Genetics Demystifield Е. Willett 6 страница


ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода * wr



Проба (одна нить радиоактивной Только колония, в которой

ДНК или РНК, комллсмс«ггжрная ДНК соединилась с пробой,

разыскиваемой ДНК) добавляется будет темной на пленке

в распюр и соединяется с ДНК


Рис. 12.3. Один из методов поиска (скрининга) клонов с определенной последовательностью ДНК


Колонии бактерий или бляшки фага с агара на чашках Петри переносят на твердый диск, обычно из целлюлозы, очень простой ме­тодикой. Диск кладут на агар, потом поднимают. Колонии и бляшки остаются на месте, но достаточное для анализа количество материала переносится с них на нитроцеллюлозу диска.

Затем ДНК на диске расплетается за счет помещения его в хими­ческий раствор, содержащий однонитевую ДНК или РНК, компле­ментарные одной из нитей клона и меченные радиоактивными атома­ми. Меченая нить называется пробой.

В местах соединения пробы с одной из рекомбинантных нитей она оставляет меченые атомы, которые могут регистрироваться на фотографической пленке. Эти места полностью соответствуют ме стам расположения клонов на агаре в чашке Петри.

Если последовательность ДНК разыскиваемого гена неизвест­на, можно использовать другой метод скрининга. Он основан на создании клонов с использованием векторов, позволяющих вы­ражаться генам, которые на них распложены, в новых хозяйских клетках. Клетки начинают продуцировать белок, кодируемый ге- 1*


Диск обрабатывается так, что ДНК расплетается на месте расположения



ГЕНЕТИКА без тайн


ном, а исследователям остается искать в библиотеке белок нужно­го гена.

Как только место расположения клона найдено, клон можно снять с агара микробиологической петлей и размножить. Рекомби­нантная ДНК легко выделяется из клона и очищается, а клетки кло­на, продуцирующие ее, длительное время размножаются и хранятся в лаборатории. Все это обеспечивает генным инженерам неограни­ченное поступление материала нужного гена для его встройки в дру­гие организмы.

ПЦР: АМПЛИФИКАЦИЯ БЕЗ КЛОНИРОВАНИЯ

С 1985 года генетики получили замечательный метод продуциро­вать новые копии ДНК безо всякого клонирования; полимеразную цепную реакцию, или ПЦР. Это мощный процесс, который делает миллионы и миллиарды копий любой выбранной последовательности ДНК всего за несколько часов.

В методике ПЦР используются праймеры — короткие последо­вательности синтезированной ДНК длиной, в основном, от 10 до 20 пар оснований. Праймеры соответствуют нуклеотидным последова­тельностям, расположенным на концах копируемой последователь­ности ДНК.



Матрица — последовательность оснований ДНК, которая долж на быть скопирована, не требует высокой степени очистки, также не требуется большого количества копий матрицы.

ПЦР осуществляется в три этапа, как только матрица выбрана, а праймеры синтезированы (рис. 12.4):

1. Денатурация. ДНК, содержащая фрагмент, предназначенный для копирования, нагревается, что вызывает расплетение нитей ДНК. Затем к смеси добавляются праймеры вместе с ДНК полимеразой, устойчивой к нагреванию.

2. Отжиг. При охлаждении смеси праймеры соединяются с одно нитевыми цепями ДНК.

3. Удлинение. Полимераза, начиная с праймеров, достраивает каждую нить фрагмента ДНК, создавая двунитевые молекулы ДНК этого фрагмента.

Эти три этана повторяются снова и снова. Во время отжига лю бые избыточные (или вновь добавленные праймеры) связываются с новыми матрицами и удлиняются, продуцируя все больше двуните вых молекул ДНК.



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода


Выбранная последовательность (мишень)


Денатурация до разделения нитей начинает второй цикл


Рис. 12.4. Полимеразная цепная реакция (ПЦР)


Каждый цикл занимает несколько минут, но за несколько часов, через 20 циклов, одна молекула ДНК может быть копирована около миллиона раз. А через 30 циклов копируется около миллиарда мо­лекул ДНК, чего с избытком хватает для исследования.



ГЕНЕТИКА без тайн



Что касается ДНК, копированной методом клонирования, то она используется для идентификации определенных генов и секвениро вания последовательностей ДНК, интересующих ученых.

Модификация белков

Первым ощутимым результатом прорыва в области генетической инженерии оказалась возможность производить белки, важные с ме дицинской и экономической точке зрения, используя генетически мо­дифицированную бактерию Е. coli.

Процесс казался простым: клонировать ген, направляющий про дукцию определенного белка (скажем, инсулина или человеческого гормона роста), вставить этот ген в плазмидный вектор, затем вве сгн плазмиду в клетки Е. coli. Бактерия должна начать продуциро вать инсулин. Поскольку бактерии легко выращиваются в больших объемах питательной среды, из них можно выделять очень много нужного белка.

Но процесс оказался более капризным, чем ожидалось. Такие прокариоты, как E.coli, не имеют нитронов в отличие от геномов, которые обычно кодируют гормоны. Это значит, что они не могут синтезировать правильную мРНК, кодирующую гормоны. Кроме того, многие продукты трансляции эукариотических генов требуют дополнительных химических изменений, чтобы стать активными. Но /:. coli таких изменений обеспечить не может. Оказалось, что многие белки эукариот токсичны для клеток Е. coli, в то время как другие белки легко разрушаются ферментами этой бактерии.

Довольно быстро, однако, эти проблемы были разрешены. В на стоящее время ряд полезных белков производится различными хозяй скими клетками: не только Е. coli, но и Bacillus, дрожжей и других грибков, например Aspergillus и Fusarium, и даже растений, млеко­питающих и клеточных культур насекомых.

Как только стабильная клеточная культура, содержащая рабо тоспособную генетическую модификацию, создана, можно вырас- гить столько клеток, сколько потребуется для продукции нужно г° белка. Среди белков, производимых данным способом, можно назвать инсулин (для лечения диабета), факторы свертывания крови (для лечения гемофилии) и человеческий фактор роста. Некоторые вакцины также производятся по этой методике, на пример вакцина против гепатита В. Можно привести еще дюжину 5 примеров.



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода

Генетическая инженерия животных

Есть два способа генетической модификации животных: путем
изменения соматических клеток (клеток тела) и половых клеток.

Первый путь приводит к изменению клеток индивидуального орга-
низма, получившего модификацию, а вот второй приносит новые на
следуемые признаки.

Модификация соматических клеток состоит из четырех этапов.

1. Удалить клетки из организма.

2. Сделать из них культуру клеток.

3. Трансформировать клетки вектором, содержащим ген, кото-
рый желательно ввести в клетки.

4. Вновь ввести трансформированные клетки в организм.

Это основная схема, применяемая в генной терапии человека,
которую мы подробнее разберем в данной главе.

Изменение половых клеток дает организмы с новыми наследуе-
мыми признаками. Организм, передающий новые признаки своему/

потомству, называется трансгенным, а новый ген, введенный В op J
ганизм, - трансгеном.

Процесс получения трансгенных животных оказался гораздо сложнее введения новых генов бактериям. Однако к настоящему вре мени создано много трансгенных животных. Вот только несколько примеров:

• мыши модифицированы для различных целей. Некоторым вве­дены- человеческие гены для получения нечеловетгской модели человеческих болезней. Например, измененные методами гене­тической инженерии мыши несут человеческий ген клеточного рецептора для вируса полиомиелита. В отличие от нормальных мышей они могут быть заражены данным вирусом, у них даже развиваются симптомы этой болезни. Другим примером могут стать мыши с Шмуннои^йстемой человека, которые позволяют исследовать ее без участия больных людей,

• куры успешно изменены генными инженерами и несуг яйца, в белке которых содержатся потенциально полезные человеке ские белки;

• генетически модифицированные овцы продуцируют человеке ский ген альфа 1-антитрипсина в молоке. Люди, наследующие два нефункционирующих гена этого белка, страдают болезнью,




ГЕНЕТИКА без тайн


называемой альфа 1-антитрипсиновой недостаточностью. Она поражает легкие и иногда печень;

исследователи из Гелфа, Онтарио создали «Енвиросвинью», ге­нетически модифицированную так, что в ее навозе содержится на 60% меньше фосфора;

козы, измененные методами генетической инженерии, дают мо­



локо, содержащее человеческий инсулин или белки паутины* пауков (не одновременно, конечно). <

Методы модификации, использованные при работе с различными животными, отличаются, но два метода, примененных на мышах, дают представление о типичной модификации (рис. 12.5).

В методе эмбриональных стволовых клеток используются стволовые клетки эмбриона, обладающие потенциалом превращаться в клетки любой ткани организма. Они собираются с внутренней сто- роны бластоцшпа мышей (мыши на очень ранней стадии развития после зачатия).


Ген, выражение которого исследователи хотят получить у мыши, выделяется и клонируется методами, описанными выше. В составе соответствующего вектора новый ген, несущий необходимые после­довательности промотора и энхансера, вводится в стволовые клетки.


Среди полученных в результате клеток ведется поиск несущих нуж
ный ген, успешно встроенный не просто в клетку, а в нужное место
генома. Эти трансформированные клетки культивируются, потом
вводятся во внутренний массив клеток мышиного бластоцита, ко-
торый переносится псевдобеременной самке, то есть скрещенной со
стерильным самцом для инициации гормональных изменений, при-
водящих к изменениям в матке. Эти изменения позволяют ей при-
нять эмбрион.

Не более трети эмбрионов разовьется в здоровых мышат. Из них
только у 10-20% будет обнаружен желаемый ген, и мышата будут
гетерозиготными, то есть несущими одну копию данного гена.

Полученных мышей скрещивают друг с другом, а среди их по-
томства ищут одну из четырех мышей (по закону Менделя), кото-
рая будет гомозиготной, т.е. несущей две копии гена. Скрещива-
ние гомозиготных мышей стабилизирует новую линию трансгенных
особей, у которых выражается новый ген, введенный исследовате-
лями.

Второй метод называется методом проядра. Он заключается в
получении свежеоплодотворенных яйцеклеток, а донорская ДНК (по-
лучение которой описано в предыдущем методе) вводится в головки




ГЛАВА 12



Генетическая инженерия — скульптор кода



шш



ф

Раствор ДНК с требуемым геном вводится в нроиуклеус


Оплодотворенная

яйцеклетка


Материнское и

отцовское проядра



ДНК встраивается в геном, и проядра сливаются


I


Яйцеклетки вводятся а яйцевод приемной матери




Серые мыши. Успешно выведенные трансгенные
животные, передающие новый ген потомству


Рис. 12.5. Создание трансгенной мыши




ГЕНЕТИКА без тайн


снерматизоидов до образования проядра. Как только оплодотворенное яйцо образует ядро и делится, превращаясь в двуклеточный эмбрион, он вводится псевдобеременной мыши. После этого процесс полностью повторяется, как в первом методе.

Генетическая инженерия растений

У растений в отличие от животных нет особых различий между соматическими и половыми клетками, потому что из соматических тканей можно выращивать взрослые растения, которые цветут и дают семена.

В генетической инженерии растений пользуются одним общим J вектором - семейством плазмид из бактерий, вызывающих корон- чатый галл, Agrobacterium turn efас tens. "Плаз м и д ы A. tumefaciens имеют естественный механизм для передачи плазмид растениям. В природе бактерии прикрепляются к поврежденной ткани расте­ния, и часть илазмидной ДНК вводится в его клетку. В результате клетки растения образуют опухоль, называемую корончатый галл. Это единственный пример передачи генов бактериальной плазми ды клеткам эукариот, и такого рода передача представляет собой прекрасный механизм, который можно применять в генетической инженерии.

Ниже приводятся образцы растений, сконструированных метода­ми генетической инженерии:

• £*!£_ модифицирован с целью производства в его эндосперме бета каротина, предшественника витамина А. Есть надежда,“что это поможет бороться с дефицитом витамина А во многих частях света, где рис является главным продуктом питания (у нормаль ного риса бета каротин содержится в шелухе, которая удаляется при молотьбе);

• различные виды растений модифицированы дня получения токсина Bacillus thuringiensis, Этот бактериальный токсин Bt ядовит для ряда насекомых, вредителей сельского хозяйства, но безвреден для человека;

• рас тения табака были модифицированы добавлением гена, со­общающего им устойчивость к вирусу табачной мозаики (что, наверное, доставило бы удовольствие нашему другу Мартинусу Бейеринку, о котором мы писали в начале главы i 1);

/ * в некоторые зерновые внесены гены, делающие их семена (сто-)

Сильными. ЧТО заставляет фермеров каждый год закупать но- •50 * вые семена:



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода

растения рапса модифицированы, 'rt’o сделало их У£Т?ЙД—1?ЙИ~.
к действи^специфического гербицида, который может убивать
сорняки на поле, не трогая это растение;

получены трансгенные помидоры, которые прекрасно растут на
засоленных почвах;

кукуруза, табак, пшеница, картофель и рис были модифицирова-

ны так, что они могут продуцировать ряд лечебных белков, вкл ю-
чая гормон роста человека (ген встраивается в ДНК хлоропластов
у растений табака), гуманизированных антител, белковых анти-
генов для производства вакцин и т.д.



Генная терапия


Генной терапией называется генетическая инженерия соматиче
ских клеток человека, направленная на исправление генетического
клеточного дефекта, вызывающего болезнь.

В 1990 году трехлетняя девочка по имени Ашанти де С илва

(Asbanthi За Silva) стала первым ребенком, излеченным генной те­рапией. Ашанти страдала дефицитом АДА^ Клетки больных с де­фицитом АДА не могут продуцировать фермент аденозин-деамин аза, который в нормальных клетках разрушает некоторые вещества. Хотя последние не повреждают большинство клеток, накапливаясь в них, для некоторых клеток белой крови они токсичны, а клетки белой кро ни играют ключевую роль в функционировании системы иммунитета. В результате дети с дефицитом АДА имеют ослабленный иммунитет и постоянно болеют. Большинство умирает, не дожив до двух лет.

Пытаясь лечить болезнь методами генетической инженерии, врач но имени У. Френч Андерсон (W. French Anderson) и его коллеги взяли у девочки немного крови, отфильтровали клетки белой крови и смешали их с генетически измененным ретровирусом, несущим ген АДА! Клетки размножали в течение 10 дней, а затем снова ввели их Ашанти (рис. 12.6).


V


АДА-геи <л щороиого человека

» |{ми!вяе гся в гемом бскооасиоп). .игцишлло скгт-тру»фОвм»*>го ретромфуса


Вирус встримиаст ДНК

В ЯДРО KJjrrCM бСДОЙ 1фО»М


Исправленные клетки бедой «ро«н
„ аиошпе* обратно к ор» и»о«м ими*»*
и размножаете* в «иде ко»ж«т «домм
клеток белой крови, продуцируй*»» АД*


Рис. 12.6. Первый случай гемотерапии у человека




ГЕНЕТИКА без тайн


Сначала лечение повторяли каждый месяц. Ашанти вводили АДА- ПЭГ. Это комплекс АДА, не разрушаемый в крови, что отличает его от нормальной АДА. После нескольких лет лечение ограничили од­ним введением половины дозы АДА-Г1ЭГ. Иммунная система девоч­ки постоянно улучшалась, и Ашанти начала жить обычной жизнью здорового ребенка.

Кроме ретровирусов в опытах по генной терапии используются и другие векторы, включая аденовирисы (двунитевые ДНК-содержашие вирусы, среди других заболеваний вызывающие простуду), адено ассоциированные вирусы (однонитевые ДНК-содержащие вирусы, которые встраивают генетический материал в специфический сайт на хромосоме 19) и вирус Herpes simplex (двунитевые ДНК вирусы, которые специфически поражают нейроны). Вирус, вызывающий лихорадку на губе, называется Herpes simplex тип I.

Другие подходы включали введение терапевтической ДНК прямо в клетки мишени и создание искусственных липидных сфер с жид ким ядром, содержащим терапевтическую ДНК. Эти линосомы могут проходить через мембраны клеток мишеней.

Исследователи экспериментируют даже с созданием искусствен­ной 47 й хромосомы, которая могла бы нести большое количество генетического материала. Однако введение такой большой молекулы в клетку мишень, вероятно, будет очень сложным делом.

Несмотря на первые успехи, генная терапия еще должна дожить до выполнения данных учеными обещаний.

В 1999 году основной неудачей была смерть Джесса Гелсингера (Jesse Gelsinger), 18 летнего добровольца, принимавшего участие в испытании препарата для генной терапии. У него оказался необы чайно сильный иммунный ответ на введение аденовирусного вектора. В 2002 году произошла другая неудача. У двух детей во Франции развилось состояние, очень похожее на лейкемию, когда их лечили от иммунодефицита методом генной терапии. Использованный метод заключался во введении генов в стволовые клетки крови при помощи ретровирусов.

Иммунный ответ организма на вторжение в него чужеродного ма­териала не только увеличивает риск тяжелой иммунной реакции на генно-терапевтическое вмешательство, но и мешает генной терапии встать на ноги как лечебной дисциплине. Другие проблемы генной терапии, которые приходится преодолевать, включают в себя труд­ности длительного сохранения и функционирования терапевтической ДНК в организме пациента; риск использования вирусов в качестве



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода

векторов; мультигенность многих болезней, делающую их трудной мишенью для генной терапий. Ио исследования продолжаются, и обещают они много.


Клонирование


Клоны высшего организма очень напоминают клоны гена. Это генетически идентичные копии. Растения клонировали тысячи лет; растение, выращенное из срезанного листка генетически идентично растению, с которого срезали этот листок.

Существуют естественные клоны и в царстве животных. При пра­вильной химической стимуляции неонлодотворенные яйца некоторых маленьких беспозвоночных, чрраей, рыб, ящериц и лягушек могут развиться во взрослых особей, которые станут материнскими клона­ми (этот процесс называется партеногенезом). Ну и, конечно, иден­тичные (однояйцевые) близнецы являются клонами.

Однако первый искусственный клон животного был получен Джоном Гурдоном (John Gurdon) в 1970-е годы. Он транспланти­ровал ядро соматической клетки лягушки-! неоплодотворенное яйцо второй лягушки, из которого было удалено, энуклеировано, соб­ственное ядро (его разрушили ультрафиолетовым светом). Яйцо раз­вилось в головастика, генетически идентичного лягушке, из клетки которой было взято ядро. Однако во взрослую лягушку головастик не вырос.

Такой тип клонирования называется соматическим ядерным переносом. Его долго не удавалось выполнить на млекопитающих? В 1997 году Ян Уилмут (Ian Wilmut) и его коллеги по институту Рослина в Эдинбурге смогли клонировать овцу, названную Долли. Уилмут вынул ядро из клетки молочной железы финн дорсетской" овцы и трансплантировал его в энуклеированную шот­

ландской черномордой овцы. Яйцеклетку и ядро вынудили слиться (и стимулировали к делению) импульсом электрического тока, в про­цессе электрослиямия. Новая клетка~ра5делилась, и ее поместили в матку черномордой овцы для вынашиваний (рис. 12.ТУ. Долли роди лась через несколько месяцев. Этот процесс повторяли 275 раз, пока он не завершился рождением Долли.

После Долли многие животные были успешно клонированы, вклю­чая коров, коз, мышей, свиней и кошек. И С^ЬООС

Методы генетической инженерии часто объединяются с мето­дами клонирования. Ядро рекомбинантной соматической клетки может быть имплантировано в энуклеированное яйцо. В результа-





ГЕНЕТИКА без тайн


Донор яйцеклетки Донорская яйцеклетка Удаление ядра


Рис. 12.7. Передача соматической клетки — вот процесс,
использованный при клонировании овечки Долли и других животных


те появится животное с генами, кодирующими определенные бел­ки. Одна из целей клонирования животных — создание клонов, продуцирующих человеческие белки для лечения человека (соз­дана трансгенная овца, продуцирующая человеческий инсулин). Другая цель клонирования — получение животных с органами и тканями, совместимыми с организмом человека, и органами, при­годными для решения терапевтических и исследовательских за­дач. Клонирование может оказаться предпочтительным методом для поддержания линий таких генетически модифицированных



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода
„ *

животных и гарантией сохранения желаемых признаков, которые
могли бы пр о г I аст ь в реэул ьтате ттрма л ь но гоТю л о в б го размноже-
ния животных.



Беспокойства и споры


После объявления Бойером и Коэном о создании технологии ре­комбинантных ДНК генетики были возбуждены открывающимися горизонтами ее научного применения. Но она также вызвала тревогу в умах некоторых ученых, включая Пола Берга (Paul Berg), коллеги Коэна по Стенфордскому университету. Берг в это время заканчи­вал собственные опыты по перемещению генов из одного организма в другой. Он перенес (не пользуясь ферментами рестрикции, а это гораздо труднее сделать) ген из вируса SV40, заражающего обезьян, в геном бактериофага лямбда.

Но Берг не стал вводить полученную рекомбинантную ДНК в клетки Е. cdli и показывать, что она функционирует в бактерии. Ученый сделал это, в частности, из-за озабоченности, высказанной Робертом Поллаком (Robert Pollack), генетиком, работавшим в Колд Спринг Харборе. Поллак высказал озабоченность по поводу введе­ния вируса, вызывавшего рак у мышей и хомяков (хотя и безопас­ного для обезьян) в бактерию, естественно обитающую в кишечнике человека.

В конце 1973 года Берг и еще 77 молекулярных биологов на­писали в журнал Science и рекомендовали Национальному институ­ту здоровья установить правила безопасности для опытов, которые проводили Бойер, Коэн и многие другие ученые. Через несколько месяцев, в июле 1974 года, во втором письме встревоженные ученые попросили установить мораторий на слияние генов до тех пор, пока не будут оценены возможные опасности и приняты меры безопасно­сти для работы с таким генетическим материмом.

В феврале 1975 года 140 молекулярных биологов встретились в Асиломаре, Калифорния, и пришли к выводу, что работа с реком бннантными ДНК должна продолжаться, но только в определен ных условиях, обеспечивающих ее безопасность. Правила безопас пости должны были предотвратить утечку из лаборатории и рас пространен не в природе вновь созданных организмов. В 1976 году I IаIтио нал ьньЙГ йнсг итут~~здоровья* издал правила, очень похожие на предложенные в Асиломаре и обязательные для всех ученых, получавших государственное финансирование. Национальный ин ститут здоровья также создал комитет по надзору за рекомбинант


\1




ГЕНЕТИКА без тайн


ными ДНК (Recombinant DMA Advisory Committee), который дол­жен был давать разрешение на опыты по генетической инженерии. Многие тревоги того времени были рассеяны, но комитет все еще существует.

Это стало началом длящихся и поныне споров о безопасности и этичности генетической инженерии.

Некоторые из возникающих вопросов приведены ниже.

1. Вопросы, связанные со здоровьем. Возникают вокруг генети­чески модифицированных продуктов питания. Могут ли они быть токсичными? Или менее питательным!?? Не вызывают ли пищевые аллергии?

2. Проблемы окружающей cjpedbi и экологии. Не приведет ли ис­пользование трансгенных растений к большему (или меньшему) при­менению пестицидов в сельском хозяйстве? Не будут ли трансген­ные растения переноситься с полей и становиться суперсорняками? Не смогут ли новые гены, встроенные методами генетической ин­женерии в трансгенные растения, передаваться другим культурным растениям и сорнякам? Не могут ли растения, модифицированные геном Bt (которые продуцируют белок, токсический для насекомых* вредителей), убивать и других насекомых?

3. Экономические U этические вопросы. Могут ли быть запа­тентованы новые организмы, произведенные за счет генетической модификации? Этично ли создавать зерновые культуры со стериль ными семенами? Угрожают ли клоны разнообразию видов? Этично ли клонирование человека (даже не человека, а стволовых клеток) для возможного медицинского применения? И кто все это будет ре­шать?

Вполне уместно сказать, что в настоящее время мы, конечно, можем перемещать гены из организма в организм, но потребуется много времени и усилий на изучение, когда и где это можно будет делать безопасно и этично.

*

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

\. Ферменты, которые разрезают связи, удерживающие остов ДНК,

называются:

(а) нуклеазами;

(б) фишиназами:

(в) связеломами;

(г) дебазерами.



ГЛАВА 12 Генетическая инженерия — скульптор кода

2. Термин «липкие концы» относится к: *

(а) клеточному клею, который склеивает клетки в ткани;

(б) коротким комплементарным однонитевым ДНК-последова-
тельностям с каждого конца фрагмента ДНК;

(в) генетический сленг, обозначающий несчастный случай в лабо-
ратории, испортивший образец ДНК;

(г) хвост фага, используемого как вектор в генетической инже-
нерии.

3. Первым организмом, использованным в генетической инжене-
рии:

(а) была овца;

(б) были дрожжи;

(в) был вирус Haemophilus influenzae;

(г) была Е. coli.

4. Клоном называется;

(а) генетически идентичная копия другого организма;

(б) генетически модифицированная копия другого организма;

(в) генетический гибрид двух организмов;

(г) бактерия, измененная для продукции человеческого гор-
мона.

5. ПЦР (полимеразная цепная реакция) используется для:

(а) выращивания Е. coli в лаборатории;

(б) снабжения клетки энергией;

(в) быстрой продукции многих копий последовательности ДНК;

(г) очистки лабораторной посуды от ДНК.

6. Соматические клетки представляют собой:

(а) клетки тела;

(б) покоящиеся клетки;

(в) зараженные бактериофагом клетки;

(г) клетки, которые невозможно культивировать.

7. Организм, сконструированный генетической инженерией, кото-
рый может передавать новые гены потомству, называется:

(а) фотогеничным;

(б) трансгенным;

(в) гигиеничным;

(г) бионичным. 457




Н. Первой болезнью, вылеченной при помощи генной терапии, был:

(а) рак:

(б) сердечно-сосудистая болезнь;

(в) иммунодефицит;

(г) гииотироидизм.

9. Соматический ядерный перенос используется для:

(а) перемещения меченной радиоактивностью молекулы ДНК из клетки в клетку;

(б) лечения диабета;

(в) быстрой дупликации молекул РНК;

(г) клонирования животных.

10. Первым успешно клонированным млекопитающим была:

(а) корова;

(б) овца;

(в) свинья;

(г) человек.




Глава 13

Эволюция - изменения,
направляемые наследственностью

Как отмечено в главе 1, когда Чарльз Дарвин в 1859 году опу
бликовал свою книгу *0 происхождении видов», больше всего его
критиковали за то, что он не дал удовлетворительного объяснения
тому, как потомство наследует признаки от родителей. Дарвин дол-
жен был признать, что критики правы. Работа Менделя и все, что из
нее следовало, была еще в будущем.

Но как только открыли генетику с ее законами, она обеспечила
как механизм для эволюции, так и массу новых данных, способство-
вавших прогрессу в ее изучении.

Что такое эволюция

Эволюция — это изменение во времени. В биологии она име
ет дело с наследуемыми в популяции изменениями, растянутыми на
много поколений. Другое определение, которое может вам встретить-
ся, формулируется так: «Любое изменение аллелей внутри пула ге-
нов из поколения в поколение» (что, конечно, обретет смысл, когда
вы дойдете до раздела данной главы, посвященного популяционной
генетике).

За большой период времени медленные изменения постепенно
создают совершенно новый организм.

Дарвин называл движущую силу эволюции естественным от-
бором. Естественный отбор можно разделить на четыре составляю-
щие.

1. В каждом поколении рождается больше индивидуумов, чем
может выжить.

2. Признаки у различных индивидуумов варьируются, и эти из-
менения могут передаваться следующему поколению.




ГЕНЕТИКА без тайн


3. Индивидуумы с признаками, позволяющими лучше приспосо­биться к условиям окружающей среды, имеют большую веро­ятность выжить.

4. Когда размножающаяся популяция изолирована от других представителей своего вида, образуется новый вид.

Свидетельство эволюции видов можно найти, анализируя иско­паемых животных. Ученые уверены, что история жизни, выглядела примерно так (скажем прямо — в совсем кратком виде):

•4,5 млрд лет назад. Формируется Земля;

• 4,2 млрд лет назад. Океан покрывает всю ее поверхность;

•3,7 млрд лет назад. Образуются рудиментарные клетки, спо­собные передавать генетическую информацию (первой инфор­мационной молекулой, как считается, была РНК. Эти древние клетки стали предками трех царств существующих и поныне организмов: бактерий, архей и эукариот);

•0,7 млрд лет назад. Появились и быстро распространились первые многоклеточные организмы, названные метазоями (они обладали совершенно различным строением, многие варианты исчезли благодаря вымиранию их основных групп);

* 5 — 6 млн лет назад. Наши предки отделились от общего бли­жайшего предка с шимпанзе, самым близким нам родственни­ком среди живущих в настоящее время животных.

1опуляционная генетика

Для эволюции не так важна генетика, действующая на уровне отдельных особей, как ветвь этой науки, действующая на уровне целых популяций и названная, естественно, популяционной гене­тикой.

В популяционной генетике слово «популяция» имеет особое значение. Это не просто группа особей. Скорее, менделевская популяция — это группа организмов, размножающихся половым путем, имеющих относительно близкое генетическое родство, жи­вущих в одном географическом регионе и скрещивающихся между собой.

Пулом генов называют гипотетическую смесь всех генов, содер­жащихся в популяции. Именно из этого пула черпает все гены каж­дое следующее поколение особей.

Различия фенотипов и генотипов среди особей популяции называ- 160 ется генетическим полиморфизмом. У некоторых популяций наблюда-



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения


ется большое разнообразие признаков, а у других признаки почти не варьируются. Одним из методов определенйя варьирования является анализ генотипических частот, которые указывают, какие генотипы преобладают в популяции.

Анализируемый генотип называют локусом. В табл. 13.1 по­казано, как анализируются генотипические частоты определенного генотипа, гены которого помечены соответственно А и В. Возмож­ны генотипы АА, АВ и ВВ, а данные о них собраны среди 7287

особей.

По полученной информации можно рассчитать частоту аллелей. Поскольку каждая особь популяции имеет два аллеля в этом локусе, то вся популяция состоит из 14 574 (7287 х2) аллелей. Чтобы вычис­лить частоту аллелей, вы просто считаете количество аллелей каждо­го типа, а затем делите его на общее количество аллелей.

Таким образом, частота аллелей для аллеля А составит:

[(2 х 2185) х 3623) /14574 = 0,5484,

а частота аллелей для аллеля В составит:

[(2 х 1479) + 3623] /14574 = 0,4516.

Условились обозначать один из аллелей р, а другой — q, так что в проведенных расчетах р = 0,5484, q — 0,5416 (сумма р и q должна равняться 1, в противном случае учтены не все аллели). Популя­ция считается полиморфной, если два аллеля разделяются, а частота самого часто встречающегося аллеля составляет менее 0,99, как в приводимом примере. Основной объединяющей популяционную ге­нетику концепцией является закон Гарди — Вайнберга, названный по имени английского математика Годфри Гарольда Гарди (Godfrey Harold Hardy) и Вильгельма Вайнберга (Wilhelm Weinberg), не­мецкого физика, который самостоятельно сформулировал его в 1898 году. Закон гласит, что изменения частот аллелей не наблюдается из поколения в поколение, если соблюдается ряд условий. Такая попу­ляция, как говорят, находится в состоянии равновесия и называется равновесной популяцией.


Таблица 13.1


Генотип

Количество особей

Генотипические частоты

АА

АА = 2185/7287 = 30%

АВ

АВ = 3623/7287 = 49,7%

ВВ

ВВ = 1479/7287 = 20,3%

6 Генетика без тайн



ГЕНЕТИКА без тайн


.... юдаткя - сохр“ «™-

' большая, и скрещивания про-

S*a "ГГ0' П°ЗВОЛЯет из6^ать генетического дрейфа - ухода генотипической частоты от случайного от клонении. Причина данного явления - эффект^основателя тличие между генетическими частотами в пуле генов вида и генотипическими частотами малой изолированной поп™,"

” 116 Ска3ывается на задних и больших попу

яциях. Таким образом, на практике популяция может быть'в равновесии Гарди - Вайнберга в течение одного или несколь ких поколений, даже если она не бесконечно большая а таких как правило, не бывает. ’ их'

2. Естественный отбор не включен. Это значит, что каждый рас сматриваемый генотип может выжить и производить потомство.

■ ■ }’!П^ЛЩиЯ закРшпа Другими словами, особи не иммигриру to, И не эмигрируют (это редко случается в реальной жизни

уставов",ГГ " "Рт°К особей мал. ДновесГе „oZ установиться на какое то время).

4. Нет мутации одного аллельного состояния в другое. Это

cSv’ne №танииЛп МуТаЦ"" Не °™еняют лруг друга, в таком случае мутации разрешены.

5' ^:3:7оТЬНЫй СлуЧаЙНОСТЬ являстся единственным фак Гором в комбинации генов при каждом скрещивании.

Эволюция начинается при нарушении хотя бы одного из этих- услови.счто выводит популяцию из состояния равновесия*3 Естш нныи отбор вступает в дело, когда несколько особей с определен­ными генотипами живут дольше (и. таким образом, имеют больший шанс размножиться> или просто оказываются более плодовитыми , зменения в распределении скрещивающихся пар ботее не будут

™ТМИ' 3 ГеН0ТИПИЧеские частоты- в результате, начнут сдвш гаться в следующих поколениях. * у д

Есть три основные причины изменений, движущие эволюцию по­пуляции: мутация, миграция и селекция.

МУТАЦИЯ

I енетическая изменчивость, которая дает работу естественномv отбору, в основном, основана на мутациях. Мутации бывают трех 1 и нов, в зависимости от их действия на фенотип.



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения


1. Вредные. Большинство мутаций вредные, а большинство вред­ных мутаций элиминируются из популяции, потому что особи, рожденные с ними, имеют меньший шанс выжить и передать свои гены потомству. Однако есть примеры мутаций, вредных в гомозиготном состоянии, но сохраняющихся в гетерозигот­ном состоянии, потому что в нем они полезны. Один из при­меров — серповидно клеточная анемия. Хотя в гомозиготном состоянии серповидно клеточная мутация вызывает болезнь и даже раннюю смерть, в гетерозиготном состоянии она сообща­ет особям устойчивость к заражению возбудителями малярии. Таким образом, люди в географических регионах, где малярия эндемична, имеют большую вероятность выжить и обзавестись потомством, чем люди, не имеющие копии этого гена.

2. Нейтральные. Нейтральные мутации, не дающие организму преимуществ или недостатков, не поддаются действию есте­ственного отбора. С генетической точки зрения, эти мутации изменяют кодон так, что он не меняет кодируемой аминокисло ты или меняет ее на другую, вполне приемлемую. Нейтральные мутации имеют тенденцию уходить из популяции посредством генетического дрейфа.

3. Полезные. Эти редкие мутации дают преимущество особям, увеличивая продолжительность их жизни или способность к размножению.

Поскольку чаще встречаются мутации вредные, а они убирают­ся из пула генов (или никогда не попадают в него), большинство генетических вариантов в популяции состоит из нейтральных или умеренно вредных мутаций, которые не влияют на приспособляе­мость.

Одной из модификаций генома может быть дупликация генов. Если дуплицируется важный ген, мутация в нем необязательно влия­ет на приспособляемость особи, поскольку она будет всего лишь в копии исходного гена. Это позволяет возникнуть новой мутации в копии гена и появляться мутациям в нем до тех пор, пока не об­разуется совершенно новый ген с функцией, сходной с функцией исходного гена. Но он сможет функционировать в другой отрезок времени развития организма или в другом месте. Это приводит к появлению мулътигенных семейств. Гены гемоглобина и мышечной ткани у человека скомпонованы в мультигенные семейства, как и гены семенных коробочек и фотосинтеза у растений.



ГЕНЕТИКА без тайн


МИГРАЦИЯ

Миграция изменяет частоты генов в популяции, принося допол-
нительные копии одного специфического аллеля или внося мутацию,
возникшую в другой популяции того же вида (без подобной мигра-
ции изолированные популяции одного вида могут развиться в два
различных вида).

В повседневном применении этого слова, миграция означает по-
ступление новой особи в популяцию. В генетике миграция — это
успешное скрещивание вновь появившейся в популяции особи с осо-
бями популяции и, соответственно, введение новых генов в пул генов
популяции. Введение новых генов посредством миграции называется
потоком генов.

СЕЛЕКЦИЯ

Как уже обсуждалось, если особи в популяции имеют определен-
ный генотип, который делает их более приспособленными к выжи-
ванию и воспроизводству, способными передавать эти преимущества
потомству, то со временем данный генотип становится более частым
в популяции. То есть возрастает его генотипическая частота.

Происхождение видов

В терминах популяционной генетики вид — это группа популя­ций, через которую проходит поток генов и чье потомство обладает приспособленностью, равной родительской приспособленности.

Если поток генов (то есть миграция) между одной популяци­ей вида и всеми остальными его популяциями останавливается, то


в изолированной популяции происходят различные изменения ге­нотипических частот. Со временем они настолько разойдутся, что особи данной популяции не смогут скрещиваться с особями дру­гих популяций. В этой точке поток генов становится невозможным, изолированная популяция превращается в новый вид, а процесс называется филетической (филогенетической) эволюцией, или анагенезом.


Также у. изолированной популяции существует возможность раз­виться в два различных вида, существующих одновременно. Это на­зывается истинным видообразованием, или кладогенезом.

Кладогенез имеет место, когда две субпопуляции теряют способ­ность скрещиваться друг с другом. Существует три типа кладоге- 164 неза.



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения


1. Аллопатрическое видообразование. Происходит по тому же механизму, что и филетическая эволюция, но вместо целой популяции, отсекаемой физическим барьером, изолируется

субпопуляция (становящаяся, фактически, маленькой популя цией).

2. IIарапатрическое видообразование. Имеет место, когда суб­популяция мигрирует в новую экологическую нишу, где ранее этот вид не обитал.

3. Симпатрическое видообразование. Происходит при мутации в субпопуляции, предотвращающей ее скрещивание с исходной популяцией (но не с другими членами субпопуляции) и адапти­рующей особей к экологической нише лучше, чем адаптированы особи исходной популяции. Например, есть вид солончаковой травы Spartina townsendii, которая произошла от S. altemiflora (американской солончаковой травы) и 5. maritime (европей­ской солончаковой травы), но больше не может скрещиваться ни с одной из них. Она более приспособлена к прибрежным районам Голландии, чем любой из родительских видов, и уко ренилась в этом регионе.

Филогенетическая систематик

Таксономил представляет собой область науки, которая занима ется классификацией организмов по группам. Ее основоположником был Карл Линней. Он ввел известную биномиальную номенклату ру, которой до сих пор пользуются для идентификации организмов, например, Homo sapiens. В настоящее время таксономия вошла со­ставной частью в более крупную область науки, систематику, кото­рая пытается разгадать родство, существующее между различными формами жизни.

Чарльз Дарвин признавал, что таксономия, которая уже суще ствовала к моменту издания им своей книги, являлась грубым подо­бием истории эволюции (хотя сам Линней не имел ключа к разгадке эволюции). Но только в 1950-х годах немецкий энтомолог Вилли Геннинг (Willi Hennig) предложил, чтобы систематика базировалась на известной эволюционной истории организмов. Он назвал этот подход филогенетической систематикой, в которой упор делался не на видах, а на монофилетических группах, совокупно со всеми их потомками, известными как клады. Этот подход сейчас часто на зывают кладистикой.



ГЕНЕТИКА без тайн


Ученые, используя в качестве ключей археологию и генетиче­скую информацию, строят филогенетические древа, топология (вет­вление) которых представляет родство между различными организ­мами (рис. 13.1).

Филогенетические древа состоят из нескольких частей:

• узлов. Представляют таксономическую единицу (вид, популя­цию или особь, существующую или ее предка);

• ветвей. Определяют родство между таксономическими едини­цами по их происхождению и истории;

• корней. Общий предок всех таксономических единиц;

• клада. Группа из двух или более таксономических единиц или последовательностей ДНК, которая включает в себя общего предка и всех его потомков.

Только одна ветвь может связать два родственных узла. Ветви могут быть масштабными и немасштабными; если ветви масштаб ные, то длина ветви обычно показывает количество происшедших из­менений. Древа могут быть коренными и некоренными. В коренных древах есть один общий узел, представляющий общего предка, а у некоренных древ родство между таксономическими единицами отме­чается, но не прослеживается общий предок и эволюционный путь.

Возможность секвенировать ДНК и белки стала истоком моле кулярной филогенетики, которая использует точную генетическую информацию для определения родства различных организмов, осо бенно тех, чья форма и внутренняя структура (морфология) не дают достаточно информации для их классификации. Молекулярная фи логенетика сосредоточена на исследовании эволюции специфических последовательностей ДНК, а не эволюции целых организмов.

Идея молекулярной филогенетики заключается в том, что два очень схожих генома считаются разошедшимися в эволюции недав но, в отличие от сильно отличающихся друг от друга геномов, разо шедшихся в эволюции давно, поскольку геномы развиваются посред­ством постепенного накопления мутаций.

Основной метод этой области генетики — сравнение гомологов, ДНК-последовательностей, имеющих общее происхождение, но мо­гущих иметь или не иметь общую функцию. Про последовательности ДНК с определенным уровнем сходства, основанным на идентич­ности сравниваемых пар оснований, говорят, что они гомологичные (или монофилетические) и унаследованы от общего предка. Впро чем. модификация оснований со временем затрудняет определение предка, от которого они унаследованы.



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения



Существует три типа гомологов.

1 .Ортологи. Гомологи, образуемые при видообразовании. Они яв­ляются генами, разошедшимися от общего предка, потому имеют одну и ту же функцию, независимо от того, в каком организме находятся.



ГЕНЕТИКА без тайн


А



Рис. 13.2. Типичное некоренное филогенетическое древо,
основанное на гомологах


2. Паралоги I омологи, образованные при дупликации гена. Об­разующиеся гены происходят от одного гена, который дуплицировал­ся в организме предка, а потом его копии разошлись. Как указыва лось ранее, дуплицированные гены могут мутировать более свободно, без снижения жизнеспособности организма. В результате у них есть тенденция в различных организмах выполнять различные функции.

3. Ксенологи. I омологи, образующиеся при горизонтальном пе­реносе гена между двумя организмами. Ксенологи могут иметь раз­личные функции в различных организмах, но, в основном, они об­ладают тенденцией выполнять одну и ту же функцию.

Для построения наиболее вероятного эволюционного пути гене­тическое древо должно включать но крайней мере одну внешнюю группу - ген, менее родственный но отношению к четырем группам, по сравнению с родством четырех гомологов между собой. Внешние группы позволяют идентифицировать корень древа и описать пра вильный эволюционный путь (рис. 13.4).



А В с D А А


Рис. 13.3. !ри различных коренных филогенетических древа, каждое
из которых может быть логически выведено из древа на рис. 13.2



шяш



Рис. 13-4. Внешняя группа, ген. известный как отделившийся
от четырех гомологов до появления их общего предка,
может помочь в нахождении правильного корня для
филогенетичского древа на рис. 13.3


Гипотеза молекулярных часов

Гипотеза молекулярных часов — основа практики молекулярных филогене­тиков. Она заключается в том, что точковые мутации (замены пар оснований) про­исходят с постоянной скоростью, так что степень различия между двумя после­довательностями может использоваться для определения даты их расхождения с последовательностью общего предка.

Однако скорость молекулярных изменений неодинакова у различных орга­низмов, генов и даже частей одного и того же гена. Это значит, что молекулярные часы должны калиброваться по известным ископаемым организмам для опреде­ления времени исходной точки образования клад и скорости молекулярных из­менений, происшедших с того времени. Например, молекулярные часы для ДНК митохондрий (мтДНК) были установлены по времени расхождения человека и шимпанзе, происшедшего шесть миллионов лет назад. Поскольку мтДНК чело­века и шимпанзе отличаются на 12%, скорость изменений человеческой мтДНК была определена в 2% на миллион лет.

Необходимость калибровки молекулярных часов означает, что история ис­копаемых организмов все еще жизненно важна для практической систематики. И генетический анализ никоим образом не может ее заменить.



ГЕНЕТИКА без тайн


Заметьте, что генные и видовые древа не всегда совпадают. Внутренний узел на древе генов показывает разделение родитель­ского гена на два гена с последовательностями ДНК, отличающи­мися друг от друга. Внутренний узел на древе видов представля­ет расхождение родительского вида на два, не скрещивающихся друг с другом. Поскольку каждое расщепление гена совсем не означает начало нового вида, два события не всегда совпадают по времени.

Генетика эволюции человека

В главе 10 я писал о гипотезе «африканской Евы», основанной на данных, которые свидетельствовали о том, что митохондриальная ДНК всех современных людей может быть прослежена во времени до митохондриальной ДНК женщины, жившей в Африке около 200 тыс. лет назад (отметьте, что нужно принимать во внимание возмож ность ошибки при оценке использования митохондриальных часов; некоторые новые данные указывают, что Ева жила 400 тыс. лет на зад, а верхняя граница возможного возраста составляет 800 тыс. лет). Генетики, однако, могут получать, и получили, информацию о наших еще более отдаленных предках.

Та же самая митохондриальная ДНК, использованная для от слеживания нашего общего предка по материнской линии, помогла ответить на животрепещущий вопрос эволюции: кто является более близким родственником человека — горилла или шимпанзе. Теперь кажется решенным, что наш более близкий родственник — тимпан зе. Паш общий с шимпанзе предок жил пять шесть миллионов лет назад, в то время как общий предок с гориллами — около восьми миллионов лет назад (рис. 13.5).

ДНК может многое рассказать об изменчивости людей. Как отме­чено в главе 6, человеческий геном состоит из трех миллиардов пар основании, а у любых двух людей идентичны 99,9% пар оснований. Конечно, для трех миллиардов 0,1% составляет три миллиона, и хотя большинство вариаций не приводят к принципиальным отличиям, нас отличают друг от друга тысячи черт.

Но мы менее отличаемся между собой, чем отличаются друг от друга наши ближайшие родственники. У двух шимпанзе в четыре раза больше генетических различий, чем у двух человек. Это по­казывает, что когда-то в прошлом люди пережили сильное, но крат- 70 ковременное сокращение популяции до нескольких тысяч или долго-


*



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения



Рис. 13.5. Это филогенетическое древо показываег наше
родство с обезьянами и человекообразными обезьянами


временное, но более умеренное сокращение до десятков или сотен тысяч человек.

Интересно отметить, что хотя раса — может быть, самое видимое генетическое различие у людей, анализ последовательности ДНК че­ловека подтвердил работу 1970 х годов по секвенированию белков. Показано, что от 80 до 90% вариаций происходит внутри этнической популяции, только 5—10% приходится на межэтнические различия в основных расовых группах, и 5— 10% вариаций на их межрасовые различия.

Другими словами, если все люди вымрут, кроме одного восточ­ноафриканского племени, то 85% всех вариации у людей все равно сохранятся при последующем росте популяции.

Генетическая изменчивость у человека играет огромную роль как в устойчивости к болезням (которые помогли сформировать нашу эволюцию посредством естественного отбора), так и в развитии на­следственных болезней.

В завершающей главе этой книги мы рассмотрим некоторые из наследственных болезней и то. как они (а также наши знания о том, как обнаруживать эти болезни и другие генетические дефекты) дей­ствуют на нас.



ГЕНЕТИКА без тайн

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дарвин назвал движущей силой эволюции:

(а) естественное совершенство;

(б) естественный поиск;

(в) естественный выбор;

(г) естественный отбор.

2. Пулом генов называется: ,

(а) гипотетическая смесь всех генов в популяции;

(б) лабораторная техника сопоставления генов нескольких особей;

(в) гены, существовавшие у древних организмов, но не сущест­вующие ныне;

(г) жидкость внутри клеточного ядра, в которой расположено ядро.

3. Популяция, в которой есть один аллель или более аллелей опре­деленного гена, называется:

(а) полианной;

(б) полиэфирной;

(в) полиморфной;

(г) полигенной.

4. Закон Гарди — Вайнберга описывает:

(а) регламент генетической инженерии в Германии;

(б) условия, в которых популяция достигает генетического равновесия;

(в) механизм естественного отбора у насекомых;

(г) максимально возможный размер генома у эукариот.

5. Нейтральные мутации:

(а) обычно исчезают при генетическом дрейфе;

(б) постепенно становятся вредными;

(в) постепенно становятся полезными; ,

(г) не случаются никогда.

6. Говоря языком генетики, миграции не происходит, пока мигри­рующий организм не:

(а) купит лошадь;

(б) получит водительские права;

(в) завершит успешное скрещивание;

(г) мутирует.



ГЛАВА 13 Эволюция — изменения


7. Чтобы популяция стала видом, она должна быть:

(а) изолированной;

(б) рассеянной;

(в) захваченной;

(г) растревоженной.


8. Область науки, которая определяет эволюционное родство орга­низмов, называется:

(а) эволюционизмом;

(б) релятивной генетикой;

(в) систематикой;

(г) номенклатурой.

9. Последовательности ДНК в различных организмах, имеющие общее происхождение, но не обязательно общую функцию, на­зываются:

(а) гомологами;

(б) гомогенами;

(в) гомокладами;

(г) гомооснованиями.

10. Генетики обнаружили, что нашими ближайшими родственника ми являются:

(а) мартышки;

(б) гориллы;

(в) шимпанзе;

(г) лемуры.




Глава 14

Люди: как генетика влияет на нас

Название главы, следует признаться, вводит в заблуждение Ге нетика не влияет на нас, точнее сказать: «Генетика - это мы*. Но возрастающее и расширяющееся знание генетики влияет и будет влиять на человечество в будущем. Однако даже трудно себе пред ставить, каким образом.

енетика пола

Хотя глава эта посвящена человеку, не мы придумали пол, а наш любимый способ комбинировать гены - не единственный, изо бретенный природой. Есть вид простейших, Paramecium bursaria. например, обладающий особями восьми полов. Особь каждого иола не в состоянии скрещиваться с другими того же пола, но мо­жет передавать генетическую информацию особям остальных семи полов.

Однако у высших животных количество полов ограничено двумя (хотя оба пола иногда присутствуют в одном организме: животное с половыми органами обоих полов называется гермафродитом а дву полое растение - однодомным).

С точки зрения генетики, эти подробности не имеют значения.

Ъ пола одна функция: создавать генетическое разнообразие посред ством обмена генетической информацией, чтобы обеспечить способ ность популяции приспосабливаться к меняющимся условиям окру­жающей среды. '

Первым шагом к последующему обмену всегда бывает опреде­ление пола организма (в тех видах, у которых пол представляет от­дельный организм, как у Homo sapiens, например).

У большинства млекопитающих есть две различные, или гете роморфные, половые хромосомы: X и Y. Присутствие Y-хромосомы делает организм мужским. У женского организма имеется пара хро \ мосом XX, а их половые клетки, гаметы, всегда несут Х-хромосому;



ГЛАВА 14 Люди: как генетика влияет на нас

а у мужского пара хромосом XY, и в половых клетках может быть или Х-, или Y-хромосома. Самки — гомогаметные особи, а сам- цы — гетерогаметные.

Мужские гаметы определяют пол эмбриона, образующегося по­сле успешного оплодотворения яйцеклетки. Есть насекомые, птицы и рыбы, у которых самки бывают гетерогаметными, а самцы гомо- гаметны. Чтобы избежать путаницы, соответствующие хромосомы у этих видов называются Z и W, вместо X и Y.

Один специфический ген, определяющий пол, был установлен. Ген SRY (по <определяющему пол региону Y») расположен на ко­ротком плече Y-хромосомы и кодирует продукт, называемый TDI- - фактор, детерминирующий яички. В совокупности с другими ге­нами он кодирует связывающийся с ДНК белок, который, в свою очередь, регулирует выражение одного или нескольких генов, уча­ствующих в формировании яичек и способности к оплодотворению.

Из-за механизма, определяющего пол у человека, и очень боль­шого различия в размере X- и Y-хромосом (X несет от 2000 до 3000 генов, а на Y хромосоме расположено несколько дюжин генов) есть много признаков, гены которых расположены только на X хромосоме. Они не имеют соответствующих аналогов на Y-хромосоме. Есть не­сколько белков, гены которых расположены только на \ -хромосоме и не имеют аналогов на X хромосоме, но такие гены редки.

Признаки, сцепленные с полом, могут быть как доминантными, так и рецессивными. Сцепленные с полом признаки, кодируемые рецессивными генами на X хромосоме, обычно имеют три характе­ристики, которые сильно отличаются от характеристик признаков, кодируемых генами на аутосомах (неполовых хромосомах).

1 Обычно они чаще встречаются у самцов, чем у самок.

2. Они не появляются у самок, если отсутствовали у родителя по

отцовской линии.

3. Они редко встречаются у отца и сына, и только в том случае, если мать гетерозиготна.

Возможно, самый известный пример такого сцепленного с полом признака - гемофилия, болезнь, при которой нарушается нормаль­ное свертывание крови (другие примеры приведены в табл. 14.1).

Хромосома X несет рецессивные гены, контролирующие продук­цию двух факторов свертывания крови, называемых факторами VIII и IX Если девочка наследует Х-хромосому с отсутствием таких ге­нов, или они повреждены, то у нее остаются нормальные копии ге­нов на другой X-хромосоме, и гемофилии у нее не будет.



ГЕНЕТИКА без тайн

Дата добавления: 2015-08-28; просмотров: 17 | Нарушение авторских прав


5295100794309261.html
5295130749326994.html
    PR.RU™