Гены и хромосомы

Гены состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК содержит код — программу, используемую в синтезе молекулы белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК). Гены отличаются по размеру, в зависимости от размеров белков или РНК, которые они кодируют.

Каждая молекула ДНК представляет собой длинную двойную спираль, которая похожа на винтовую лестницу с миллионами ступеней. Ступени лестницы состоят из пар четырех типов молекул, называемых основаниями (нуклеотидами). На каждой ступени основание аденин (A) располагается в паре с основанием тимин (T), или же основание гуанин (Г) располагается в паре с основанием цитозин (Ц). Каждая чрезвычайно длинная молекула ДНК свернута внутри одной из хромосом.

Структура ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это клеточный генетический материал, содержащийся в хромосомах в пределах ядра и митохондрий клетки. За исключением отдельных клеток (например, клеток спермы и яйцеклетки, а также эритроцитов), ядро клетки содержит 23 пары хромосом. В одной хромосоме содержится множество генов. Ген — это сегмент ДНК, который обеспечивает код для создания молекулы белка или РНК. Каждая молекула ДНК представляет собой длинную двойную спираль, похожую на винтовую лестницу. В этой структуре две нити, состоящие из молекул сахара (дезоксирибозы) и фосфатов, скреплены парами из четырех молекул, так называемых оснований, которые образуют ступени лестницы. В этих ступенях аденин находится в паре с тимином, а гуанин — в паре с цитозином. Каждая пара оснований удерживается вместе посредством водородной связи. Ген состоит из последовательности оснований. Последовательности трех оснований кодируют аминокислоту (аминокислоты являются строительными блоками белков) или другую информацию.

Белки состоят из длинной цепи аминокислот, последовательно соединенных друг с другом. Существует 20 различных аминокислот, которые могут использоваться в синтезе белков — некоторые должны поставляться с едой (существенные аминокислоты), а другие производятся ферментами в организме. Во время образования цепи из аминокислот такая цепь сама по себе складывается и образует сложную трехмерную структуру. Именно форма сложенной структуры определяет ее функцию в организме. Поскольку укладка определяется точной последовательностью аминокислот, каждая отдельная последовательность в результате приводит к образованию отдельного белка. Некоторые белки (например, гемоглобин) содержат несколько по-разному сложенных цепей. Инструкции для синтеза белков кодируются в пределах ДНК.

Информация кодируется в пределах ДНК последовательностью, в которой упорядочены основания (А, Т, Г и Ц). Код записан в триплетах. Это означает, что основания упорядочены в группы по три основания в каждой группе. Отдельные последовательности трех оснований в ДНК кодируют определенные инструкции, например, добавление одной аминокислоты к цепи. Например, Г-Ц-Т (гуанин, цитозин, тимин) кодирует добавление аминокислоты аланин, а Г-Т-Т (гуанин, тимин, тимин) — добавление аминокислоты валин. Таким образом, последовательность аминокислот в белке определяется порядком пар оснований триплета в гене для данного белка в молекуле ДНК. В процессе превращения кодированной генетической информации в белок задействованы транскрипция и трансляция.

Транскрипция — это процесс, в котором информация, закодированная в ДНК, переводится (преобразуется) в рибонуклеиновую кислоту (РНК). РНК представляет собой длинную цепь оснований, похожую на структуру ДНК, за исключением того, что основание тимин (Т) заменено на основание урацил (У). Таким образом, как и ДНК, РНК содержит кодированную триплетами информацию.

Когда начинается транскрипция, часть двойной спирали ДНК раскрывается и раскручивается. Одна из расплетенных нитей ДНК служит матрицей в образовании комплементарной нити РНК. Комплементарная нить РНК называется информационной РНК (и-РНК). и-РНК отделяется от ДНК, покидает ядро и перемещается в цитоплазму клетки (внеядерный компонент клетки). Там и-РНК присоединяется к рибосоме, которая является крошечным структурным элементом клетки, где осуществляется синтез белка.

Во время трансляции код и-РНК (полученный от ДНК) указывает рибосоме порядок и тип связываемых друг с другом аминокислот. Аминокислоты доставляются в рибосому посредством значительно меньшей РНК, называемой транспортной РНК (т-РНК). Каждая молекула т-РНК доставляет одну аминокислоту для внедрения в растущую цепь белка, которая складывается в сложную трехмерную структуру под воздействием находящихся вблизи молекул, называемых молекулами шаперонов.

В организме человека есть множество видов клеток, например, клетки сердца, печени и мышц. Эти клетки выглядят и функционируют по-разному, а также вырабатывают совершенно разные химические соединения. Тем не менее, каждая клетка является потомком единственной оплодотворенной яйцеклетки и содержит по сути ту же самую ДНК. Клетки приобретают совершенно разный вид и выполняют разные функции в связи с тем, что различные гены выражены в разных клетках (а также в разное время в одной и той же клетке). Информация о том, когда ген должен быть выражен, также закодирована в ДНК. Экспрессия гена зависит от типа ткани, возраста человека, наличия особых химических сигналов, а также множества других факторов и механизмов. Знания всех этих факторов и механизмов, которые контролируют экспрессию генов, быстро растут, но многие из этих факторов и механизмов до сих пор остаются недостаточно изученными.

Механизмы, при помощи которых гены контролируют друг друга, являются чрезвычайно сложными. В генах присутствуют химические маркеры, которые предписывают, где транскрипция должна начаться и где закончиться. Различные химические соединения (например, гистоны) внутри и вокруг ДНК блокируют или разрешают транскрипцию. Кроме того, нить РНК, называемая антисмысловой РНК, может спариваться с комплементарной нитью и-РНК и блокировать трансляцию.

Клетки воспроизводятся путем деления на две клетки. Поскольку каждой новой клетке требуется полный набор молекул ДНК, молекулы ДНК в исходной клетке должны воспроизвести (скопировать) сами себя во время деления клетки. Репликация происходит способом, аналогичным транскрипции, за исключением того, что вся двуниточная молекула ДНК раскручивается и разделяется на две. После разделения основания в каждой нити связываются с комплементарными основаниями (А с Т, а Г с Ц), которые свободно перемещаются неподалеку. Когда процесс завершен, получаются две идентичные двуниточные молекулы ДНК.

Для предотвращения ошибок в процессе репликации у клеток есть функция «проверочного считывания», помогающая убедиться в том, что пары образуются правильно. Существуют также химические механизмы ремонта ДНК, которая была скопирована с ошибкой. Тем не менее, поскольку в процессе синтеза белка участвуют миллиарды пар оснований, а также в связи со сложностью процесса синтеза белков, могут случаться ошибки. Подобные ошибки могут происходить по многим причинам (в том числе из-за воздействия облучения, лекарственных препаратов или вирусов) или же без каких-либо очевидных причин. Незначительные изменения в ДНК встречаются очень часто и случаются у большинства людей. В большинстве своем изменения не затрагивают последующие копии генов. Ошибки, которые воспроизводятся в последующих копиях, называются мутациями.

Врожденные мутации — это мутации, которые могут передаваться потомству. Мутации могут наследоваться только в том случае, если они поражают репродуктивные клетки (сперматозоиды или яйцеклетки). Мутации, не затрагивающие репродуктивные клетки, проявляются у потомков мутировавшей клетки (например, превращают их в раковые клетки), но не передаются потомству.

Мутации могут быть уникальными для каждого человека или семьи, при этом большинство вредных мутаций встречаются редко. Мутации, которые стали настолько распространенными, что они затрагивают более 1 % населения, называются полиморфизмом (например, группы крови человека в системе АВO — А (II), В (III), АВ (IV) и O (I)). Большинство видов полиморфизма не влияют или мало влияют на фенотип (фактическое строение и функцию организма человека).

Мутации могут поражать малые или большие сегменты ДНК. В зависимости от размера и местоположения, мутация может не оказывать очевидного влияния, или же может менять аминокислотную последовательность в белке либо уменьшать количество вырабатываемого белка. Если в белке присутствует другая аминокислотная последовательность, его функционирование может измениться или полностью отсутствовать. Отсутствующий или нефункционирующий белок часто наносит вред или является смертельным. Например, при фенилкетонурии мутация приводит к нехватке или отсутствию фермента фенилаланингидроксилазы. Такая нехватка приводит к накоплению в организме аминокислоты — фенилаланина (всасывается из продуктов питания), что, в конечном итоге, приводит к тяжелой умственной отсталости.

В редких случаях мутация приводит к изменению, которое является благоприятным. Например, в случае гена серповидноклеточной анемии, когда человек наследует две копии аномального гена, у него развивается серповидноклеточная анемия. Однако если человек наследует только одну копию гена серповидноклеточной анемии (что называется носительством), у него появляется определенная защита от малярии (инфекция крови). Хотя защита от анемии и помогает носителю выжить, серповидноклеточная анемия (у человека с двумя копиями гена) вызывает симптомы и осложнения, которые могут уменьшить продолжительность жизни.

Естественный отбор — это понятие, основанное на том, что мутации, уменьшающие шансы на выживание в данной среде, с меньшей вероятностью передаются потомству (и, таким образом, становятся менее распространенными в популяции), в то время как мутации, повышающие шансы на выживание, становятся более распространенными. Таким образом, благоприятные мутации, хотя и являются поначалу редкими, со временем становятся распространенными. Медленные изменения, происходящие со временем и вызванные мутациями, а также естественный отбор в скрещиваемой популяции в совокупности называются эволюцией.

За исключением определенных клеток (например, сперматозоидов и яйцеклетки, или эритроцитов), ядро каждой нормальной клетки человека содержит 23 пары хромосом, а в общей сложности — 46 хромосом. Обычно каждая пара состоит из одной материнской и одной отцовской хромосомы.

Существуют 22 пары неполовых (аутосомных) хромосом и одна пара половых хромосом. Парные неполовые хромосомы практически являются идентичными по размеру, форме, а также по расположению и количеству генов. Поскольку в каждой из спаренных неполовых хромосом содержится по одному соответствующему гену, копировать гены в этих хромосомах нет смысла.

23-я пара состоит из половых хромосом (X и Y).

Эта пара половых хромосом определяет, будет ли плод мужского или женского пола. Мужчины имеют одну Х- и одну Y-хромосому. У мужчин Х-хромосома приходит от матери, а Y-хромосома — от отца. У женщин две Х-хромосомы — одна от матери, а другая от отца. Кое в чем половые хромосомы функционируют иначе, чем неполовые хромосомы.

Y-хромосома меньшего размера содержит гены, определяющие мужской пол, а также несколько других генов. Х-хромосома содержит намного больше генов, чем Y-хромосома, при этом у многих из этих генов функции не ограничиваются определением пола и не имеют аналогов в Y-хромосоме. У мужчин, в связи с отсутствием второй Х-хромосомы, эти дополнительные гены в Х-хромосоме не являются парными, и практически все из них выражены. Гены в Х-хромосоме называются сцепленными с полом, или же Х-сцепленными генами.

Обычно в неполовых хромосомах гены в обеих парных хромосомах способны быть полностью выраженными. Тем не менее, у женщин большинство генов в одной из двух Х-хромосом отключены посредством процесса, называемого Х-инактивацией (за исключением яйцеклеток в яичниках). Х-инактивация происходит на ранней стадии жизни плода. В некоторых клетках отцовская Х-хромосома становится неактивной, а в других клетках дезактивируется материнская Х-хромосома. Таким образом, в одной клетке может экспрессироваться материнский ген, а в другой клетке — отцовский. Отсутствие одной Х-хромосомы вследствие Х-инактивации обычно приводит к относительно небольшим нарушениям (таким как синдром Тернера). Таким образом, отсутствие Х-хромосомы наносит значительно меньший вред в сравнении с недостающей неполовой хромосомой (см. Обзор аномалий половых хромосом).

Неактивная Х-хромосома

Изображение

Любезно предоставлено д-ром Л. Каррелом (L. Carrell) и д-ром Г. Уильярдом (H. Williard), медицинский факультет Университета Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University School of Medicine).

Если у женщины есть нарушение, при котором у нее присутствуют более двух Х-хромосом, лишние хромосомы, как правило, активности не проявляют. Таким образом, наличие одной или более лишних Х-хромосом приводит к намного меньшим порокам развития по сравнению с избытком одной или более неполовых хромосом. Например, у женщин с тремя Х-хромосомами (синдром трисомии Х) часто отсутствуют физические и умственные отклонения. У мужчин с несколькими Y-хромосомами (см. Синдром XYY) могут быть физические и психические аномалии.

Существует несколько типов хромосомных аномалий. У человека может быть аномальное количество хромосом или могут присутствовать участки с нарушениями в одной или более хромосомах. Многие подобные аномалии можно диагностировать до родов (см. Анализ на хромосомные и генные нарушения).

Аномальное количество неполовых хромосом обычно приводит к тяжелым порокам. Например, наличие лишней неполовой хромосомы может быть смертельным для плода или же приводить к порокам развития, например, синдрому Дауна, который обычно является результатом наличия у человека трех копий хромосомы 21. Отсутствие неполовой хромосомы является для плода смертельным.

Большие участки на хромосоме могут иметь нарушения, обычно вследствие того, что отсутствует целая секция (так называемая делеция), или же секция ошибочно помещается в другую хромосому (так называемая транслокация). Например, причиной развития хронического миелоидного лейкоза иногда является транслокация части хромосомы 9 на хромосому 22. Такое нарушение может быть наследственным или же результатом новой мутации.

Митохондрии — это крошечные структуры внутри клетки, которые синтезируют молекулы, используемые для получения энергии. Каждая клетка содержит от 1000 до 2500 митохондрий. В отличие от других внутриклеточных образований, у каждой митохондрии есть своя собственная кольцевая хромосома. Эта хромосома содержит ДНК (митохондриальную ДНК), содержащую 37 генов, кодирующих 13 белков, различные РНК и несколько ферментов. Митохондриальная ДНК обычно является только материнской, поскольку, как правило, при оплодотворении яйцеклетки только митохондрии яйцеклетки становятся частью развивающегося эмбриона. Митохондрии из спермы обычно не становятся частью развивающегося эмбриона.