Хромосомная теория наследственности. современные представления о гене и геноме

Полезные мутации — дар или наказание?

87% тибетцев имеют мутацию в гене EPAS1, позволяющую им комфортно дышать разреженным горным воздухом: высота Тибетского плато составляет 4 тыс. м над уровнем моря, и здесь на 40% меньше кислорода, чем на равнине.

Житель низины не смог бы так жить, у него развилась бы высотная болезнь: головные боли, быстрая утомляемость, детская смертность была бы гораздо выше, чем у жителей гор. У тибетцев нет ни одной из этих проблем. Однако часто такие особенности имеют изнанку.

В 1994 году стала известна история о людях со сверхпрочным скелетом: в Коннектикуте (США) из страшной автокатастрофы водитель вышел без единого перелома. Рентгеновские снимки показали аномально плотные кости. Мужчину отправили в Йельский костный центр где обнаружилось, что его кости плотнее скелета обычного человека такого же возраста в восемь раз.

Высокая плотность костей из-за мутации в гене LRP5, которая обычно ведет к остеопорозу

(Фото: New England Journal of Medicine)

Позже выяснилось, что никто из его родных никогда ничего себе не ломал и не жаловался на ушибы. Исследования ДНК выявили мутацию в гене LRP5, сделавшую этих людей невероятно устойчивыми к различным повреждениям и ударам. Однако мужчина пожаловался, что ему никогда не удавалось держаться на воде, он всегда считал себя слишком тяжелым для плавания.

«С одной стороны, такие плотные кости менее ломкие, и человеку комфортно жить, осознавая, что риск получить переломы и травмы минимален. С другой стороны, такая плотность костей означает, что человек с большей вероятностью может утонуть, он менее плавучий, в отличие от того, у кого кости более полые», — объясняет Оксана Максименко, руководитель Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины ИБГ РАН.

Носители мутации G6PD-Mahidol487A, затрагивающей ген фермента G6PD, практически невосприимчивы к малярии. Изменение в структуре серповидноклеточного белка гемоглобина делает эритроцит устойчивым к малярийному плазмодию, передаваемому через укусы комаров.

Естественный отбор позаботился о том, чтобы особенность прижилась в Азии и Африке, страдающих от малярии. Это очень опасный для жизни недуг: в 2019 году от него скончались 274 тыс. детей в возрасте до 5 лет (67% от всех «малярийных» смертей в мире).

Однако, например, от 18% до 25% населения юго-восточной Азии эта болезнь не страшна. Ученые из Института Пастера (Франция) и Университета Махидол (Таиланд) провели крупномасштабное эволюционное и эпидемиологическое исследование и доказали, что мутация позволяет своим обладателям не заболеть от укуса заразного комара, ответственного за половину всех случаев малярии в регионе.

«То же самое с ВИЧ-инфекцией: мутация поддерживается естественным отбором в регионах с высокой инфицированностью. Чтобы проникнуть внутрь клетки, вирус иммунодефицита должен присоединиться к рецептору, белку на поверхности, — говорит Константин Крутовский — У некоторых людей мутация в гене CCR5 изменила этот рецептор, и вирус не может к нему «прицепиться». Вероятность проникнуть внутрь клетки и вызвать заболевание у таких людей очень низкая. Фактически 3–6 людей из 1 000 устойчивы к ВИЧ. У северных народов цифра повыше — 0,6%, у южных поменьше — 0,3%. Однако мутация может давать побочные эффекты, поскольку измененный рецептор на поверхности клетки — это не очень хорошо».

Побочным эффектом мутаций могут стать заболевания крови, например, серповидноклеточная анемия, которая несет целый ряд необратимых последствий: от детских ишемических инсультов, повреждения селезенки у взрослых, легочной гипертензии, почечной недостаточности до летальных исходов.

Мутация в генах SCN9A, SCN11A и PRDM12 куда более редка: известно о полутора сотнях носителей на всей планете. Ее обладатели совсем не чувствуют боли, как Эшлин Блокер из американского городка Паттерсон. Повреждения в генах влияют на нервы, несущие болевые сигналы в мозг.

Эшлин окунала руки в кипяток, сдирала кожу с ладоней под струей отцовской мойки высокого давления, два дня ходила со сломанной лодыжкой, была укушена сотней огненных муравьев и получила много других травм. Никакой боли при этом она не ощущала, зато на теле каждый раз оставались отметины и шрамы.

Будучи младенцем Эшлин чуть не откусила язык, когда у нее резались зубы

(Фото: из личного архива Тары Блокер)

Люди с такой мутацией редко доживают до 20 лет. Они могут погибнуть даже от аппендицита, потому что у них ничего не болит и проблему они замечают слишком поздно, когда уже началось смертельное воспаление. Эшлин Блокер сейчас 22 года, не так давно она попала в серьезное ДТП, отделавшись испугом.

История развития

Истоки

Основы классической генетики были заложены в середине XIX века благодаря экспериментам чешского-австрийского биолога Грегора Менделя. Открытые им на примере растений принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам в 1865 году, к сожалению, не получили должного внимания у современников, и только в 1900 году Хуго де Фриз и другие европейские ученые независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследственности.

Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.

На подъеме

К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.

Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.

Новая эра

В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.

На заметку:

Наследственные заболевания — это заболевания, обусловленные генными или хромосомными мутациями.
При совпадении у партнеров статусов носительства определенных болезней есть высокий риск рождения ребенка с наследственным заболеванием

Поэтому при планировании беременности важно пройти генетическое тестирование.
Мутации, из-за которых возникают наследственные заболевания, могут иметь доминантный или рецессивный характер наследования. При доминантном наследовании только одна копия гена — от матери или отца — должна иметь мутацию для проявления признака или заболевания

А при рецессивном типе человек наследует две измененные копии одного и того же гена.
Большинство наследственных заболеваний неизлечимы. Течение некоторых из них можно контролировать с помощью лекарств и диеты.
Определить наличие и риск развития наследственного заболевания можно с помощью Генетического теста Атлас.

Что такое генетический код?

На каком «языке» в ДНК зашифровано строение белков? Белки живых существ сложены из 20–22 «кирпичиков» – аминокислот. Повторяясь и комбинируясь, они и образуют миллиарды вариантов. Значит, в ДНК должны быть некие «значки», которые будут соответствовать каждой из этих аминокислот. Такие «значки» есть. Это особые вещества – азотистые основания. В молекулу ДНК входит четыре их вида: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Комбинации этих «букв» и образуют генетический код – систему записи в ДНК информации о порядке аминокислот в молекуле белка.

У генетического кода несколько важных свойств:

– «трёхбуквенность»;

– непрерывность;

– неперекрываемость;

– однозначность;

– универсальность.

Почему код «трёхбуквенный»? Потому что если брать только две «буквы», то из них можно составить лишь 16 «слов» (АТ, ТА, ГА, АГ и т.д.). А аминокислот-то 20! Из троек же можно построить 64 сочетания.

Каждой аминокислоте соответствует своя тройка. Например, ААЦ – аминокислоте лейцину, ЦАТ – валину, АТА – тирозину. Вдоль нити ДНК выстроена запись из коротких «слов». Например: ААЦЦАТАТААТАААЦ. Эта «абракадабра» значит, что в каком-то белке аминокислоты должны стоять так: лейцин–валин–тирозин–тирозин–лейцин. Есть ещё и тройки «букв», которые показывают, с какого места начать и где закончить «чтение».

«Слова» записаны непрерывно, без пробелов. Это позволяет втиснуть больше информации, не увеличивая размер гена. Да и считывать сплошную строку не так трудно. Вам ведь понятна надпись: ДЫМШЁЛТРИДНЯ? (Кстати, ещё лет четыреста назад на Руси так и писали – не разделяя слов).

Универсальность кода означает, что он един для всех существ Земли. У ромашки, тигра, человека и вируса гриппа тройка ААЦ означает лейцин, ЦАТ – валин и т. д. Исключения единичны. Это даёт зелёный свет генетической инженерии: гены одних организмов вполне могут работать, попав в другие.
Кстати, о зелёном свете. У одной из медуз есть белок, который излучает его во мраке океанских глубин. Южнокорейские биологи пересадили ген этого белка… кошкам. На новом месте он прижился, передался котятам по наследству, а главное – заработал! Интересно, труднее ли стало светящимся кошкам ловить мышей?

Появление новых функций

В 2019 году генетик из Чикагского университета Маньюань Лонг, который изучает новые гены с начала 1990-х годов, возглавил исследование молодых генов de novo посевного риса.

Лонгу и его коллегам удалось идентифицировать около 175 генов, которые образовались de novo за последние 3,4 миллиона лет.

Исследование Лонга подтвердило, что гены de novo довольно многочисленны и функциональны.

Но оно не ответило на вопрос, как именно некодирующая последовательность ДНК становится функциональным геном.

Карвунис, Вакирлис, МакЛайсат и их коллеги проверили эту гипотезу экспериментальным путем и описали полученные результаты в статье, опубликованной в Nature Communications в феврале. Первым делом они идентифицировали последовательности ДНК дрожжей, которые подпадали под определение «протогенов» (то есть были молодыми и активно транскрибировались, но не участвовали в создании белков).

Затем они проверили, что произойдет с дрожжами, если удалить или сверхэкспрессировать (экспрессия генов — это процесс, в результате которого по ДНК-инструкции производится белок; сверхэкспрессия — это процесс, который приводит к обильной выработке целевого белка. — Прим. ред.) эти последовательности. Оказалось, что удаление последовательностей протогенов не приносит никакого вреда. Этот результат был ожидаемым, так как они не являются жизненно необходимыми.

По словам Вакирлиса, эти результаты свидетельствуют о том, что протогены обладают высоким адаптивным потенциалом.

Исследователи также обнаружили, что полезные последовательности протогенов имеют одно общее свойство: созданные по их «инструкциям» белки, как правило, имеют такую структуру, благодаря которой они могут эффективнее закрепляться в мембране клетки или органеллы. Сейчас исследователи изучают, какую пользу клетке может принести такое расположение белка.

Несмотря на то, что ученым удалось продемонстрировать адаптивный потенциал молодых генов de novo, вклад этих генов в адаптацию может «навсегда остаться загадкой», считает МакЛайсат.

Современные представления о гене и геноме

Ген — материальная единица хранения и передачи наследственной информации. По современным представлениям, это участок макромолекулы ДНК. Одни гены являются структурными — кодируют первичную структуру белковых молекул, строение РНК. Регуляторные гены вызывают активизацию считывания информации или подавляют этот процесс.

Для передачи информации служит генетический код. Так называют соответствие между тремя последовательными нуклеотидами (триплетами) и аминокислотами в белках. Гены идут последовательно в молекулах ДНК, из которых формируются хромосомы. Совокупность генов организма или генотип обуславливает проявление большинства внешних и внутренних признаков живого существа.

В клетках организма человека насчитывается по приблизительным подсчетам от 30 до 120 тыс. элементарных единиц наследственности. Огромное количество и разнообразие генов «упаковано» в нити и спирали ДНК. Хромосом в кариотипе значительно меньше — 22 пары аутосом и пара половых хромосом.

Гены и хромосомы

Когда между гомологичными хромосомами происходит конъюгация, возможен обмен аллельными генами (кроссинговер). Изучение этого явления позволяет точно установить расположение каждого гена в хромосоме. На основе экспериментов были созданы хромосомные карты многих видов живых существ. Такие исследования проведены для гороха, дрозофилы, томата, мыши.

Проект «Геном человека» стартовал в 1989 году. На первом этапе ученые определяли полную последовательность нуклеотидов в человеческой ДНК. Работу удалось выполнить в течение 10 лет. В ходе исследования ученые обнаружили много ранее неизвестных генов. Предстоит подробнее изучить их роль в организме.

В 2000 году официально объявили, что расшифрована последовательность нуклеотидов всех хромосом человека. Изучение строения и поведения хромосом, генов позволит добиться успеха в лечении пока неизлечимых заболеваний. Эти знания помогут определить влияние наследственности на здоровье и продолжительность жизни конкретного человека.

У большинства людей в течение жизни проявляются наследственные болезни или выявляется предрасположенность к каким-либо нарушениям здоровья. Известно более 5 тыс. наследственных патологий, это число с каждым годом увеличивается. Не последнюю роль играют мутагены — факторы, повышающие вероятность развития мутаций. Это радиоактивность, токсичные вещества, электромагнитные волны и др.

Изучение генов — это прямой путь к созданию новейших методов диагностики, эффективному лечению наследственных заболеваний. Расшифровка последовательности ДНК позволяет определить генетическую совместимость при трансплантации. Пересадку органов можно будет выполнять успешнее, результативнее. Уже проводятся исследования возможности «улучшения» человека с помощью методов генетики.

Полученные знания о структуре генома человека оказались важны для палеонтологии, археологии, антропологии. Более точными станут выводы ученых об эволюции жизни на Земле, происхождении человека, путях миграций в древности и возникновении народов.

Смотри также:

• Генетика, ее задачи
• Наследственность и изменчивость – свойства организмов
• Методы генетики 
• Основные генетические понятия и символика
• Закономерности наследственности, их цитологические основы

Определения и понятия в генетике

Генетика (от греч. «генезис» — происхождение) —  наука о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов.

Генетика, как одна из отраслей научного знания, оперирует множеством терминов. Рассмотрим основные:

Генетика, основные термины и понятия
Ген	— минимальная структурная и функциональная единица наследственности. Практически это участок ДНК, задающий последовательность аминокислот в одном белке либо кодирующий последовательность нуклеотидов в РНК. Современное представление о гене значительно расширилось, по сравнению с началом минувшего века.
Аллели	— варианты одного гена, его различные проявления или формы. Они возникли в результате мутаций. Расположены в одинаковых участках гомологичных хромосом. Аллели определяют альтернативные варианты проявления одного и того же признака. Например, голубые или карие глаза, русые или каштановые волосы. Количество аллелей конкретного гена у одного живого организма всегда равно двум.
Локус	— участок расположения конкретного гена в хромосоме.
Доминантный ген	— такая аллель, которая определяет проявление признака в гомо- и гетерозиготном состоянии. Признак, в этом случае, называют доминантным.
Рецессивный ген	— аллель, определяющая проявление признака только в гомозиготном состоянии. Признак является рецессивным.
Доминирование	— такое взаимоотношение между аллелями одного и того же гена, при котором доминантный ген подавляет рецессивный.
Гомозигота	— клетка (организм), имеющий две одинаковых аллели одного гена.
Гетерозигота	— клетка (организм), который обладает разными аллелями одного гена.
Гомологичные хромосомы	— расположены в одной паре, несущие аллельные, отвечающие за один признак гены в одинаковых локусах (местонахождениях).
Кариотип	— набор всех хромосом организма.
Генотип	— совокупность всех аллелей одного организма.
Генофонд	— сумма аллелей популяции.
Геном	— набор генов в клетке организма. Это характеристика вида, а не особи (как генотип).
Наследственность	— свойство живых организмов сохранять и передавать потомству основные черты строения, обмена веществ, индивидуального развития.
Изменчивость	— способность организмов приобретать новые признаки под влиянием различных воздействий.
Фенотип	— совокупность свойств организма, которые возникли в результате взаимодействия генотипа конкретной особи и окружающей ее среды обитания. Это внешние и внутренние признаки организма, развившиеся на базе генотипа под постоянным воздействием внешних условий.

Можно ли искусственно создать супермена

В 2018 году в Китае впервые в истории человечества родились близнецы с намеренно измененным геномом. Искусственно введенная мутация должна была сделать новорожденных девочек Луну и Нану невосприимчивыми к ВИЧ-инфекции.

В обход официальных разрешений на эксперименты с человеческими эмбрионами, редактированием гена CCR5 занимался биолог Хэ Цзянькуй. Однако результаты оказались совсем не такими, на какие рассчитывал ученый: его манипуляции не смогли точно воспроизвести защитную мутацию, а в «поправленном» гене возникли новые изменения, пока не изученные и отнюдь не полезные. Мировая медицинская общественность раскритиковала биолога за нарушение врачебной и общечеловеческой этики.

Хэ Цзянькуй рассказывает о близнецах и своем эксперименте. Видео 2018 года

В 2019 году Хэ Цзянкуя признали виновным в нарушении государственного запрета на проведение экспериментов с человеческими эмбрионами, осудили на три года тюрьмы и оштрафовали на 3 млн юаней ($430 тыс.).

На что еще способны современные мутанты

Однако не все полезные мутации настолько опасны для своих носителей. Часть из них дарит сверхспособности, ничем не угрожая взамен.

Исследование, проведенное Медицинской школой Университета Мэриленда в Балтиморе (США), показало, что 5% испытуемых имеют защитную мутацию гена APOC3, позволяющую есть жирную пищу без резкого скачка холестерина. Это почти как родиться со встроенным препаратом, поддерживающим здоровье сердца. У носителей мутации меньше кальцификации артерий, что указывает на более высокий уровень ЛПВП («хороший» холестерин) и более низкие триглицериды и ЛПНП («плохой» холестерин).

Одна из самых «свежих» мутаций, которая со временем может стать нормой, — полноценный сон 4 часа в сутки. «Малоспящие» чувствуют себя при этом отдохнувшими, не жалуются на недостаток сил и продуктивно работают. В Калифорнийском университете в Сан-Франциско (США) исследовали таких людей и нашли у них мутацию в гене под названием ADRB1. Те, кто уже живет по новым стандартам, очень довольны своим режимом сна и имеют возможность с пользой использовать дополнительное время.

У населения экваториальной зоны усиленно вырабатывается меланин — пигмент, защищающий от опасного солнечного света — ультрафиолет, избыток которого может вызвать рак кожи.

А еще некоторых мутации превратили в «резиновых» людей: их кожа может невероятно растягиваться, а суставы — гнуться в любую сторону, другим они подарили универсальную «золотую» кровь, которая при переливании подойдет пациенту с любой группой и резусом, даже детей мутации наделили мышцами физкультурника, причем без тренировок.

На фото Лиам Хекстра, которого гипертрофия мышц, связанная с миостатином, сделала очень мускулистыми

(Фото: dailymail.co.uk)

Мутации — двигатель эволюции живых организмов

Слово «мутация» в обычной жизни окрашено, как правило, не в самые радужные цвета. На ум приходят патологии, заболевания и другие неприятные изменения организма. Однако мутации — это не добро или зло, но стандартный механизм природы. В живом организме такие изменения происходят постоянно. Клетки делятся все время и иногда делают это с ошибкой. Большинство неточностей тут же находит такой механизм организма, как репарация, и моментально исправляет.

Геном — это совокупность всех хромосом. Каждая хромосома состоит из ДНК и белков. Гены образованы из группы последовательных нуклеотидов и расположены по всей молекуле ДНК.

Но иногда, по разным причинам, например, когда ошибок очень много, репарация оказывается бессильна, и «неправильные» клетки продолжают развиваться с поломкой. Значительная часть мутаций обычно «вымывается» из популяции, как невыгодная: это делает естественный отбор, к тому же около 20% людей по разным причинам не оставляют потомства. Однако некоторые мутации закрепляются, в одних случаях они приводят к врожденным болезням, в других — могут вывести человечество на новый этап развития.

«Если мутация дает какое-то явное преимущество, — увеличивает приспособленность, вероятность выжить, повышает плодовитость, делает организм более адаптированным, то обычно этот вариант вытесняет все остальные. Очень быстро, в течение нескольких поколений, он фиксируется в популяции, что поддерживается естественным отбором. Вместо изменчивости, или иначе — полиморфизма генов, мы наблюдаем один вариант», — объясняет Константин Крутовский, профессор Гёттингенского университета (Германия), ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, профессор кафедры геномики и биоинформатики Сибирского федерального университета.

Так случилось с нашими предками. Ученые Калифорнийского университета (Сан-Диего, США) обнаружили, что 2–3 млн лет назад у гоминид, древних предков современных людей, случилась мутация гена CMAH, благодаря которой у них появилось больше мышц, потовых желез, а также возросла выносливость. Эти новые особенности обеспечили первым людям доминирование над другими обитателями планеты: теперь они могли быстро бегать, причем на дальние расстояния, и охотиться днем в жару, когда другие хищники прятались в тени.

50 тыс. лет назад мигрировать из Африки на территорию современной Европы людям помогла мутация в гене ACTN3, кодирующем белок α-актинин-3. Благодаря ей предки европейцев смогли справиться с прохладным климатом, тело научилось обогревать само себя. Этот генотип редко встречается у этнических групп, живущих в жарких регионах: его имеет всего 1% кенийцев и нигерийцев.

Этическая сторона вопроса

В 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и его правах, рекомендовав мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека, а в декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.

Российское сообщество генетиков в большинстве своем считает, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.

«Вопрос клонирования уже давно стоит на горизонте. Этично ли выращивать клонов, чтобы потом забирать их органы для трансплантации человеку… Большой вопрос. Само собой, это абсолютно нормально, что нет единой точки зрения, ведь смысл подобных дискуссий как раз в том, чтобы найти правильные формулировки и отрегулировать потенциально спасительное, но при этом очень опасное знание», — говорит Алевтина Федина.

Страх неизвестности

Вариантов развития событий в области генной инженерии существует множество, и далеко не все они изучены и, в принципе, известны. Поэтому они должны быть последовательно зафиксированы и регламентированы.

Естественно, больше всего опасений вызывают плохие сценарии развития событий. Как правило, все начинается с помощи людям и изобретения новых лекарств. Но потом человек может прийти к желанию сделать своего ребенка светловолосым и зеленоглазым или создать армию универсальных солдат, не боящихся боли и не ведающих страха.

Олег Долгицкий, социальный философ, отмечает, что современное общество настолько неоднородно в культурном и экономическом плане, что любые методы, способные существенно изменить геном, могут создать условия не только для классового, но и видового расслоения, где представители «первого мира» смогут существенно продлевать свою жизнь и не бояться никаких болезней, в отличие от менее богатых людей. Это является серьезнейшей почвой для конфликтов и столкновений.

Эксперты убеждены, что генная инженерия — это будущее медицины. Возможность избавить младенца от пожизненного гнета заболевания, излечить людей от рака, найти лекарство против ВИЧ — за всем этим будет стоять генная инженерия. При этом желание человека изменить, например, цвет глаз или предотвратить наследственное заболевание, несмотря на все риски, будет только расти. И похоже, что остановить этот процесс уже не представляется возможным.

Структура ДНК

К 1900 году было известно также существование хромосом, и три года спустя американский генетик Томас Хант Морган объявил результаты своих экспериментов на основе плодовой мухи, указав, что хромосомы (спиральная структура, которая несет ДНК клетки) состоят из других, более мелких частиц, позже названных генами. Только в 1953 году американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон и его коллега, английский биохимик Фрэнсис Гарри Комптон Крик, смогли объяснить молекулярную структуру ДНК.

Благодаря этому новому пониманию ученые-естествоиспытатели смогли сформулировать более полную и удовлетворительную теорию генов. Говоря простым языком, хромосомы встречаются почти в каждой клетке нашего тела. Хромосомы состоят из ДНК, а ДНК хранит гены. Это гены, несущие жизненно важные коды и информацию, которые не только говорят клетке, что делать, но и передаются новому поколению путем полового размножения.

Заключительная часть теории генов объясняет, как передаются черты, и почему нет двух одинаковых людей. Во время полового размножения, когда сперма одного человека оплодотворяет яйцеклетку другого, каждая половая клетка содержит только половину полного набора из 46 хромосом.

В отличие от других клеток в организме человека, которые имеют полный набор из 46 хромосом, половые клетки включают только 23. Следовательно, когда яйцеклетка и сперма объединяются, первая новая клетка имеет 23 хромосомы от матери и 23 хромосомы от отца, чтобы сформировать полный набор из 46. Этот процесс, наряду с другими «перетасовками» генов, гарантирует уникальность каждого нового человека.

Теория генов является ключом к генетике XXI века. Понимание того, как работают гены и знания о том, что они могут меняться или мутировать, приведет к профилактике или лечению генетических заболеваний, а также к использованию генной инженерии (преднамеренное изменение генетического материала живого существа для корректировки его характеристик) для улучшения некоторых видов животных и растений.

Мне нравитсяНе нравится

Опыты по созданию генно-модифицированных людей и наука евгеника

Однако, в последние годы, по новым методам генной инженерии, проводились опыты с человеческими эмбрионами. Для исследований использовались гены и человеческие эмбрионы связанные с бета-заболеванием крови – талассемией. Эксперименты были в основном безуспешными. Но инструменты редактирования генов совершенствуются в лабораториях по всему миру и ожидается, что они позволят легче, дешевле и более точнее редактировать или удалять гены, чем когда-либо прежде. Современные пока теоретические способы редактирования генома позволят ученым вставлять, удалять и подправлять ДНК с получением положительных результатов. Это открывает перспективу лечения некоторых заболеваний, таких как серповидно-клеточные заболевания, муковисцидоз и определенные виды рака.

Селекция применительно к человеку – евгеника

Редактирование генов человеческих эмбрионов или наука евгеника приводит к созданию генетически модифицированных очень разных людей. Это вызывает серьезную безопасность в связи с социальными и этическими проблемами. Они варьируются от перспективы необратимого вреда для здоровья будущих детей и поколений до открывания дверей к новым формам социального неравенства, дискриминации и конфликтов и новой эре евгеники.

Ученым не разрешено вносить изменения в ДНК человека, который передается последующим поколениям. Такой новаторский шаг науки евгеники следует рассматривать лишь после дополнительных исследований, после чего изменения могут быть проведены в условиях жестких ограничений. Такие работы должны быть запрещены, чтобы предотвратить серьезные заболевания и инвалидности.

Изменчивость вызванную изменением генов называют ещё мутациями.

Это давнее табу на внесение изменений в гены человеческой спермы, яйцеклеток или эмбрионов, потому что такие изменения будут унаследованы будущими поколениями. Это табу отчасти из-за опасений, что ошибки могут непреднамеренно создать новые искусственные болезни, которые потом могут стать постоянной частью человеческого генофонда.

Другая проблема заключается в том, что этот вид генной инженерии может быть использован для генетической модификации для немедицинских причин. Например, ученые теоретически могут попытаться создать конструктор детей, в которых родители пытаются выбрать черты характера своих детей, чтобы сделать их умнее, выше, лучшими спортсменами или с другими якобы необходимыми атрибутами.

Ничего подобного в настоящее время не возможно. Но даже перспектива вызывает опасения ученых существенно изменить ход эволюции и создания людей, которые считаются генетически улучшенными, придумывать какие антиутопии будущего, описанные в фильмах и книгах.

Любая попытка создания младенцев от спермы, яйцеклеток или эмбрионов, которые имеют свои ДНК и пытаться редактировать можно только при очень тщательно контролируемых условиях и только для предотвращения разрушительного заболевания.

Это может быть сложно в дальнейшем провести грань между использованием генного редактирования, чтобы предотвратить или обработать заболевание и использовать его для повышения возможностей человека.

Открытие Грегора Менделя

Предположение о существовании генов было сделано австрийским монахом Грегором Иоганном Менделем (1822-1884), чьи эксперименты с размножением разных типов гороха навели его на мысль, которую он назвал «наследственными факторами». Первое, что обнаружил Мендель, заключалось в том, что при пересечении растений с различными чистыми чертами, например, все высокие растения со всеми низкими, выражалась лишь одна черта (потомство было высоким).

Грегор Мендель

Поэтому он считал эту выраженную черту «доминирующей», так как она не смешивались, и не приводила к появлению растения средней высоты, а были «выражены» индивидуальные черты одного «родителя». Он также обнаружил, что для количества доминирующих (высоких) и рецессивных (низких) признаков существует регулярное соотношение 3 к 1. Из этого Мендель сделал вывод о наличии в растениях того, что он назвал «факторами» или «частицами наследования», которые сейчас называют генами.

Другим вкладом Менделя было его правильное предположение, что оба родителя — мужчина и женщина вносят по одному «фактору» для каждого из потомков. К 1900 году было осознано, что Мендель дал биологии основу для новой науки о наследственности, и начался поиск единого «фактора» или ключа во всех живых существах, содержащих важную информацию и диктующих каждую деталь строения организма.

Как возникают гены-сироты

Большинство генов любого биологического вида также встречаются как минимум у одного другого вида. Последовательности у них могут немного отличаться, но они всё же достаточно схожи, чтобы можно было распознать их родство. В результате случайных мутаций цепочки ДНК со временем расходятся по своему строению, но гомологичные гены (произошедшие от одного участка. — Прим. ред.) по-прежнему можно классифицировать по семействам благодаря их сходству. Например, гены молекул гемоглобина у людей и прочих млекопитающих принадлежат к одному семейству.

Сусуму Оно предложил теорию, согласно которой гены с новыми функциями возникают путем дивергенции (от лат. divergium — расхождение, растекание. — Прим. ред.). Он показал, что дупликация генов с последующей мутацией, в результате которой происходит дивергенция двух гомологичных генов, приводит к образованию новых генов.