Генетика

ДНК

Живые существа состоят из миллионов крошечных автономных компонентов, называемых клетками. Внутри каждой клетки находятся длинные и сложные молекулы, называемые дезоксирибонуклеиновой кислотой. ДНК хранит информацию, которая говорит клеткам, как создать живое существо. Части этой информации, которые сообщают, как сделать одну маленькую часть или характеристику живого существа - рыжие волосы, или голубые глаза, или склонность к высокому росту - известны как гены.

Каждая клетка одного и того же живого существа имеет одну и ту же ДНК, но только часть ее используется в каждой клетке. Например, некоторые гены, определяющие, как делать части печени, выключены в мозге. То, какие гены используются, также может меняться со временем. Например, многие гены используются ребенком на ранних стадиях беременности и не используются в дальнейшем.

У человека есть две копии каждого гена - одна от матери, другая от отца. В одном гене может быть несколько типов, которые дают разные инструкции: в одном случае у человека могут быть голубые глаза, в другом - карие. Эти различные варианты называются аллелями гена.

Поскольку живое существо имеет две копии каждого гена, оно может одновременно иметь два разных аллеля. Часто один аллель является доминантным, то есть живое существо выглядит и ведет себя так, как если бы у него был только этот один аллель. Невыраженная аллель называется рецессивной. В других случаях в итоге получается нечто среднее между этими двумя вариантами. В этом случае две аллели называются совместно-доминантными.

Большинство характеристик, которые вы можете увидеть у живых существ, имеют несколько генов, которые влияют на них. И многие гены оказывают множественное воздействие на организм, поскольку их функция не будет иметь одинаковый эффект в каждой ткани. Множественное влияние одного гена называется плейотропизмом. Весь набор генов называется генотипом, а общее влияние генов на организм - фенотипом. Это ключевые термины в генетике.

Модель молекулы ДНК.

История генетики

Предменделевские идеи

Мы знаем, что человек начал разводить домашних животных с ранних времен, вероятно, еще до изобретения сельского хозяйства. Мы не знаем, когда наследственность была впервые оценена как научная проблема. Греки, и прежде всего Аристотель, изучали живые существа и выдвинули идеи о размножении и наследственности.

Вероятно, самой важной идеей до Менделя была идея Чарльза Дарвина, чья идея пангенезиса состояла из двух частей. Первая, о том, что стойкие наследственные единицы передаются из поколения в поколение, была совершенно правильной. Вторая - его идея о том, что они пополняются "геммулами" из соматических (телесных) тканей. Это было совершенно неверно и сегодня не играет никакой роли в науке. Дарвин был прав в одном: все, что происходит в эволюции, должно происходить посредством наследственности, поэтому точная наука о генетике является основополагающей для теории эволюции. На организацию этого "спаривания" между генетикой и эволюцией ушло много лет. В результате появился современный эволюционный синтез.

Менделевская генетика

Основные правила генетики были впервые открыты монахом Грегором Менделем примерно в 1865 году. На протяжении тысячелетий люди уже изучали, как признаки передаются по наследству от родителей к детям. Однако работа Менделя отличалась тем, что он очень тщательно разрабатывал свои эксперименты.

В своих экспериментах Мендель изучал, как передаются признаки у растений гороха. Он начинал свои скрещивания с растений, которые размножались правильно, и подсчитывал признаки, которые в природе являются либо/либо (высокий или низкий). Он разводил большое количество растений и выражал результаты численно. Он использовал тестовые скрещивания для выявления наличия и доли рецессивных признаков.

Мендель объяснил результаты своего эксперимента с помощью двух научных законов:

• 1. Факторы, позже названные генами, обычно встречаются парами в обычных клетках тела, но разделяются при образовании половых клеток. Эти факторы определяют признаки организма и наследуются от родителей. Когда в результате мейоза образуются гаметы, эти два фактора разделяются. Гамета получает только один или другой фактор. Это Мендель назвал законом сегрегации.
• 2. Аллели разных генов разделяются независимо друг от друга при образовании гамет. Это он назвал законом независимого ассортимента. Таким образом, Мендель считал, что различные признаки наследуются независимо друг от друга. Теперь мы знаем, что это верно только в том случае, если гены находятся не на одной хромосоме, и в этом случае они не сцеплены друг с другом.

Законы Менделя помогли объяснить результаты, которые он наблюдал у своих гороховых растений. Позже генетики обнаружили, что его законы справедливы и для других живых существ, даже для людей. Выводы Менделя, сделанные им в ходе работы над садовым горохом, помогли основать генетику. Его вклад не ограничивался открытыми им основными правилами. Тщательность Менделя в контроле условий эксперимента и его внимание к численным результатам установили стандарт для будущих экспериментов. На протяжении многих лет ученые изменяли и совершенствовали идеи Менделя. Однако наука генетика была бы невозможна сегодня без ранних работ Грегора Менделя.

Между Менделем и современной генетикой

В годы между работой Менделя и 1900 годом были разработаны основы цитологии - изучения клеток. Открытые факты о ядре и делении клеток были необходимы для правильного понимания работы Менделя.

1832: Бартелеми Дюмортье, первым наблюдавший деление клеток в многоклеточном организме.

1841, 1852: Роберт Ремак (1815-1865), еврейский польско-немецкий физиолог, был первым, кто сформулировал основу клеточной биологии: клетки происходят только от других клеток. Позднее это положение было популяризировано немецким врачом Рудольфом Вирховым (1821-1902), который использовал знаменитую фразу omnis cellula e cellula, что означает "все клетки от других клеток".

1865: Была опубликована работа Грегора Менделя "Опыты по гибридизации растений".

1876: Мейоз был обнаружен и впервые описан в яйцах морского ежа немецким биологом Оскаром Гертвигом (1849-1922).

1878-1888: Вальтер Флемминг и Эдуард Страсбургер описывают поведение хромосом во время митоза.

1883: Мейоз был описан на уровне хромосом бельгийским зоологом Эдуардом ван Бенеденом (1846-1910) в яйцах аскарид (круглых червей).

1883: Немецкий зоолог Вильгельм Ру (1850-1924) осознал значение линейной структуры хромосом. Их разделение на две равные продольные половины обеспечивало каждой дочерней клетке одинаковый хромосомный комплемент. Таким образом, хромосомы стали носителями наследственности.

1889: Голландский ботаник Хьюго де Врис предполагает, что "наследование специфических признаков у организмов происходит по частицам", называя такие частицы (пан)генами.

1890: Значение мейоза для размножения и наследования было описано только в 1890 году немецким биологом Августом Вейсманом (1834-1914), который отметил, что для превращения одной диплоидной клетки в четыре гаплоидные необходимо два деления клетки, если нужно сохранить число хромосом.

1902-1904: Теодор Бовери (1862-1915), немецкий биолог, в серии работ обратил внимание на соответствие между поведением хромосом и результатами, полученными Менделем. Он говорил, что хромосомы - это "независимые сущности, которые сохраняют свою независимость даже в покоящемся ядре... Что выходит из ядра, то и входит в него".

1903: Уолтер Саттон предположил, что хромосомы, сегрегация которых происходит менделевским образом, являются наследственными единицами. Эдмунд Б. Уилсон (1856-1939), учитель Саттона и автор одного из самых известных учебников по биологии, назвал это гипотезой Саттона-Бовери.

В этот момент открытия в области цитологии объединились с заново открытыми идеями Менделя и образовали синтез, названный цитогенетикой (цито = клетка; генетика = наследственность), который продолжается и по сей день.

Повторное открытие работ Менделя

В 1890-х годах несколько биологов начали проводить эксперименты по селекции. и вскоре результаты Менделя были продублированы даже до того, как его работы были прочитаны. Карл Корренс и Хьюго де Врис были главными первооткрывателями трудов и законов Менделя. Оба они признавали приоритет Менделя, хотя вполне вероятно, что де Врис понял свои собственные результаты только после того, как прочитал Менделя. Хотя первоначально Эриху фон Чермаку также приписывалось новое открытие, это больше не принято, поскольку он не понял законов Менделя. Хотя де Врис позже потерял интерес к менделизму, другие биологи превратили генетику в науку.

Результаты Менделя были воспроизведены, и вскоре было установлено генетическое родство. Уильям Бейтсон, возможно, сделал больше всего в первые годы для популяризации теории Менделя. Слово "генетика" и другая терминология возникли благодаря Бейтсону.

Экспериментальные результаты Менделя впоследствии стали предметом некоторых споров. Фишер проанализировал результаты соотношения F2 (второе потомство) и обнаружил, что они неправдоподобно близки к точному соотношению 3 к 1. Иногда предполагается, что Мендель мог подвергнуть цензуре свои результаты, и что семь признаков, которые он изучал, проявляются на отдельной паре хромосом, что крайне маловероятно, если они были выбраны случайным образом. На самом деле, гены, которые изучал Мендель, встречаются только в четырех группах сцепления, и только одна пара генов (из 21 возможной) достаточно близка, чтобы показать отклонение от независимого набора; это не та пара, которую изучал Мендель.

Грегор Мендель, отец современной генетики.

Инструменты генетики

Мутации

В процессе репликации ДНК иногда возникают ошибки. Эти ошибки, называемые мутациями, могут повлиять на фенотип организма. В свою очередь, это обычно влияет на приспособленность организма, его способность жить и успешно размножаться.

Частота ошибок обычно очень низкая - 1 ошибка на каждые 10-100 миллионов оснований - благодаря способности ДНК-полимераз к "вычитке". У многих вирусов частота ошибок в тысячи раз выше. Поскольку они полагаются на ДНК- и РНК-полимеразы, которые не обладают способностью к коррекции, они получают более высокую частоту мутаций.

Процессы, которые увеличивают скорость изменений в ДНК, называются мутагенными. Мутагенные химические вещества увеличивают количество ошибок при репликации ДНК, часто путем вмешательства в структуру сопряжения оснований, а УФ-излучение вызывает мутации, вызывая повреждения структуры ДНК. Химические повреждения ДНК происходят и естественным путем, и клетки используют механизмы восстановления ДНК для устранения несоответствий и разрывов в ДНК - тем не менее, иногда восстановление не возвращает ДНК к ее первоначальной последовательности.

У организмов, которые используют хромосомные кроссинговеры для обмена ДНК и рекомбинации генов, ошибки в выравнивании во время мейоза также могут вызывать мутации. Ошибки при кроссинговере особенно вероятны, когда сходные последовательности заставляют хромосомы партнеров принять ошибочное выравнивание; это делает некоторые регионы в геномах более склонными к мутации таким образом. Эти ошибки создают большие структурные изменения в последовательности ДНК - дупликации, инверсии или делеции целых регионов, или случайный обмен целыми частями между различными хромосомами (так называемая транслокация).

Квадраты Пуннетта

Квадраты Пуннетта, разработанные Реджинальдом Пуннеттом, используются биологами для определения вероятности того, что потомство будет иметь определенный генотип.

		Материнский
		B	b
Отцовский	B	BB	Bb
	b	Bb	bb

Если B представляет аллель черных волос, а b - аллель белых волос, то потомство двух родителей Bb с вероятностью 25% будет иметь два аллеля белых волос (bb), 50% - по одному (Bb) и 25% - только аллель черных волос (BB).

Родословная таблица

Генетики (биологи, изучающие генетику) используют родословные таблицы для записи признаков людей в семье. С помощью этих таблиц генетики могут изучать, как тот или иной признак наследуется от человека к человеку.

Генетики также могут использовать родословные диаграммы для прогнозирования того, как черты характера будут передаваться будущим детям в семье. Например, генетические консультанты - это специалисты, работающие с семьями, которые могут быть подвержены генетическим заболеваниям. В рамках своей работы они составляют родословные для семьи, которые могут быть использованы для изучения того, как болезнь может передаваться по наследству.

Исследования близнецов

Поскольку людей нельзя вывести экспериментально, генетику человека приходится изучать другими способами. Одним из последних способов является изучение генома человека. Другой способ, более древний на много лет, заключается в изучении близнецов. Однояйцевые близнецы - это естественные клоны. Они несут одинаковые гены, и их можно использовать для изучения того, насколько сильно наследственность влияет на отдельных людей. Исследования с участием близнецов были весьма интересными. Если мы составим список характерных признаков, то обнаружим, что они различаются по тому, насколько они обязаны наследственности. Например:

• Цвет глаз: полностью наследственный
• Вес, рост: частично наследственность, частично окружающая среда
• На каком языке говорит человек: полностью зависит от окружающей среды.

Исследования проводятся следующим образом. Возьмите группу однояйцевых близнецов и группу разнояйцевых близнецов. Измерьте их по различным признакам. Проведите статистический анализ (например, дисперсионный анализ). Это покажет вам, в какой степени наследуется данный признак. Те черты, которые наследуются частично, будут значительно более схожи у однояйцевых близнецов. Подобные исследования можно продолжить, сравнивая однояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе, с однояйцевыми близнецами, воспитывавшимися в разных условиях. Это позволит понять, насколько сильно обстоятельства могут изменить результаты генетически идентичных людей.

Человеком, который впервые провел исследования близнецов, был Фрэнсис Гальтон, сводный брат Дарвина, который был основателем статистики. Его метод заключался в том, чтобы проследить близнецов на протяжении всей их жизни, проводя множество измерений. К сожалению, хотя он знал о моно- и дизиготных близнецах, он не оценил реальную генетическую разницу. Современные исследования близнецов появились только в 1920-х годах.

Дублирование генов обеспечивает диверсификацию за счет избыточности: один ген может мутировать и потерять свою первоначальную функцию без вреда для организма.


Пример родословной таблицы.

Генетика прокариот и вирусов

Генетика бактерий, архей и вирусов является одной из основных областей исследований. Бактерии в основном делятся бесполым путем, но у них есть и разновидность секса - горизонтальный перенос генов. Бактериальная конъюгация, трансдукция и трансформация являются их методами. Кроме того, в настоящее время известна полная последовательность ДНК многих бактерий, архей и вирусов.

Хотя многим бактериям были даны родовые и видовые названия, например, Staphylococcus aureus, вся идея вида довольно бессмысленна для организма, у которого нет полов и скрещивания хромосом. Вместо этого у таких организмов есть штаммы, и именно так их идентифицируют в лаборатории.

Гены и развитие

Экспрессия генов

Экспрессия генов - это процесс, в ходе которого наследственная информация в гене, последовательность пар оснований ДНК, превращается в функциональный продукт гена, такой как белок или РНК. Основная идея заключается в том, что ДНК транскрибируется в РНК, которая затем преобразуется в белки. Белки образуют многие структуры и все ферменты в клетке или организме.

Несколько этапов процесса экспрессии генов можно модулировать (настраивать). Это включает как транскрипцию и DeepL трансляцию, так и конечное свернутое состояние белка. Регуляция генов включает и выключает гены и таким образом контролирует дифференциацию клеток и морфогенез. Регуляция генов может также служить основой для эволюционных изменений: контроль времени, места и количества экспрессии генов может оказывать глубокое влияние на развитие организма. Экспрессия гена может сильно варьировать в разных тканях. Это называется плейотропизмом, широко распространенным явлением в генетике.

Альтернативный сплайсинг - это современное открытие огромной важности. Это процесс, при котором из одного гена может быть собрано большое количество вариантов белков. Один конкретный ген дрозофилы (DSCAM) может быть альтернативно сплайсирован в 38 000 различных мРНК.

Эпигенетика и контроль развития

Эпигенетика - это изучение изменений в активности генов, которые не вызваны изменениями в последовательности ДНК. Это изучение экспрессии генов, того, как гены вызывают свои фенотипические эффекты.

Эти изменения в активности генов могут сохраняться в течение всей жизни клетки, а также в течение многих поколений клеток, в результате клеточных делений. Однако при этом не происходит изменения основной последовательности ДНК организма. Вместо этого ненаследственные факторы заставляют гены организма вести себя (экспрессироваться) по-другому.

Hox-гены - это комплекс генов, белки которых связываются с регуляторными регионами генов-мишеней. Затем гены-мишени активируют или репрессируют клеточные процессы, определяя окончательное развитие организма.

Экстрануклеарное наследование

Существуют некоторые виды наследственности, которые происходят вне клеточного ядра. Обычное наследование происходит от обоих родителей через хромосомы в ядре оплодотворенной яйцеклетки. Существуют и другие виды наследования.

Наследственность органелл

Митохондрии и хлоропласты несут некоторую собственную ДНК. Их состав определяется генами в хромосомах и генами в органелле. Карл Корренс открыл пример в 1908 году. Четырехчасовое растение, Mirabilis jalapa, имеет листья, которые могут быть белыми, зелеными или пестрыми. Корренс обнаружил, что пыльца не оказывает никакого влияния на это наследование. Цвет определяется генами в хлоропластах.

Инфекционная наследственность

Это вызвано симбиотическими или паразитическими отношениями с микроорганизмом.

Материнский эффект

В этом случае транскрибируются ядерные гены в женской гамете. Продукты накапливаются в цитоплазме яйцеклетки и оказывают влияние на раннее развитие оплодотворенной яйцеклетки. Свертывание улитки Limnaea peregra определяется следующим образом. Правосторонние раковины имеют генотипы Dd или dd, а левосторонние - dd.

Наиболее важным примером материнского эффекта является Drosophila melanogaster. Белковый продукт генов материнского эффекта активирует другие гены, которые, в свою очередь, активируют еще больше генов. Эта работа получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1995 год.

Аспекты современной генетики

Во многих современных исследованиях используется смесь генетики, клеточной биологии и молекулярной биологии. Темы, по которым были присуждены Нобелевские премии по химии или физиологии, включают:

• Альтернативный сплайсинг, когда один ген кодирует множество родственных белковых продуктов.
• Геномика, последовательность и анализ функций и структуры геномов.
• Генная инженерия, изменение генома организма с помощью биотехнологий.
• Мобильные генетические элементы, типы ДНК, которые могут менять положение в геноме.
• Горизонтальный перенос генов, когда организм получает генетический материал от другого организма, не будучи потомком этого организма.

Генетика человеческого поведения

Многие известные нарушения поведения человека имеют генетический компонент. Это означает, что их наследование частично вызывает такое поведение или повышает вероятность его возникновения. Примеры включают:

• Аутизм
• СДВГ (синдром дефицита внимания)
• Употребление наркотиков и злоупотребление ими
• Принятие риска
• Шизофрения

Кроме того, на нормальное поведение в значительной степени влияет наследственность:

• Обучение и когнитивные способности
• Личность

·          

·          

Похожие страницы

• ENCODE: полный анализ генома человека
• Генная терапия