыми хромосомами.
Мужские половые хромосомы принято обозначать как XY[13], а женские – XX. Посмотрите на рисунок, и вы увидите, что половые хромосомы получили обозначение по сходству с соответствующими буквами латинского алфавита.
Хромосомный набор человека
Половых хромосом может быть и больше одной пары. Так, например, утконос имеет пять пар половых хромосом. Мужской пол у утконоса задается комбинацией XYXYXYXYXY, а женский – XXXXXXXXXX.
Набор хромосом, присущий представителям данного биологического вида, называется видовым кариотипом (или просто кариотипом).
Набор хромосом данного конкретного организма называется индивидуальным кариотипом.
Совокупность внешних и внутренних признаков организма, которая определяется кариотипом, то есть наследственной информацией, называется фенотипом, а отдельный генетически обусловленный признак организма – феном. Каждый фен определяется отдельным геном.
Совокупность всех генов организма называется генотипом. Совокупность внешних признаков организма называют фенотипом.
Генотип – это совокупность всех генов, а кариотип – совокупность хромосом, в которых эти гены содержатся. Можно сказать, что генотип выглядит как кариотип и определяет фенотип.
Запомнили? Идем дальше!
Совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом представителя биологического вида, называется геномом.
Совокупность всех генных вариаций конкретной популяции называется генофондом.
Давайте скажем проще, чтобы не путаться:
– у отдельного человека – генотип;
– у биологического вида Человек разумный (Homo sapiens) – геном;
– у гуанчи (коренных жителей Канарских островов) – генофонд; также иногда термин «генофонд» употребляется применительно к народам, этносам, расам.
В обычной клетке организма (такие клетки называются соматическими, т. е. телесными) содержится полный набор хромосом, который называется диплоидным. Набор этот парный. Одна хромосома в паре получена от матери, другая – от отца. Хромосомы, образующие пару, называются гомологичными. А вот половые клетки, по-научному называемые гаметами, содержат половину диплоидного набора – по одной хромосоме из каждой пары. Такой набор называется гаплоидным. Соединяясь вместе, материнская и отцовская половые клетки объединяют два своих гаплоидных набора в один диплоидный.
Обратите внимание на то, что в любой соматической клетке одного и того же организма содержится один и тот же набор хромосом, то есть один и тот же набор ДНК, образовавшийся при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом. Каждая клетка организма получает полный набор наследственной информации, но использует только ту часть, которая непосредственно нужна ей.
В мужском кариотипе содержатся две разные половые хромосомы (X и Y), а в женском – две одинаковые (XX). Соответственно, сперматозоиды, мужские половые клетки, могут иметь разные половые хромосомы – X или Y, а яйцеклетки – только Х-хромосому, Y-хромосоме там взяться неоткуда. Таким образом, пол ребенка определяет сперматозоид, оплодотворяющий яйцеклетку.
Вот цифры, которые дают представление о том, насколько компактной является упаковка молекулы ДНК в хромосому. Молекулы ДНК, если кто не в курсе, являются наибольшими из известных науке гигантских молекул. Длина молекулы ДНК самой крупной хромосомы человека (в наборе она идет под первым номером) достигает без малого восьми сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК одной человеческой клетки составляет около двух метров! Если разделить два метра на сорок шесть (число хромосом, то есть число молекул ДНК у человека), то получим среднюю длину человеческой молекулы ДНК примерно в четыре с половиной сантиметра. А хромосомы можно разглядеть только в микроскоп!
Несмотря на то что человек считается венцом природы, хромосом у нас с вами не очень-то и много. У собак их семьдесят восемь, у камчатского краба 254, а у некоторых одноклеточных более тысячи! Количество хромосом в клетке живого организма никак не связано с уровнем его организации. А вот с чем оно связано, пока еще неизвестно.
Примечательно, что у наших ближайших родственников (гориллы, орангутана и шимпанзе) по двадцать четыре пары хромосом, а не двадцать три, как у нас с вами. Считается, что наша вторая хромосома образовалась из двух хромосом наших далеких предков.
Для клетки нет ничего важнее наследственной информации. Во время деления нужно правильно разделить наследственный материал между дочерними клетками. Соматические клетки должны получить полный диплоидный набор, не больше и не меньше, а ровно столько, сколько положено, а половые клетки – гаплоидный. Нехватка одной хромосомы или лишняя хромосома чреваты нежелательными последствиями, вплоть до фатальных. Но нарушение нормального количества хромосом при делении соматических клеток не так уж и страшно – погибнут или не смогут осуществлять деление всего лишь две дочерние клетки. А вот аномальное количество хромосом в половых клетках приводит к различным заболеваниям, а то и к гибели нового организма, образовавшегося при слиянии сперматозоида и яйцеклетки.
Наиболее распространенным и самым известным нарушением кариотипа является синдром Дауна, при котором к 21-й паре хромосом добавляется еще одна хромосома. Этот синдром получил название в честь британского врача Джона Дауна, впервые описавшего его в 1866 году. Однако природа этого заболевания, связанная с врожденным изменением количества хромосом, была выявлена лишь в 1959 году. Почти целое столетие врачи не понимали, с чем именно они имеют дело.
С нехваткой хромосом все понятно – отсутствие хромосомы лишает организм информации о синтезе определенных белков, и такой дефицит ни к чему хорошему привести не может. Но чем опасна лишняя молекула ДНК? Как говорится, много – это вам не мало. Однако же мешает, причем довольно сильно. Для синдрома Дауна характерно свыше трех десятков специфических признаков, проявляющихся с различной частотой, начиная с умственной отсталости и заканчивая врожденным лейкозом, злокачественным заболеванием кроветворной системы. Одна лишняя хромосома – и столько серьезных проблем. Почему так происходит?
Дело в том, что любой живой организм представляет собой сбалансированную систему, в которой все, как говорится, «отточено до мелочей» и любое нарушение баланса чревато нехорошими последствиями.
Представьте себе дом, в котором живут сорок шесть семей. У каждой семьи есть кухарка, которая готовит еду, и горничная, которая следит за порядком в квартире. А еще в доме живет дворник, который подметает двор и следит за тем, чтобы все коммуникации функционировали нормально, чтобы крыша не протекала и т. п. Кухарка и горничная дворнику не требуются, поскольку он привык обслуживать себя сам.
Дом, который вы себе сейчас представили, – это человеческая клетка с сорока шестью хромосомами.
В один злополучный день алчный домовладелец вселяет в квартиру к дворнику еще одну семью. Невелика шишка дворник, он и в прихожей спать может или, скажем, в подвале. А вот лишние жильцы приносят домовладельцу дополнительную прибыль. Кухарку и горничную новым жильцам домовладелец не нанимает, считая, что имеющаяся в доме прислуга запросто сможет обслуживать сорок седьмую семью по очереди. В дополнение к своим основным обязанностям, так сказать…
Что получится в результате?
Ежедневно какая-то из семей-старожилов будет плохо обслуживаться, потому что их прислуге придется «работать на два фронта». Кухарка и горничная станут выполнять свои обязанности кое-как, наспех, ведь им же нужно еще одну семью обслужить… Завтрак запоздает, на обед вместо трех блюд будет подано два, а то и одно, про ужин кухарка впопыхах может вообще забыть. Горничная вместо нормальной уборки ограничится «сдуванием пыли». И так по кругу, каждый день, в каком-то из семейств старожилов… О том, каково придется новым жильцам, лучше вообще не думать. Их будут обслуживать кое-как, поскольку для прислуги они являются обузой. Да и дворник будет постоянно высказывать им свое недовольство, мол, из-за вас меня лишили моей уютной квартирки. В знак протеста дворник станет халатно относиться к своим обязанностям. В результате трубы в доме начнут протекать, в электропроводке часто будут случаться замыкания, чистый двор превратится в грязный… В конечном итоге бизнес алчного домовладельца может серьезно пострадать.
И точно так же страдает из-за появления одной дополнительной хромосомы жизнедеятельность всего организма. Лишняя хромосома (лишняя молекула ДНК) есть, а сил и средств на ее «обслуживание» нет. Давайте вспомним, что каждая молекула ДНК «обслуживается» комплексом белков и ферментов, обеспечивающих считывание информации для синтеза РНК-матриц и последующий синтез белков на этих матрицах. Для дополнительной хромосомы «обслуга» не предусмотрена, возникает дисбаланс, и начинаются сбои в считывании информации с других молекул ДНК… Вот если бы было можно совсем не обращать внимания на лишнюю хромосому, то никаких проблем бы не было, но такой возможности у организма не существует. Все живое «запрограммировано» природой на максимально полное считывание наследственной информации.
Деление клеток представляет собой весьма интересный процесс, который условно можно сравнить с балетом, в котором каждое движение танцоров-хромосом расписано заранее. «Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряды и разбегаются в разные стороны… словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Это древнейший танец на Земле – Танец Жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды, благодаря чему мы растем и существуем…». Так поэтично описывал деление клеток американский генетик Генри Меллер, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Почему-то принято считать деление клетки скучной и малопонятной темой. На самом деле все совершенно не так. Это увлекательно и предельно ясно! Сейчас вы убедитесь в этом сами.
Наверное, не нужно уточнять, что соматические и половые клетки образуются разными способами, ведь в первом случае дочерние клетки получают от материнской полный диплоидный набор хромосом, а во втором – половинчатый гаплоидный. Мы начнем с деления соматических клеток, которое называется митозом. С греческого это слово переводится как «нить».
При чем здесь нить?
О, здесь присутствуют не только нити, но и веретено. Впрочем, давайте не будем забегать вперед…
Митоз, или непрямое деление, представляет собой наиболее распространенный способ воспроизводства эукариотических клеток, то есть клеток, имеющих ядро.
Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними клетками. Кстати, а знаете ли вы, в чем заключается биологический смысл жизни любого организма? В оставлении потомства, в поддержании существования своего биологического вида. Смысл жизни клетки в том, чтобы как можно скорее разделиться на две дочерние. Однако к такому серьезному процессу, как деление, нужно основательно подготовиться – поднакопить нужные ресурсы, «скопировать» хромосомы. Период подготовки к делению, то есть промежуток между двумя делениями, называется интерфазой (промежуточной фазой). В интерфазе хромосомы находятся в клеточном ядре в виде тонких нитей и не различимы в оптический микроскоп. Можно увидеть только само ядро.
Когда подготовка заканчивается, настает время митоза.
Первая фаза митоза, называемая профазой (предварительной фазой), является наиболее продолжительным периодом деления. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились еще в интерфазе, но пока что они соединены попарно перемычками, называемыми центромерами. Сдвоенные хромосомы имеют вид буквы «Х» с центромерой посередине. Центромеры нужны для того, чтобы правильно поделить хромосомы между дочерними клетками. Можно рассматривать их как скрепки, соединяющие распечатанный лист с его копией.
Хромосома
В профазе исчезает ядерная мембрана, оболочка, отделяющая ядро от цитоплазмы, полужидкой внутриклеточной среды. Хромосомы вырываются из ядра на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Сейчас их можно увидеть с помощью оптического микроскопа.
Центриоли
Ясное дело, что в этом хаосе нужно навести порядок. Хромосомы, пусть даже и связанные попарно, не должны «шляться» по клетке без присмотра. Так, чего доброго, их и не удастся поделить поровну. Но, к нашему общему счастью, в клетке есть парные органеллы, которые называются центриолями. Это такие цилиндрики, состоящие из девяти пучков микроскопических трубочек. В интерфазе центриоли располагаются в центре клетки, на условном экваторе, и потому получили такое «центровое» название.
Время действовать наступает в конце профазы, когда центриоли расходятся от экватора в противоположные стороны, образуя два полюса. Хромосомам остается совсем недолго наслаждаться свободой (если они вообще способны ею наслаждаться). Во второй фазе митоза, которая называется метафазой (это название можно перевести как «промежуточная фаза»), разошедшиеся к полюсам центриоли выпускают микротрубочки, которые прикрепляются к хромосомам и образуют так называемое «веретено деления». Эта конструкция и впрямь похожа на веретено – от полюсов к расположившимся на экваторе хромосомам тянутся трубочки.
Образование веретена деления (оно видно на среднем рисунке) и разделение хромосом
Каждая центриоль образует микротрубочки по числу хромосом.
К каждой паре хромосом тянутся микротрубочки от разных центриолей, от «северного» и «южного» полюсов. Каждая микротрубочка прикрепляется к одной хромосоме из пары. Так нужно для честного дележа хромосом между двумя дочерними клетками.
Суть метафазы заключается в образовании веретена деления. Как только оно образовано, начинается третья фаза митоза, которая называется анафазой (фазой разделения). В анафазе разрушаются центромеры, и хромосомы, подтягиваемые сокращающимися микротрубочками, расходятся к полюсам клетки. Дележ ценного имущества произведен, дочерним клеткам осталось только разделиться окончательно, что и происходит в заключительной, четвертой фазе митоза, которая называется телофазой (заключительной фазой). У полюсов хромосомы раскручиваются в нити и собираются в ядра, а в экваториальной зоне клетки образуется перетяжка, которая в конечном итоге разделит клетку надвое. Так вместо одной материнской клетки появляются две дочерние. Процесс деления завершается, и наступает интерфаза – подготовка к следующему делению.
Митоз клеток нашего организма длится от получаса до часа. На протяжении всей жизни в нашем теле осуществляется примерно сто триллионов клеточных делений. Сто триллионов – это десять в четырнадцатой степени, 100 000 000 000 000! Есть такая шутка: «Даже когда я сплю, я очень занят на клеточном и молекулярном уровнях». Так оно и есть: в живых организмах постоянно протекают химические реакции и происходит деление клеток.
Все проще простого и даже еще проще, не так ли?
Ядро разрушается, удвоенные хромосомы рассредоточиваются по цитоплазме. Это раз.
Центриоли расходятся от экватора к полюсам и протягивают свои «щупальца» к хромосомам. Это два.
Перемычки-центромеры разрушаются, и хромосомы расходятся к полюсам. Это три.
Поделенные хромосомы образуют ядра, а на экваторе образуется разделяющая перетяжка, которая отделит одну дочернюю клетку от другой. Это четыре. В балете под названием «Митоз» четыре акта.
А вот в балете под названием «Мейоз», в результате которого образуются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки), актов…
Сколько?
Так и хочется ответить: «тоже четыре, только без предварительного удвоения хромосом», но на самом деле актов не четыре, а восемь!
Да, восемь! Мейоз включает в себя два последовательных этапа деления клеток. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но в процессе деления центромеры не разрушаются и хромосомы не отделяются от своих копий! В результате обе дочерние клетки получают от материнской спаренные хромосомы, скрепленные центромерами.
Обратите внимание на одно очень важное обстоятельство. Из каждой пары гомологичных хромосом в дочерние клетки попадает по одной хромосоме вместе с ее копией, прикрепленной посредством центромеры. Перед началом митоза или мейоза в результате удвоения хромосом мы имеем по две пары в каждой гомологичной паре (каламбур неуклюжий, но какой уж есть). Во время первого этапа мейоза гомологичные пары разбиваются, но хромосомы не отделяются от своих копий. Так что нельзя ставить знак равенства между первым этапом мейоза и митозом, это разные процессы.
Мейоз
Практически сразу же по окончании первого этапа деления начинается второй, перед которым не происходит удвоения числа хромосом. Тут уж все идет как во время митоза, с разрушением центромер.
В результате мейоза из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. В процессе оплодотворения, при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливается полный набор хромосом.
Деление безъядерных прокариотических клеток, например – бактерий, происходит гораздо проще. Единственная молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме в свободном, «неупакованном» виде, самокопируется, затем обе копии расходятся к полюсам, а на экваторе образуется перегородка, которая впоследствии расслаивается, или же углубляющаяся внутрь перемычка, как при мейозе и митозе.
Деление прокариот
А теперь, пожалуйста, ответьте на такой вопрос: какой из двух типов клеточного деления – митоз или мейоз – имеет эволюционное значение? Иначе говоря, какой тип деления способствует развитию жизни на нашей планете?
В клетках существуют структуры, обладающие собственной ДНК, иначе говоря – имеющие персональную наследственную информацию. Это митохондрии и хлоропласты.
Митохондрии представляют собой своеобразные энергетические станции клетки. Обычно в клетке содержится около двух тысяч митохондрий, общий объем которых может доходить до четверти объема всей клетки. Митохондрии имеют сферическую или эллипсоидную форму. Внешняя мембрана митохондрии гладкая, а внутренняя – складчатая, образующая множество поперечных перегородок, называемых «кристами».
Строение митохондрии
В митохондриях подвергаются окислению органические вещества, поступающие в клетку извне. При этом образуются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), накапливающие энергию в своих химических связях. Молекула АТФ – это своего рода клеточный аккумулятор, при возникновении потребности в энергии ее можно расщепить.
Хлоропласт в разрезе
Митохондрии есть как в животных, так и в растительных клетках, а хлоропласты только в растительных. Хлоропласты осуществляют фотосинтез – процесс преобразования энергии видимого света в энергию химических связей органических веществ. Их зеленая окраска обусловлена высоким содержанием хлорофилла, основного пигмента фотосинтеза.
Благодаря наличию собственной ДНК митохондрии и хлоропласты способны самостоятельно синтезировать определенные белки. Однако информация о большей части белков митохондрий и хлоропластов содержится в клеточном ядре. Полной самостоятельностью эти органеллы не обладают.
Каким образом митохондрии с хлоропластами смогли получить индивидуальные молекулы ДНК, объясняет симбиотическая теория, согласно которой митохондрии и хлоропласты являются потомками бактерий, бывших симбионтами эукариотической клетки-праматери. Давайте вспомним, что симбиозом называется форма взаимоотношений между живыми организмами, при которой оба партнера-симбионта или только один из них извлекает пользу из другого[14]. Внедрились мелкие симбионты в крупную клетку-партнера и постепенно стали ее неотделимой частью…
Обратите внимание на то, что гены, содержащиеся в ДНК митохондрий и хлоропластов, в геном обычно не включают. Понятие генома охватывает только ядерную ДНК.
ОТВЕТ НА ВОПРОС. Разумеется, эволюционное значение имеет мейоз, ведь из образующихся в ходе него половых клеток образуются новые организмы с уникальными индивидуальными наборами признаков. Значение митоза «замыкается» на уровне одного отдельно взятого организма, обновляющего свои клетки в течение жизни. А мейоз можно назвать «глобальным процессом».
