Генетика и человекГенетика и человекРЕФЕРАТ на тему: Генетика и человек Выполнила слушательница 301 группы ИППК УрГУ БЕЛИЦКАЯ Ирина Викторовна 2004 год. ПЛАН: 1. Почему люди интересуются генетикой? 2. Классические законы Менделя. 3. Наследственность и изменчивость а) доминантный и рецессивный ген б) ДНК как основа наследственности. в) достижение и проблемы современной генетики. 4. Проект «Геном человека». 5. Генетические и средовые детерминанты когнитивного развития. 6. Генетика и проблемы рака. 7. Заключение Почему люди интересуются генетикой? Люди интересуются генетикой давно, правда, не всегда они называли вопросы наследования определенных признаков генетикой. Проще говоря, издревле человека интересовало, почему дети, как правило, похожи на своих родителей? И почему у ребенка вдруг могут проявиться черты далекого предка? Генетика (от греческого genesis, что значит происхождение) – это наука о наследственности и изменчивости живых организмов, обитающих на планете Земля. Почему на планете Земля? Потому что не известно, существует ли жизнь в той или иной форме еще где-либо во Вселенной. «Не из каждого дерева можно выточить Меркурия» – сказал Пифагор. Или как мы сегодня сказали бы, существует некая первичная, базовая индивидуальность, определяющая дальнейшее развитие человека. С древних времен люди пытались классифицировать типы человеческого характера. С античных времен существует физиогномика – учение о распознавании природных индивидуальных особенностей, в частности характера, по физическим характеристикам человека, по его внешнему облику. В середине XVII века итальянский врач К. Бальдо опубликовал первую работу по графологии «Рассуждения о способе узнавать обычаи и качества писавшего по его письму». Изучение почерка для самых разных задач, в том числе и психодиагностических, продолжается и теперь. Большинство психодиагностических показателей описаны еще Аристотелем и Гиппократом. Так что же в человеческом характере заложено изначально, а что формируется под влиянием среды? И, наконец, как взаимодействуют эти факторы в формировании тех или иных психологических функций. Этот вопрос поставила Анна Анастази в своей работе 1958 года «Среда, наследственность и вопрос «как»». Первая работа по генетике психологических признаков «Наследственный гений» Ф. Гальтона вышла в 1869 году и посвящена родословной выдающихся людей. Иначе говоря, в ней использован генеалогический метод. Он основан на простой логике: если какой либо признак кодируется в генах, то, чем ближе родство, тем более похожими друг на друга должны быть люди. Но само по себе семейное исследование, без объединения с другими методами, имеет очень низкую разрешающую способность. Будучи объединенными с близнецовым методом, семейные данные позволяют уточнить тип наследственной передачи – аддитивный или доминантный, или контролировать средовые переменные и т.д. Первая попытка использовать близнецов для решения проблемы «природа и воспитание» принадлежит Френсису Гальтону. Увлечение близнецами было довольно характерным явлением для того времени. Например, Э.Торндайк исследовал 15 пар близнецов и их единорожденных братьев и сестер. Результаты исследования привели Торндайка к выводу о выраженной наследуемости психических особенностей. Современный близнецовый метод выглядит следующим образом. Существуют два типа близнецов – гомозиготные и гетерозиготные. Гомозиготные близнецы развиваются из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом, то есть из одной зиготы. В норме из одной зиготы у человека развивается один плод, но по каким то причинам, до сих пор не совсем ясным науке, иногда на ранних стадиях деления зигота дает начало двум эмбриональным структурам, из которых в дальнейшем развиваются два полноценных организма. При этом каждый эмбрион получает точно половину родительских генов. Гомозиготные близнецы – единственные на Земле люди, имеющие одинаковый набор генов. Гетерозиготные близнецы с точки зрения генетики – сиблинги, родные братья и сестры, они развиваются из двух оплодотворенных яйцеклеток, то есть двух зигот. Отличие от нормы у гетерозиготных близнецов только в том, что они одновременно развиваются и рождаются. Как и все сиблинги, гетерозиготные близнецы имеют 50% общих генов. Постулируется равенство средовых воздействий в парах гомозиготных и гетерозиготных близнецов, так как они из одной семьи, одного возраста и пола, развиваются в одной и той же среде и, следовательно, ее влияние на близнецовые пары одинаково. Что позволяет выделить и оценить влияние фактора наследственности. Существует так же метод, называемый методом приемных детей. Лонгитюдное исследование приемных детей проводили Техасский и Колорадский Университеты, завершившие свои исследования в 1949 году. Сейчас метод приемных близнецов является теоретически наиболее чистым методом психогенетики, обладающим максимальной разрешающей способностью. Логика его проста: в исследование включаются дети, максимально рано отданные на воспитание чужим людям-усыновителям, их биологические родители и приемные. С первыми дети имеют, как родственники первой степени, приблизительно 50% общих генов, но не имеют никакой общей среды; со вторыми, наоборот, имеют общую среду, но не имеют общих генов. Больший удельный вес генетических детерминант проявится в большем сходстве ребенка со своими биологическими родителями. Если же превалируют средовые воздействия, то, напротив, ребенок будет больше похож на родителей- усыновителей. КЛАССИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ. Первые ответы на вопросы генетики дал не философ или физиолог, а чешский монах Грегор Мендель, преподававший физику и естественную историю в средней школе города Брно. Выращивал монах душистый горошек и знать не знал, думать не думал, что станет основоположником новой науки, создателем классических законов наследуемости: закона единообразия гибридов первого поколения, закона расщепления и закона независимого комбинирования. Мендель не был пионером в области изучения результатов скрещивания растений. Такие опыты проводились и до него, с той лишь разницей, что скрещивались растения разных видов. Потомки подобного скрещивания были стерильны, и описать оплодотворение и развитие гибридов второго поколения было, естественно, не возможно. Другой особенностью доменделевских работ было то, что большинство исследуемых признаков было слишком сложно и по типу наследования и с точки зрения их фенотипического выражения. Гениальность или удача Менделя заключалась в том, что он ухитрился не повторить ошибок своих предшественников. Как писала английская исследовательница Ш. Ауэрбах: « успех работы Менделя по сравнению с исследованиями его предшественников объясняется тем, что он обладал двумя существенными качествами, необходимыми для ученого: способностью задать нужный вопрос и способностью правильно истолковать данный природой ответ». В качестве экспериментальных растений Мендель использовал разные сорта декоративного гороха внутри одного рода Pisum, поэтому, растения, полученные в результате подобного скрещивания, оказались способными к воспроизводству. И в качестве экспериментальных признаков он выбрал простые качественные признаки типа цвет или текстура семян. Как потом выяснилось, эти признаки контролируются генами, содержавшими истинно доминантные аллели. Мендель экспериментировал с 22 разновидностями гороха, отличавшимися друг от друга по 7 признакам (цвет, текстура семян). Свою работу Meндель вел восемь лет, изучил 10 000 растений гороха. Все формы гороха, которые он исследовал, были представителями чистых линий; результаты скрещивания таких растений между собой всегда были одинаковы. Результат работы Мендель привел в статье 1865 г., которая стала краеугольным камнем генетики. Трудно сказать, что заслуживает большего восхищения в нем и его работе — строгость проведения экспериментов, четкость изложения результатов, совершенное знание экспериментального материала или знание бот его предшественников. Коллеги и современники Менделя не смогли оценить важности сделанных им выводов. По свидетельству А.Е. Гайсиновича, до конца XIX в. цитировали всего пять раз, и только один ученый — русский ботаник И.Ф. Шмальгаузен - оценил всю важность этой работы. Однако в начале XX столетия законы, открытые им, были переоткрыты практически одновременно и независимо друг от друга учеными К. Корренсом, Э. Чермаком К. де Фризом. 3начимость этих открытий сразу стала очевидна научному сообществу начала 1900-х годов; их признание было связано с определенными успехами цитологии и формированием гипотезы ядерной наследственности. Первый закон Менделя утверждает, что скрещивание особей, различающихся по данному признаку (гомозиготных по разным аллелям) генетически однородное потомство (поколение F1), все особи которого гетерозиготны. Все гибриды F1, могут иметь при этом либо фене одного из родителей (полное доминирование), как в опытах Менделя, либо, как было обнаружено позднее, промежуточный фенотип (неполное доминирование). В дальнейшем выяснилось, что гибриды первого поколения F1, могут проявить признаки обоих родителей (кодоминирование). Этот закон основан на том, что при скрещивании, гомозиготных по разным аллелям форм (АА и аа) все их потомки каковы по генотипу (гетерозиготны — Аа), а значит, и по фенотипу. Второй закон Менделя называют законом (независимого) расщепления. Суть его состоит в следующем. Когда у организма, гетерозиготного по исследуемому признаку, формируются половые клетки — гаметы, то одна их половина несет один аллель данного гена, а вторая — другой. Поэтому при скрещивании таких гибридов F1 между собой среди гибридов второго поколения F2 в определенных соотношениях появляются особи с фенотипами, как исходных родительских форм, так и F1. В основе этого закона лежит закономерное поведение пары гомологичных хромосом (с аллелями А и а), которое обеспечивает образование у гибридов F1 гамет двух типов, в результате чего среди гибридов F2 выявляются особи трех возможных генотипов в соотношении 1АА: 2Аа: 1аа. Иными словами, «внуки» исходных форм — двух гомозигот, фенотипически отличных друг от друга, дают расщепление по фенотипу в соответствии со вторым законом Менделя. Однако это соотношение может меняться в зависимости от типа наследования. Так, в случае полного доминирования выделяются 75% особей с доминантным и 25% с рецессивным признаком, т.е. два фенотипа в отношении 3:1. При неполном доминировании и кодоминировании 50% гибридов второго поколения F2 имеют фенотип гибридов первого поколения и по 25% — фенотипы исходных родительских форм, т.е. наблюдается расщепление 1:2:1. Третий закон Менделя говорит о том, что каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков первого поколения F2 в определенном соотношении появляются особи с новыми (по сравнению с родительскими) комбинациями признаков. Например, в случае полного доминирования при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, в следующем поколении F2 выявляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9:3:3:1. При этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а оставшиеся два – новые. Данный закон основан на независимом поведении (расщеплении) нескольких пар гомологичных хромосом. Парадоксально, но в современной науке огромное внимание уделяется не столько самому третьему закону Менделя в его исходной формулировке, сколько исключениям из него. Закон независимого комбинирования не соблюдается в том случае, если гены, контролирующие признаки, сцеплены, то есть располагаются по соседству друг с другом на одной и той же хромосоме и передаются по наследству как связанная пара элементов, а не как отдельные элементы. Научная интуиция Менделя подсказала ему, какие признаки должны быть выбраны для его дигибрибных экспериментов – он выбрал несцепленные признаки. Если бы он случайно выбрал признаки, контролируемые сцепленными генами, то его результаты были бы совсем иными, так как сцепленные признаки наследуются независимо друг от друга. Законы Менделя в их классической форме действуют при наличии определенных условий: 1) гомозиготность исходных скрещиваемых форм; 2) образование гамет гибридов всех возможных типов в равных соотношениях (обеспечивается правильным течением мейоза; одинаковой жизнеспособностью гамет всех типов; равной вероятностью встречи любых гамет при оплодотворении); 3) одинаковая жизнеспособность зигот всех типов. Нарушение этих условий может привести либо к отсутствию расщепления во втором поколении, либо к расщеплению в первом поколении, либо к искажению соотношений различных генотипов и фенотипов. Законы Менделя имеют универсальный характер для всех диплоидных организмов, размножающихся половым способом. Законы Менделя не универсальны, им подчиняются только относительно немногие генетически контролируемые признаки. Оказалось, что у человека большинство нормальных и патологических признаков детерминируются иными генетическими механизмами, которые стали обозначать термином «неменделевская генетика». Таких механизмов множество: хромосомные аберрации (синдром Дауна); наследование, сцепленное с полом (цветовая слепота); импритинг; появление новых мутаций (развитие раковых заболеваний); экспансия (инсерция) повторяющихся нуклеотидных последовательностей (миотоническая дистрофия); наследование количественных признаков (сложные поведенческие характеристики). В качестве небольшого отступления следует сказать, что с генетикой связаны и другие ожидания человечества, которое всегда стремилось изменить свою судьбу в лучшую сторону, преодолевая свои многочисленные проблемы, среди которых способность к убийству себе подобных, страх смерти и голод. Как правило, это стремление реализовывалось через насилие над собой, и чаще над другими людьми. И вот, сравнительно недавно люди задумались, что истинные причины несовершенства человека заключены не в окружающей среде и других людях, а в нем самом. На рубеже XIX и XX веков науке как таковой пророчили господство над миром. И действительно, ХХ век знаменовался великими открытиями и торжеством научных свершений. Это и успешные экспедиции на Луну, и увеличение средней продолжительности жизни в два раза, а так же достижение небывалой численности вида Homo sapiens. Двадцатый век должен был ответить на глобальные вопросы человечества, казалось, что еще немного и будет изобретена формула человеческого счастья, а на самом деле, прошедшее столетие поставило больше вопросов. И человечество ни на шаг не приблизилось к разгадке тайны человеческой души. Именно в прошедшем веке произошли самые страшные в истории человечества войны, унесшие жизни десятков миллионов людей. Именно наше время, время торжества политкорректности, когда Америка «победила» апартеид, а Россия антисемитизм, свою страшную жатву собирает терроризм. А «лицо кавказской национальности» на улицах Москвы без помощи машины времени попадает дикое средневековье. И именно двадцатый век так «богат» историями серийных убийц в сытой цивилизованной Америке и Европе. В конце двадцатого века триумфальные достижения генетики, которая доказала, что может изменить биологическую природу в принципе всех видов живых существ, привели к распространению надежды на то, что генетика будет управлять не только физическим, но и психическим здоровьем человека, судьбой всего человечества. Наследственность и изменчивость. Наследственность – это свойство организмов передавать потомству и воспроизводить родительские признаки в других поколениях. Основной путь наследования называется геномным, так как информация передается непосредственно через гены. При зачатии материнская яйцеклетка в десятки раз превышающая по размеру сперматозоид, передает дополнительную информацию дочерней клетке, такое наследование называется цитоплазматическим или митахондриальным. Открытие последнего типа наследования принадлежит молекулярному генетику А.К. Уилсону. Он пришел к поразительному даже для современной науки выводу, что все человечество произошло от одной женщины, жившей в восточной Африке 200-150 тысяч лет назад. Данные Уилсона о «митохондриальной Еве», хотя и вызвали естественное возражение ученых, были многократно подтверждены. Итак, при рождении ребенок получает 50% генов от матери, 50% от отца и дополнительную информацию, хранящуюся в цитоплазме материнской яйцеклетки. Существует еще так же эпигеномная наследственность, информация, которая передается другими путями. Для млекопитающих характерно воздействие на плод на эмбриональном уровне. Любая инфекция, болезнь, перенесенная матерью, влияет на плод. Например, если мать на первых месяцах переболела краснухой (достаточно безобидным, в общем, то заболеванием), у плода с 90% гарантией будут наблюдаться серьезные отклонения в физическом и психическом развитии. Или, если мать во время беременности страдает от так называемого диабета беременных, у ребенка тоже будет нарушен глюкагоновый обмен. В природе постоянно происходит колебание численности популяций: число особей в популяции то сокращается, то увеличивается. Эти процессы сменяют друг друга более или менее регулярно, поэтому их называют волнами жизни или популяционными волнами. В одних случаях они связаны с сезоном года (у многих насекомых, у однолетних растений). В других случаях волны наблюдаются через более длительные сроки и связаны с колебаниями климатических условий или урожаев кормов (массовое размножение белок, зайцев, мышей, насекомых). Иногда причиной изменения численности популяций являются лесной пожар, наводнение, очень сильные морозы или засухи. Волны эти совершенно случайно и резко изменяют в популяции концентрации редко встречающихся генов и генотипов. В период спада волн одни гены и генотипы могут исчезнуть полностью, притом случайно и независимо от их биологической ценности. А другие также случайно останутся и при том новом нарастании численности популяции резко повысят свою концентрацию. Популяционные волны, как и мутационный процесс, поставляют случайный, ненаправленный наследственный материал для борьбы за существование и естественного отбора. Дарвин отметил соотносительный характер наследственной изменчивости: длинные конечности животных почти всегда сопровождаются удлиненной шеей, у бесшерстных собак наблюдаются недоразвитые зубы. Связан с тем, что один и тот же ген оказывает влияние на формирование не одного, а двух и более признаков. В основе всех видов наследственной изменчивости лежит изменение гена или совокупности генов. Поэтому, проводя отбор по одному, нужному признаку, следует учитывать возможность появления в потомстве других, иногда нежелательных признаков, соотносительно с ним связанных. Неопределенная изменчивость, которая затрагивает хромосомы или гены, т.е. материальные основы наследственности, она обусловлена изменением генов или образованием новых комбинаций их в потомстве. мутации – обусловлены изменением генов комбинативная – вызван новой комбинацией генов в потомстве соотносительная – связана с тем, что один и тот же ген оказывает влияние на формирование не одного, а двух и более признаков. Наследственность и изменчивость, – разные свойства организмов, обусловливающие сходство и несходство потомства с родителями и с более отдаленными предками. Наследственность выражает устойчивость органических форм в ряду поколений, а изменчивость – их способность к преобразованию. Дивергенция (от ср. - век. Лат. Диверго – отклоняюсь), расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции. Результат обитания в разных условиях и неодинаково направленного Е.О. Понятие дивергенция введено Дарвином для объяснения многообразия сортов культурных растений, пород домашних животных и биологических видов В неопределенную изменчивость входит мутация. Особенности передачи наследственной информации определяются внутриклеточными процессами: митозом и мейозом. Митоз – это процесс распределения хромосом по дочерним клеткам в ходе клеточного деления. В результате митоза каждая хромосома родительской клетки удваивается, и идентичные копии расходятся по дочерним клеткам; при этом наследственная информация полностью передается от одной клетки к двум дочерним. Так происходит деление клеток в онтогенезе, т.е. процессе индивидуального развития. Мейоз – это специфическая форма клеточного деления, которая имеет место только при образовании половых клеток, или гамет (сперматозоидов и яйцеклеток). В отличие от митоза, число хромосом в ходе мейоза уменьшается вдвое; в каждую дочернюю клетку попадает лишь одна из двух гомологичных хромосом каждой пары, так что в половине дочерних клеток присутствует один гомолог, в другой половине – другой; при этом хромосомы распределяются в гаметах независимо друг от друга. (Гены митохондрий и хлоропластов не следуют закону равного распределения при делении.) При слиянии двух гаплоидных гамет (оплодотворении) вновь восстанавливается число хромосом – образуется диплоидная зигота, которая от каждого из родителей получила по одинарному набору хромосом. Доминантный и рецессивный ген. Наиболее важным методом генетики остаётся метод скрещивания (гибридологический), который широко применял ещё Г. Мендель. С помощью этого метода выявляются доминантные и рецессивные гены, специальные гены, сцепленные гены, (в этом числе сцепленные с полом), определяется генотип организма. Цитогенетический метод получил широкое развитие в течение ХХ в. он основан на изучении размеров и формы хромосом различных организмов. Нередко в строении хромосом и их количестве приводят к серьёзным отклонениям в развитии организма. Например, цитогеническим методом установлены причины болезни Дауна у человека. Эту болезнь вызывает наличие лишней хромосомы в одной из хромосомных пар. В генетике человека нередко применяется генеалогический метод - изучение родословных. Он позволяет выявить доминированность или рецессивность гена, сцепленность генов между собой и с полом. В клетках человека имеются 23 пары хромосом. 22 пары одинаковы у женщин и мужчин. 23-я пара у женщин содержит две одинаковые хромосомы (их называют Х-хромосомами), а у мужчин - две разные хромосомы (Х-хромосому и Y- хромосому). Эти хромосомы, по которым отличаются между собой мужчины и женщины, называются половыми. В половые клетки попадает только хромосома из каждой пары. Поэтому мужские половые клетки у человека несут в себе или Х-хромосому, или Y-хромосому. От того, с какой из этих клеток сольётся при оплодотворении женская половая клетка (всегда несущая Х- хромосому), будет зависеть пол зародыша. Женщина получает две Х- хромосомы: одну от отца и одну от матери. Мужчина получает одну Х- хромосому от матери и одну Y-хромосому от отца. Некоторые признаки определяются генами, которые находятся в половых хромосомах. Такие признаки называются признаками, сцепления с полом. Например, у человека в Х-хромосомах встречается рецессивный ген, вызывающий тяжёлую болезнь - не свёртываемость крови (гемофилию). Этот рецессивный ген обычно проявляется только у мужчин. Биологи различают наследственные и ненаследственные изменения организма. Наследственная изменчивость называется также модификационной. Она проявляется под прямым действием внешней среды. Облик организма определяется множеством условий, в том числе температурой окружающей среды, характером питания, избытком или недостатком солнечного света и т.д. например, под действием солнечных лучей кожа человека приобретает загар, становится темнее (потомству этот смуглый цвет кожи не передаётся). Однако кожа европейца никогда не сможет стать столь же тёмной, как кожа африканца. Модификационная изменчивость имеет свои пределы, которые называются нормой реакции. У различных организмов норма реакции может отличаться, она определяется генотипом. К наследственной изменчивости относятся комбинаторная изменчивость. Она связана с образованием новых сочетаний генов в процессе кроссинговера. Сами гены при этом типе изменчивости не изменяются. Но наибольшее значение для эволюции имеет мутации генов и хромосом - возникают случайно и достаточно редко. Чаще всего мутации неблагоприятны для организации и могут даже повлечь его гибель (летальные мутации). Некоторые вполне здоровые люди могут быть носителями летальных или полулетальных мутаций, которые проявляются у их потомков. (Наиболее известный пример - гемофилия, о чём сказано выше). Поэтому для предупреждения наследственных заболеваний у будущих детей молодые супружеские пары нередко проходят специальное генетическое обследование. По наследству чаще всего передают мутации, которые возникают в половых клетках. Однако и в соматических клетках тоже возможны мутации. Массовые мутации возникают под влиянием радиации, а также под действием различных вредных и ядовитых веществ (в том числе алкоголя, никотина, наркотиков). Мутации в соматических клетках часто вызывают раковые заболевания (именно поэтому курильщики гораздо чаще заболевают раком). Мутации в половых клетках приводят к появлению потомства, частично нежизнеспособного, а частично - страдающего от врождённых генетических дефектов. Чрезвычайно редкими исключениями являются полезные мутации. Однако именно полезные мутации предоставляют их носителям преимущества в ходе естественного отбора и создают материал для эволюции. ДНК как основа наследственности. О природе наследственности на протяжении истории человечества высказывались самые разнообразные предположения. Однако в сороковых годах XX века было установлено, что материальным носителем наследственной информации является ДНК, в молекуле которой зашифрованы признаки, присущие данному виду организмов во всем их многообразии. Каждый из нас состоит примерно из 10 в пятнадцатой степени клеток. Это своего рода империя клеток, каждая из которых представляет собой миниатюрную фабрику для производства белков. Молекулы белков похожи на длинные цепочки бус, в которых роль отдельных звеньев играют 20 различных аминокислот, способных соединяться между собой в любом порядке. Если сравнить аминокислоты с буквами алфавита, то белки будут похожи на составленные из них слова, только очень длинные. Число различных вариантов белков, составленных всего из пяти аминокислот, уже превышает три миллиона. В состав же среднего белка входит 100-200 аминокислот. Понятно, что разнообразие цепочек такой длины будет измеряться уже астрономическими числами. Человеческий организм состоит из приблизительно трех тысяч белков. Информация о строении белка сводится, по сути, к последовательности аминокислот, из которых он состоит. Информация об аминокислотном составе белков организма записана в молекулах ДНК (Дезоксирибо Нуклеиновая Кислота). Любой полимер состоит из мономеров – мономеры ДНК называются нуклеотидами (от латинского nucleus – ядро). В популярной литературе ДНК – «молекулу жизни» часто сравнивают с очень длинным текстом. Только в отличие от обычных текстов, текст ДНК написан не тридцатью тремя «буквами», а всего лишь четырьмя. Их роль играют особые химические соединения, азотистые основания аденин, тимин, гуанин и цитозин. Молекула ДНК является двойной, она состоит из двух закрученных друг относительно друга цепочек. Любой аденин, расположенный на одной цепи, соединяется при этом с противоположным ему тимином на другой цепочке двумя химическими связями, а гуанин с цитозином – тремя. Отрезок ДНК, на котором записана информация об одном белке, называется геном. Иначе говоря, информация о каждом белке человеческого организма хранится на своем отрезке молекулы ДНК. Всю генетическую информацию клетки или организма называют генотипом. Внешнее проявление этой информации, то есть белки, ткани, органы, а так же показатели типа размер, цвет, форма, составляют фенотип (от греческого phaino – являю). Фенотип – совокупность признаков организма, которые можно зарегистрировать, взвесить, измерить. Правильное положение каждого из четырех знаков аденина, тимина, гуанина и цитозина в ДНК и их точная связь со знаками на противоположной цепочке чрезвычайно важны для правильной работы клетки. Каждые три знака кодируют одну аминокислоту и изменения даже одного знака в ДНК клетка начнет производить белок, в котором одна аминокислота может быть заменена на другую. Если же аминокислота играет в данном белке ключевую роль, его работа будет существенно нарушена: в лучшем случае клетка окажется неспособной выполнять необходимую работу, а в худшем – начнет при этом бесконтрольно размножаться, что послужит началом образования опухоли. ДНК не случайно образно называют «нитью жизни». На фотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа, она действительно напоминает тонкую ниточку. Чем сложнее организм, тем длиннее у него общая протяженность нити ДНК. Понять эту закономерность не сложно – у более высокоорганизованного существа должно быть больше белков. Следовательно, и протяженность ДНК, с помощью которой хранится информация об этих белках, будет у него больше. У большинства бактерий, например, нить ДНК совсем коротенькая и свернута в виде колечка. Человеческая нить ДНК в длину около метра, чтобы поместиться в клетке ей придется очень сильно скрутиться, наподобие клубка. Такими «клубками» ДНК в наших клетках являются хромосомы. В переводе с греческого хромосома – окрашенное тело. Их действительно удается окрашивать с помощью особых методик, и тогда у делящихся клеток они становятся хорошо видимыми под микроскопом. Неудивительно, что видны они именно в момент деления, ведь в этот, относительно недолгий период времени хромосомы буквально «растаскиваются» по разным концам клетки. Поэтому нить ДНК в это время «смотана» наиболее компактно. У молодой, только что разделившейся клетки, хромосомы уже не видны, ее ДНК «расплетается», разворачивается для того, чтобы все ее гены были доступны для работы. Деление клеток и их работа находятся в определенном противоречии. Часть клеток постоянно делится – их называют стволовыми клетками. Другая же часть, образующаяся в результате таких делений, специализируется на определенной работе и уже не делится вплоть до своей гибели. К неделящимся клеткам относятся, например, мышечные клетки сердца или нервные клетки. НЕ случайно про последние говорят, что они не восстанавливаются. Стволовые клетки постоянно работают в глубине кожи или в стенках кишечника, благодаря чему и происходит регулярное обновление эпидермиса и слизистой выстилки кишок. Перед началом деления каждая нить ДНК успевает построить свою копию. Зачем эти нити компактно сворачиваются, и получается пара совершенно одинаковых хромосом. Заслуга Менделя состоит еще и в том, что он дал в руки генетиков мощный метод исследования наследственных признаков – гибридологический анализ, т.е. метод изучения генов путем анализа признаков потомков от определенных скрещиваний. В основе законов Менделя и гибридологического анализа лежат события, происходящие в мейозе: альтернативные аллели находятся в гомологичных хромосомах гибридов и потому расходятся поровну. Именно гибридологический анализ определяет требования к объектам общих генетических исследований: это должны быть легко культивируемые организмы, дающие многочисленное потомство и имеющие короткий репродуктивный период. Таким требованиям среди высших организмов отвечает плодовая мушка дрозофила – Drosophila melanogaster. На многие годы она стала излюбленным объектом генетических исследований. Усилиями генетиков разных стран на ней были открыты фундаментальные генетические явления. Было установлено, что гены расположены в хромосомах линейно и их распределение у потомков зависит от процессов мейоза; что гены, расположенные в одной и той же хромосоме, наследуются совместно (сцепление генов) и подвержены рекомбинации (кроссинговер). Открыты гены, локализованные в половых хромосомах, установлен характер их наследования, выявлены генетические основы определения пола. Обнаружено также, что гены не являются неизменными, а подвержены мутациям; что ген – сложная структура и имеется много форм (аллелей) одного и того же гена. Затем объектом более скрупулезных генетических исследований стали микроорганизмы, на которых стали изучать молекулярные механизмы наследственности. Так, на кишечной палочке Escheriсhia coli было открыто явление бактериальной трансформации – включение ДНК, принадлежащей клетке донора, в клетку реципиента – и впервые доказано, что именно ДНК является носителем генов. Была открыта структура ДНК, расшифрован генетический код, выявлены молекулярные механизмы мутаций, рекомбинации, геномных перестроек, исследованы регуляция активности гена, явление перемещения элементов генома и др. Наряду с указанными модельными организмами генетические исследования велись на множестве других видов, и универсальность основных генетических механизмов и методов их изучения была показана для всех организмов – от вирусов до человека. Достижения и проблемы современной генетики На основе генетических исследований возникли новые области знания (молекулярная биология, молекулярная генетика), соответствующие биотехнологии (такие, как генная инженерия) и методы (например, полимеразная цепная реакция), позволяющие выделять и синтезировать нуклеотидные последовательности, встраивать их в геном, получать гибридные ДНК со свойствами, не существовавшими в природе. Получены многие препараты, без которых уже немыслима медицина. Разработаны принципы выведения трансгенных растений и животных, обладающих признаками разных видов. Стало возможным характеризовать особей по многим полиморфным ДНК-маркерам: микросателлитам, нуклеотидным последовательностям и др. Большинство молекулярно-биологических методов не требуют гибридологического анализа. Однако при исследовании признаков, анализе маркеров и картировании генов этот классический метод генетики все еще необходим. Как и любая другая наука, генетика была и остается оружием недобросовестных ученых и политиков. Такая ее ветвь, как евгеника, согласно которой развитие человека полностью определяется его генотипом, послужила основой для создания в 1930–1960-е годы расовых теорий и программ стерилизации. Напротив, отрицание роли генов и принятие идеи о доминирующей роли среды привело к прекращению генетических исследований в СССР с конца 1940-х до середины 1960-х годов. Сейчас возникают экологические и этические проблемы в связи с работами по созданию «химер» – трансгенных растений и животных, «копированию» животных путем пересадки клеточного ядра в оплодотворенную яйцеклетку, генетической «паспортизации» людей и т.п. В ведущих державах мира принимаются законы, ставящие целью предотвратить нежелательные последствия таких работ. Современная генетика обеспечила новые возможности для исследования деятельности организма: с помощью индуцированных мутаций можно выключать и включать почти любые физиологические процессы, прерывать биосинтез белков в клетке, изменять морфогенез, останавливать развитие на определенной стадии. Мы теперь можем глубже исследовать популяционные и эволюционные процессы, изучать наследственные болезни, проблему раковых заболеваний и многое другое. В последние годы бурное развитие молекулярно- биологических подходов и методов позволило генетикам не только расшифровать геномы многих организмов, но и конструировать живые существа с заданными свойствами. Таким образом, генетика открывает пути моделирования биологических процессов и способствует тому, что биология после длительного периода дробления на отдельные дисциплины вступает в эпоху объединения и синтеза знаний. Геном человека. Международные проект «Геном человека» был начат в 1988 г. Это один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов в истории науки. Если в 1990 г. на него было потрачено около 60 млн. долларов в целом, то в 1998 г. одно только правительство США израсходовало 253 млн. долларов, а частные компании – и того больше. В проекте задействованы несколько тысяч ученых из более чем 20 стран. С 1989 г. в нем участвует и Россия, где по проекту работает около 100 групп. Все хромосомы человека поделены между странами- участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы. Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е. полностью картировать все гены человека. Проект включает в качестве подпроектов изучение геномов собак, кошек, мышей, бабочек, червей и микроорганизмов. Ожидается, что затем исследователи определят все функции генов и разработают возможности использования полученных данных. Что же представляет собой основной предмет проекта – геном человека? Известно, что в ядре каждой соматической клетки (кроме ядра ДНК есть еще и в митохондриях) человека содержится 23 пары хромосом, каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке равна приблизительно 2 м, они содержат около 3,2 млрд. пар нуклеотидов. Общая длина ДНК во всех клетках человеческого тела (их примерно 5х1013) составляет 1011 км, что почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца. Как же помещаются в ядре такие длиннющие молекулы? Оказывается, в ядре существует механизм «насильственной» укладки ДНК в виде хроматина - уровни компактизации (рис. 1). [pic] Рис. 1. Уровни упаковки хроматина Первый уровень предполагает организацию ДНК с гистоновыми белками – образование нуклеосом. Две молекулы специальных нуклеосомных белков образуют октамер в виде катушки, на которую наматывается нить ДНК. На одной нуклеосоме размещается около 200 пар оснований. Между нуклеосомами остается фрагмент ДНК размером до 60 пар оснований, называемый линкером. Этот уровень укладки позволяет уменьшить линейные размеры ДНК в 6–7 раз. На следующем уровне нуклеосомы укладываются в фибриллу (соленоид). Каждый виток составляет 6-7 нуклеосом, при этом линейные размеры ДНК уменьшаются до 1 мм, т.е. в 25-30 раз. Третий уровень компактизации – петельная укладка фибрилл – образование петельных доменов, которые под углом отходят от основной оси хромосомы. Их можно увидеть в световой микроскоп как интерфазные хромосомы типа «ламповых щеток». Поперечная исчерченность, характерная для митотических хромосом, отражает в какой-то степени порядок расположения генов в молекуле ДНК. Если у прокариот линейные размеры гена согласуются с размерами структурного белка, то у эукариот размеры ДНК намного превосходят суммарные размеры значимых генов. Это объясняется, во-первых, мозаичным, или экзон-интронным, строением гена: фрагменты, подлежащие транскрипции – экзоны, перемежаются незначащими участками – интронами. Последовательность генов сначала полностью транскрибируется синтезирующейся молекулой РНК, из которой затем вырезаются интроны, экзоны сшиваются и в таком виде информация с молекулы иРНК считывается на рибосоме. Второй причиной колоссальных размеров ДНК является большое количество повторяющихся генов. Некоторые повторяются десятки или сотни раз, а есть и такие, у которых встречается до 1 млн. повторов на геном. Например, ген, кодирующий рРНК повторяется около 2 тыс. раз. Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не более 60 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена. Каковы же достижения ученых за десять с небольшим лет работы над проектом? Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 г. генома бактерии Haemophilus influenzae. Позднее были полностью описаны геномы еще более 20 бактерий, среди которых возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 г. картировали ДНК первой эукариотической клетки – дрожжей, а в 1998 г. впервые был картирован геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolitis elegans. К 1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене человека, т.е. расшифрована примерно половина генетической информация человека. Полученные данные позволили впервые реально оценить функции генов в организме человека (рис. 2). [pic] Рис. 2. Примерное распределение генов человека по их функциям. 1 – производство клеточных материалов; 2 – производство энергии и ее использование; 3 – коммуникации внутри и вне клеток; 4 – защита клеток от инфекций и повреждений; 5 – клеточные структуры и движение; 6 – воспроизводство клеток; 7 – функции не выяснены В таблице 1 приведены известные данные по количеству генов, вовлеченных в развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека. Таблица 1 Название органа, ткани, клетки Количество генов 1. Слюнная железа 17 2. Щитовидная железа 3 584 3. Гладкая мускулатура 127 4. Молочная железа 696 5. Поджелудочная железа 1094 6. Селезенка 1094 7. Желчный пузырь 788 8. Тонкий кишечник 297 9. Плацента 1290 10. Скелетная мышца 735 11. Белая кровяная клетка 2164 12. Семенник 370 13. Кожа 620 14. Мозг 3195 15. Глаз 547 16. Легкие 1887 17. Сердце 1195 18. Эритроцит 8 19. Печень 2091 20. Матка 1859 За последние годы были созданы международные банки данных о последовательностях нуклеотидов в ДНК различных организмов и о последовательностях аминокислот в белках. В 1996 г. Международное общество секвенирования приняло решение о том, что любая вновь определенная последовательность нуклеотидов размером 1–2 тыс. оснований и более должна быть обнародована через Интернет в течение суток после ее расшифровки, в противном случае статьи с этими данными в научные журналы не принимаются. Любой специалист в мире может воспользоваться этой информацией. В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время автоматизировано, что значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти же методы анализа могут использоваться и для других целей: в медицине, фармакологии, криминалистике и т.д. Остановимся на некоторых конкретных достижениях проекта, в первую очередь, конечно, имеющих отношение к медицине и фармакологии. В мире каждый сотый ребенок рождается с каким-либо наследственным дефектом. К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний человека, из которых более 3 тыс. – наследственные. Уже выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли. Обнаружены гены, ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. В таблице 2 приведены некоторые болезни, возникающие в результате повреждения генов, структура которых полностью расшифрована к 1997 г. Таблица 2 Название болезни 1. Хpoнический грануломатоз 2. Кистозный фиброз 3. Болезнь Вильсона 4. Ранний рак груди/яичника 5. Мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса 6. Атрофия мышц позвоночника 7. Альбинизм глаза 8. Болезнь Альцгеймера 9. Наследственный паралич 10. Дистония Вероятно, в ближайшие годы станет возможной сверхранняя диагностика тяжелых заболеваний, а значит, и более успешная борьба с ними. Сейчас активно разрабатываются методы адресной доставки лекарств в пораженные клетки, замены больных генов здоровыми, включения и выключения боковых путей метаболизма за счет включения и выключения соответствующих генов. Уже известны примеры успешного применения генотерапии. Так, например, удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена. Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к профессиональным заболеваниям. Оказалось, что предрасположенность к алкоголизму или наркомании тоже может иметь генетическую основу. Открыто уже семь генов, повреждения которых связаны с возникновением зависимости от химических веществ. Из тканей больных алкоголизмом был выделен мутантный ген, который приводит к дефектам клеточных рецепторов дофамина – вещества, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Недостаток дофамина или дефекты его рецепторов напрямую связаны с развитием алкоголизма. В четвертой хромосоме обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию раннего алкоголизма и уже в раннем детстве проявляются в виде повышенной подвижности ребенка и дефицита внимания. Интересно, что мутации генов не всегда приводят к негативным последствиям – они иногда могут быть и полезными. Так, известно, что в Уганде и Танзании инфицированность СПИДом среди проституток доходит до 60–80%, но некоторые из них не только не умирают, но и рожают здоровых детей. Видимо, есть мутация (или мутации), защищающая человека от СПИДа. Люди с такой мутацией могут быть инфицированы вирусом иммунодефицита, но не заболевают СПИДом. В настоящее время создана карта, примерно отражающая распределение этой мутации в Европе. Особенно часто (у 15% населения) она встречается среди финно-угорской группы населения. Идентификация такого мутантного гена могла бы привести к созданию надежного способа борьбы с одним из самых страшных заболеваний нашего века. Выяснилось также, что разные аллели одного гена могут обуславливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства определенных лекарств, предназначенных различным группам пациентов. Это поможет устранить побочные реакции от лекарств, точнее, понять механизм их действия, снизить миллионные затраты. Целая новая отрасль – фармакогенетика – изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут ослабить или усилить воздействие лекарств. Расшифровка геномов бактерий позволяет создавать новые действенные и безвредные вакцины и качественные диагностические препараты. Конечно, достижения проекта «Геном человека» могут применяться не только в медицине или фармацевтике. По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который позволяет идентифицировать человека по следовым количествам крови, чешуйкам кожи и т.п. Этот метод с успехом применяется в криминалистике – уже тысячи людей оправданы или осуждены на основании генетического анализа. Сходные подходы можно использовать в антропологии, палеонтологии, этнографии, археологии и даже в такой, казалось бы, далекой от биологии области, как сравнительная лингвистика. В результате проведенных исследований появилась возможность сравнивать геномы бактерий и различных эукариотических организмов. Выяснилось, что в процессе эволюционного развития у организмов увеличивается количество интронов, т.е. эволюция сопряжена с «разбавлением» генома: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и все больше участков, не имеющих ясного функционального значения (интроны). Это одна из больших загадок эволюции. Раньше ученые–эволюционисты выделяли две ветви в эволюции клеточных организмов: прокариоты и эукариоты. В результате сравнения геномов пришлось выделить в отдельную ветвь архебактерии – уникальные одноклеточные организмы, сочетающие в себе признаки прокариот и эукариот. В настоящее время также интенсивно изучается проблема зависимости способностей и талантов человека от его генов. Главная задача будущих исследований – это изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в клетках разных органов и выявление различий между людьми на генетическом уровне. Это позволит создавать генные портреты людей и, как следствие, эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различия между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической обстановке и т.д. Напоследок необходимо упомянуть об опасности распространения генетической информации о конкретных людях. В связи с этим в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие распространение такой информации, и юристы всего мира работают над этой проблемой. Кроме того, проект «Геном человека» иногда связывают с возрождением евгеники на новом уровне, что тоже вызывает тревогу специалистов. Анализ генома человека завершен. В Вашингтоне 6 апреля 2000 г. состоялось заседание комитета по науке Конгресса США, на котором д-р Дж.Крейг Вентер заявил, что его компания, Celera Genomics, завершила расшифровку нуклеотидных последовательностей всех необходимых фрагментов генома человека. Он ожидает, что предварительная работа по составлению последовательностей всех генов (их около 80 тыс., и они содержат примерно 3 млрд. «букв» ДНК) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось. Скорее всего, окончательная расшифровка генома человека будет завершена к 2003 г. Компания Celera включилась в исследования по проекту «Геном человека» 22 месяца назад. Используемые ею подходы сначала подвергались критике со стороны так называемого открытого консорциума участников проекта, однако завершенный ею в прошлом месяце подпроект по расшифровке генома плодовой мушки показал их действенность. На этот раз никто не критиковал прогнозы К.Вентера, сделанные им в присутствии советника президента США по науке д-ра Н.Лэйна и представителя консорциума, крупнейшего специалиста по секвенированию генома д-ра Роберта Ватерстона. Предварительная карта генома будет содержать около 90% всех генов, но, тем не менее, она будет большим подспорьем в работе ученых и врачей, поскольку позволит довольно точно отыскивать необходимые гены. Д-р Вентер заявил, что теперь собирается использовать свои 300 секвенаторов для анализа генома мыши, знание которого поможет понять, как работают гены человека. Расшифрованный геном принадлежит мужчине, поэтому содержит как X-, так и Y-хромосомы. Имя этого человека не известно, и это не имеет значения, т.к. обширные данные по индивидуальной изменчивости ДНК собраны и продолжают собираться как компанией Celera, так и консорциумом исследователей. Между прочим, консорциум использует в своих исследованиях генетический материал, полученный от различных людей. Д-р Вентер охарактеризовал полученные консорциумом результаты как 500 тыс. расшифрованных, но не упорядоченных фрагментов, из которых очень трудно будет составить целые гены. Д-р Вентер заявил, что после того, как структура генов будет определена, он устроит конференцию для того, чтобы привлечь сторонних экспертов к установлению положения генов в молекулах ДНК и определению их функций. После этого другие исследователи получат бесплатный доступ к данным по геному человека. Между Вентером и консорциумом исследователей велись переговоры о совместной публикации полученных результатов, причем один из основных пунктов соглашения должен был предусматривать, что патентование генов возможно лишь после точного определения их функций и положения в ДНК. Однако переговоры были прерваны из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. Проблема состоит в том, что в ДНК эукариот, в отличие от ДНК прокариот, есть фрагменты, которые не поддаются расшифровке современными методами. Размеры таких фрагментов могут быть от 50 до 150 тыс. оснований, но, к счастью, эти фрагменты содержат очень немного генов. В то же время и в участках ДНК, богатых генами, есть фрагменты, которые также не могут быть пока расшифрованы. Определение положения и функций генов предполагается осуществить с помощью специальных компьютерных программ. Эти программы будут анализировать структуру генов и, сравнивая ее с данными по геномам других организмов, предлагать варианты их возможных функций. По мнению компании Celera, работу можно считать завершенной, если гены определены практически полностью и точно известно, как расшифрованные фрагменты располагаются на молекуле ДНК, т.е. в каком порядке. Этому определению удовлетворяют результаты Celera, в то время как результаты консорциума не позволяют однозначно определить положение расшифрованных участков относительно друг друга. Компания Celera предполагает после составления полной карты генома человека сделать эти данные доступными для других исследователей по подписке, при этом для университетов плата за пользование банком данных будет очень низкой, 5–15 тыс. долларов в год. Это составит серьезную конкуренцию базе данных Genbank, принадлежащей университетам. Участники заседания комитета по науке резко критиковали такие компании, как Incyte Pharmaceuticals и Human Genome Sciences, которые каждую ночь копировали данные консорциума, доступные по Интернету, а затем подавали заявки на патентование всех генов, обнаруженных ими в этих последовательностях. На вопрос, не могут ли данные о геноме человека быть использованы для создания биологического оружия нового типа, например, опасного только для некоторых популяций, д-р Вентер ответил, что гораздо большую опасность представляют данные по геномам болезнетворных бактерий и вирусов. На вопрос одного из конгрессменов, не станет ли теперь реальностью целенаправленное изменение человеческой расы, д-р Вентер ответил, что для полного определения функций всех генов может потребоваться около ста лет, а до тех пор о направленных изменениях в геноме говорить не приходится. Напомним, что в декабре 1999 г. исследователи Великобритании и Японии объявили об установлении структуры 22-й хромосомы. Это была первая декодированная хромосома человека. Она содержит 33 млн. пар оснований, и в ее структуре остались нерасшифрованными 11 участков (около 3% длины ДНК). Для этой хромосомы определены функции примерно половины генов. Установлено, например, что с дефектами этой хромосомы связано 27 различных заболеваний, среди которых такие, как шизофрения, миелоидная лейкемия и трисомия 22 – вторая по значению причина выкидышей у беременных. В то время британские ученые резко критиковали методы секвенирования, используемые компанией Celera, считая, что они потребуют слишком длительного времени для расшифровки последовательностей и определения взаимного расположения их фрагментов. Тогда на основе известного объема декодированного материала делались прогнозы, что следующими будут картированы 7-, 20- и 21-й хромосомы. Через неделю после объявления о завершении расшифровки нуклеотидных последовательностей в геноме человека, состоялось собрание Американской ассоциации за прогресс в науке, на которой министр по энергетике США Билл Ричардсон объявил, что ученые Объединенного института генома определили структуры 5-, 16- и 19-й хромосом человека. Эти хромосомы содержат примерно 300 млн. пар оснований, что составляет 10–15 тыс. генов, или около 11% генетического материала человека. Пока удалось картировать 90% ДНК этих хромосом – остались не поддающиеся дешифровке участки, содержащие незначительное число генов. На картах хромосом обнаружены генетические дефекты, которые могут приводить к некоторым заболеваниям почек, раку простаты и прямой кишки, лейкемии, гипертонии, диабету и атеросклерозу. По словам Ричардсона, ближе к лету информация о структуре хромосом будет доступна всем исследователям бесплатно. Генетические и средовые детерминанты когнитивного развития: лонгитюдный анализ. В последние годы появился ряд работ, свидетельствующих о существенном вкладе наследственных факторов в процесс развития когнитивных характеристик человека. В одном из первых лонгитюдных исследований умственного развития близнецов [8,c. 298-316] было обнаружено большее сходство профилей умственного развития МЗ близнецов, чем ДЗ близнецов. Методологическое значение этого факта трудно переоценить, поскольку он неопровержимо свидетельствует об участии генома в процессе психического развития. Последующие работы подтвердили эти данные. Было также показано, что с возрастом влияние генотипа и индивидуальной среды на индивидуальные особенности когнитивных характеристик увеличивается, а влияние общей Среды уменьшается. К сожалению, в генетике поведения лонгитюдные исследования, позволяющие одновременно проследить возрастные изменения психологических характеристик и понять природу этих изменений, немногочисленны, и практически все они выполнены либо на американской, либо на европейской популяциях. Вместе с тем известно, что полученные закономерности могут быть верны лишь по отношению к исследованной популяции и не могут автоматически переносится на другие. Лонгитюдные исследования когнитивной сферы на близнецах русской популяции до настоящего времени не проводились. Целью данного лонгитюдного проекта было выяснение характера генетического контроля когнитивных характеристик в ходе развития от дошкольного до подросткового возраста. Методика Выборка МЗ и ДЗ близнецов Москвы (размер выборки указан в таблице 1) принимала участие в лонгитюдном исследовании с 1987 года. Каждый участник лонгитюдного исследования проходил обследование четыре раза – в 6, 7, 10 и 13-14 лет. В программу исследования входили следующие блоки методик: а) социо-демографические параметры семьи (опросники, заполнявшиеся матерями близнецов); б) средовые особенности развития близнецов (опросник, заполнявшийся матерями близнецов); г) уровень полового созревания близнецов (опросник, заполнявшийся матерями близнецов); д) психометрический интеллект диагностировался с помощью русской версии детского варианта теста Векслера – WISC (индивидуальное тестирование близнецов); е) особенности когнитивной сферы – 10 методик, позволяющих оценить структуру когнитивных свойств детей и подростков (индивидуальное тестирование близнецов); ж) особенности личностной сферы близнецов (опросники, заполнявшиеся близнецами и индивидуальное тестирование близнецов). Блок методик, направленных на диагностики когнитивного развития детей, содержал разные по содержанию характеристики, однако в данной работе мы остановимся (в связи с ограниченным объемом статьи) лишь на анализе показателей психометрического интеллекта. Обследование близнецов проводилось дома. Эксперимент с членами одной пары проводился разными экспериментаторами для того, чтобы избежать тенденции к более сходному оцениванию МЗ близнецов. Обследование одной близнецовой пары занимало в среднем 5 часов. Для оценки внутрипарного сходства близнецов вычисляли коэффициенты внутриклассовой корреляции Фишера и на их основе коэффициенты наследуемости. Таблица 1. Распределение количества обследованных пар близнецов по годам (Увеличение выборки в 3-й и 4-й точках связано с ее пополнением новыми парами) [pic] Результаты Таблица 2. Результаты генетического анализа показателей теста Векслера в возрасте 14 лет* [pic] * r – коэффициенты внутрипарного сходства МЗ и ДЗ близнецов; H, C и E – компоненты фенотипической дисперсии: H – показатель наследуемости, C – показатель среды, общей для близнецов одной пары; E – показатель индивидуальной среды. В тех случаях, когда H < 2(r МЗ – r ДЗ), показатель наследуемости указывается как равный r МЗ. В этих случаях общая среда не выделяется, а оставшиеся две компоненты дисперсии подчеркнуты. В показателях компонент фенотипической дисперсии нули и запятые, отделяющие десятичные знаки, опущены (аналогично в последующих таблицах). Показатели H, C, E вычислялись по следующим формулам H=2(rMZ – rDZ); C=rMZ-H, E=1- (H+C) [7]. Результаты генетического анализа 4 точки лонгитюдного исследования представлены в таблице 2. Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что в 5 из 6 невербальных субтестов (последние 6 субтестов в таблице) и в суммарном показателе невербального интеллекта удвоенная разность внутрипарных корреляций МЗ и ДЗ близнецов превышает внутрипарное сходство МЗ. Это свидетельствует о неаддитивности наследования показателей невербального интеллекта или (и) о направленных средовых воздействиях, увеличивающих сходство средовых условий МЗ близнецов. Эта тенденция во внутрипарных корреляциях МЗ близнецов (превышение более, чем в два раза аналогичных показателей ДЗ близнецов) появляется с 7-летнего возраста и усиливается к 14 годам. Суммарные показатели интеллекта обнаруживают значительный вклад генотипа в их вариативность, причем вариативность показателей вербального интеллекта обусловлена генотипом в меньшей степени, чем показателей невербального. Это соответствует результатам, полученным в более младших возрастах. Возрастная динамика показателей наследуемости и среды представлена в таблице 3. Как видно по представленным в таблице данным, возрастные изменения соотношений наследственных и средовых факторов имеют нелинейный характер. Изменения, происходящие в ходе развития с показателями наследуемости, сопровождаются также и возрастными изменениями уровня стабильности показателей интеллекта. Таблица 3. Возрастная динамика показателей наследуемости интеллекта [pic] Для оценки межвозрастной устойчивости суммарных показателей интеллекта подсчитывались ранговые корреляции по Спирмену. Для этого все участвовавшие в исследовании близнецы были разделены на две выборки, в каждую из которых вошло по одному представителю каждой пары. Таким образом, были получены две симметричные выборки. Для повышения надежности результатов анализируются только те из них, которые совпали в обеих выборках. Результаты корреляционного анализа для первых трех точек лонгитюдного исследования представлены в таблице 4. Таблица 4. Межвозрастные связи между суммарными показателями интеллекта (фенотипические корреляции) [pic] Примечание: здесь и далее нули и запятые в показателях коэффициентов корреляции опущены; * – уровень значимости p < 0,05 Межвозрастные фенотипические корреляции для показателей вербального и общего интеллекта оказались значимыми в обеих выборках лишь при сравнении интеллекта в 6 и 7 лет и в 6 и 10 лет. Корреляции между показателями невербального интеллекта оказались значимыми во всех случаях, но теснота связи имеет тенденцию уменьшатся по мере увеличения возрастного отрезка, на котором производится сравнение. Полученные данные указывают на то, что показатели вербального и общего интеллекта, полученные в старшем дошкольном возрасте, лучше предсказывают интеллект в 10-летнем возрасте, чем показатели, полученные в начале школьного обучения. Аналогичные данные получены и для генетических корреляций (таблица 5), что свидетельствует о том, что снижение стабильности показателей интеллекта в 7 лет (совпадающее с началом обучения), по крайней мере, в какой-то степени контролируются генотипом. Сопоставив результаты корреляционного анализа (таблицы 4, 5) с результатами генетического анализа (таблица 3), можно отчетливо увидеть, что период снижения стабильности показателей вербального интеллекта (возраст 7 лет) сопровождается и снижением генетической обусловленности его межиндивидуальной вариативности. В подростковом возрасте (четвертая точка лонгитюда) наблюдается опять некоторое снижение генетической обусловленности суммарных показателей интеллекта, причем в данном случае всех трех – вербального, невербального и общего (таблица 3). В какой степени это связано с изменением фенотипической стабильности и с изменением механизмов регуляции показателей интеллекта, можно будет судить на основании дальнейшего анализа данных. Таблица 5. Межвозрастные связи между суммарными показателями интеллекта (генетические корреляции) [pic] Исследование развития (возрастной динамики генетического контроля психологических признаков) является сравнительно новой темой в генетике поведения, и поэтому возможностей для сопоставления полученных нами данных с данными других исследований немного. Длительных лонгитюдов, в которых есть возраста, сопоставимые с теми, которые брались в нашем исследовании, всего два: Луизвильское близнецовое исследование [8,c.298-316], Колорадское исследование приемных детей [7;3;2, c.46-56] и Шведское близнецовое исследование [4;5]. Сравнивая возрастную динамику показателей наследуемости общего интеллекта в этих работах с данными нашего исследования (таблица 6), следует обратить внимание прежде всего на относительно низкие показатели наследуемости: у нас – в 7 лет, в Луизвильском исследовании – в 8 и 9 лет. Таблица 6. Возрастные изменения показателей наследуемости (H) в вариативности общего интеллекта (цит. по [8,c. 298-316; 2,c. 46-56]) [pic] В какой степени этот спад связан с вербальной составляющей общего интеллекта (как это получилось у нас), в приведенных публикациях не указывается. Однако в Колорадском исследовании были подсчитаны фенотипические и генетические корреляции между разными когнитивными показателями, полученными в разных возрастах. Рассмотрим связи вербальных характеристик с тремя другими когнитивными характеристиками, регистрировавшимися в этом исследовании (таблица 7). Таблица 7. Корреляции между характеристиками когнитивной сферы (Колорадское исследование приемных детей, цит. по [1,c.57-76]) [pic] Отчетливо видно, что в 7 лет корреляции вербальных характеристик с пространственными характеристиками, памятью и перцептивной скоростью оказываются ниже, чем в трех других возрастах. Более того, снижение генетических корреляций оказывается существеннее, чем снижение фенотипических корреляций. Автор интерпретирует этот результат с точки зрения увеличения специфики когнитивных процессов с возрастом, хотя и отмечает, что в 9 лет специфичность когнитивных характеристик опять снижается. Нам кажется, что полученный в этом исследовании результат аналогичен нашему, но корректней было бы интерпретировать его не в контексте представлений о дифференциации когнитивной сферы (которая, несомненно, имеет место), а с точки зрения качественной перестройки когнитивной сферы ребенка, происходящей в 7 лет. Как известно из возрастной психологии, периоды качественной перестройки функций проявляются в увеличении дисперсии психологических характеристик и в уменьшении связей с другими характеристиками (например, [6, c. 95-112]). В данном случае нельзя ожидать изменения дисперсии (поскольку показатели когнитивной сферы стандартизованы относительно каждого возраста), однако снижение в 7 лет тесноты связей по сравнению с соседними возрастами указывает, по меньшей мере, на необходимость более подробного анализа психологических изменений, происходящих в 7 лет. К сожалению, как и в нашей выборке, дети, участвующие в Колорадском исследовании, начали обучение в школе в 7 лет. Поэтому развести источники изменений и сказать, связаны ли они непосредственно с процессами созревания психологических функций или же с изменением средовых условий, как и в нашей работе, не представляется возможным. Тем не менее, одинаковая динамика и в фенотипических и в генетических корреляциях свидетельствует, по-видимому, о том, что в 7 лет меняются не только проявления некоторых психологических особенностей, но и механизмы, связанные с их регуляцией. Таким образом, независимо от источника изменений в структуре когнитивных характеристик эти изменения затрагивают глубинные процессы когнитивного функционирования. Что касается подросткового возраста, то он оказывается практически не изученным в генетике поведения. Единственное исследование, которое располагает данными о генотип-средовых соотношениях при вступлении в пубертат и в более старших возрастах (но не имеет данных о более младших возрастах), указывает на увеличение генетической составляющей в вариативности вербальных способностей и индуктивного мышления от 12-13 лет к 16 и к 18 годам [4;5]. Об увеличении генетической обусловленности общего интеллекта от 8-9 лет к 15 годам свидетельствуют данные Луизвильского исследования. Однако в этом исследовании возраст, наиболее чувствительный к пубертатным изменениям, оказывается выведенным из рассмотрения. Кроме того, ни в Шведском, ни в Луизвильском исследованиях не рассматривается, как влияют на генотип-средовые соотношения когнитивных особенностей такие характеристики, как возраст вступления в пубертат, совпадение или несовпадение этого возраста у членов близнецовой пары и т.д. В настоящий момент по имеющимся результатам можно лишь в самом общем виде предположить, что изменение генотип-средовой обусловленности показателей интеллекта является следствием перестройки когнитивной сферы подростков, сопутствующей общим пубертатным изменениям. Анализ когнитивной сферы в контексте перечисленных выше характеристик пубертата, данными для которого располагает наша работа, позволит в дальнейшем оценить, связано ли снижение генотип-средовых соотношений именно с пубертатными изменениями. Генетика и проблема рака. Достижения генетики и молекулярной биологии последних десятилетий оказали огромное влияние на понимание природы инициализации и прогрессии злокачественных образовании. Окончательно установлено, что рак представляет собой гетерогенную группу заболеваний, каждое из которых вызывается комплексом генетических нарушений, определяющих свойство неконтролируемого роста и способность к метастазированию. Эти современные знания открыли принципиально новые возможности в диагностике и лечении злокачественных новообразований. Влияние конкретных генетических нарушений, лежащих в основе опухолевого роста, позволило обнаружить специфические молекулярные маркеры и разработать на их основе тесты ранней диагностики опухолей. Известно, что неопластические трансформация клеток происходит в результате накопления наследуемых (герминативных) и приобретенных (соматических) мутаций в протоонкогенах или генах-супрессорах. Именно эти генетические нарушения с первую очередь могут быть использованы для обнаружения злокачественных клеток в клиническом материале. Наиболее подходящим субстратом молекулярной диагностики является ДНК, т.к. она длительно сохраняется в образцах тканей и может быть легко размножена с помощью т.н. полимеразной цепной реакции (ПЦР). Это позволяет осуществлять диагностику даже при наличии минимального количества исследуемого материала. Помимо определения мутаций в онкогенах и генах-супрессорах в диагностических целях используют изменения, выявляемые в повторяющихся последовательностях ДНК, т.н. микро сателлитах. При сравнении парных образцов опухоли и нормальных тканей может быть выявлено выпадение одного из аллелей в опухоли (потеря гетерозиготности (ПГ), что отражает наличие хромосомных делеций, лежащих в основе инактивации генов-супрессоров. Микросателлитная нестабильность (МН) особенно характерна для наследуемой формы неполипозного рака толстой кишки. Она, однако, обнаруживается при многих других видах опухолей и проявляется как в инактивации генов- супрессоров, так и в делециях анонимных некодирующих последовательностей ДНК. В целом, обнаружение клинических образцах ПГ и/или МН указывает на присутствие клеток, несущих искаженную информацию, свойственную опухолевому росту. Мутации в онкогенах и генах-супрессорах обнаруживаются также при использовании в качестве исходного материала клеточной РНК, которую превращают в реакцию обратной транскрипции в комплиментарную (С)-ДНК и амплифицируют с помощью ПЦР. Данный метод (RT-ПЦР) широко применяют для выявления экспрессии генов в различных тканях. Известно, что нормальные и опухолевые клетки различаются по экспрессии многих сотен генов, поэтому разработаны современные методы серийного анализа экспрессии, основанные на технологии микрочипов и позволяющие оценивать сотни и даже тысячи генов одновременно. Одним из новых перспективных молекулярных маркеров опухоли является телоизомераза, рибонуклеопротеиновый фермент, наращивающий нуклеотидные последовательности на концах хромосом (теломерах) активность данного фермента постоянно присутствует в более чем 90% опухолей и практически не обнаруживается в нормальных тканях. Несмотря на несомненную перспективность и высокую точность методов молекулярной диагностики, вопрос об их специфичности и чувствительности сохраняет свою актуальность. Это связано с тем, что опухоли всегда состоят из смеси нормальных и злокачественных клеток, поэтому выделяемая из них ДНК также гетерогенна, что необходимо учитывать при решении вопроса о применимости молекулярных тестов. Тем не менее, методики, базирующиеся на ПЦР, технологически исключительно чувствительны и способны обнаруживать специфические генетические нарушения задолго до формирования морфологически определяемой опухоли. В настоящее время сформировалось несколько направлений использования молекулярных тестов в онкологии. 1) Раннее выявление опухолей наиболее часто основывается на определении мутаций ras и p53, обнаружение которых позволяет в некоторых случаях судить о стадии опухолевого процесса. Информативным ранним маркером рака толстой кишки служат мутации гена АРС, обнаруживаемые более чем в 70% аденом. Микросателлитные маркеры высоко эффективны в ранней диагностике рака мочевого пузыря и простаты. Широкий спектр опухолей может быть диагностирован с использованием протоколов активности телоизомеразы. 2) Метастазирование и распространенность опухоли также могут оцениваться с применением молекулярных тестов. Наиболее часто для этих целей используют RT-PCR метод выявления изменений экспрессии генов в опухолевых клетках. 3) Анализ цитологических и гистологических препаратов с помощью молекулярных тестов находит все более широкое применение. Примером может служить определение HPV вирусов при раке шейки матки, а также применение молекулярных тестов для выявления мутаций онкогенов непосредственно на гистологических срезах. 4) Промежуточные биомаркеры служат для выявления клональных и генетических изменений, позволяющих предсказать появление опухолей. Эти маркеры успешно используются для оценки эффективности онкопротекторов на популяционном уровне. 5) Генетическое тестирование онкологического риска стало возможным в связи с открытием генов предрасположенности к онкологическим заболеваниям, что оказалось особенно актуальным для оценки риска среди членов так зазываемых "высоко раковых" семей. ДНК-тестирование успешно применяется при различных наследуемых опухолях: ретинобластоме, полипозе кишечника, множественных эндокринных опухолях второго типа (MEN2) вслед за клонированием генов предрасположенности к раку молочной железы и яичников (BRCA I BRCA 2) развернулось широкое обследование групп риска семейного рака данных локализаций. Одна из существенных проблем, возникающих при диагностике семейной предрасположенности к РМЖ, касается социальных и психологических последствий выявления у пациентов данных мутаций. Однако при правильной организации генетического консультирования и соблюдения этических норм и принципа конфиденциальности применения молекулярных тестов в группах риска, безусловно, полезно и необходимо. В заключение следует подчеркнуть, что внедрение современных методов молекулярной диагностики в широкую онкологическую практику неизбежно потребует серьезного технического перевооружения существующих клинических лабораторий, а также специально подготовленного персонала. Сами методы диагностики при этом должны пройти масштабные клинические испытания с учетом принципов рандомизации. Заключение. Едва ли найдутся люди, которым совершенно безразлична судьба их собственных детей. Забота о ближайших потомках должна начинаться не после их появления на свет, а задолго до этого момента, еще во время планирования семьи. По статистическим данным, из каждых 200 младенцев один появляется на свет с хромосомными аномалиями, некоторые из которых в состоянии исковеркать всю его будущую жизнь. Более того, практически у каждого взрослого человека во всех клетках тела, включая половые, существуют несколько измененных генов, мутации в которых негативно влияют на их работу. Как скажутся такие гены на умственных способностях и на внешнем облике ребенка, если он получит другие дефектные гены от второго родителя? В США свыше 20 млн. человек, то есть почти каждый десятый, уже страдают от унаследованных расстройств здоровья, которые в разных условиях и по-разному могут проявляться в течение всей жизни. В других странах, независимо от экономического статуса, положение наверняка не лучше. Единственное, что мы можем сделать, чтобы что-то противопоставить сложившейся ситуации – отдавать себе отчет в серьезности положения и предпринимать разумные усилия для того, чтобы на свет не появлялись дети с тяжелыми наследственными патологиями. Реальный шанс для этого существует, но для этого надо быть, прежде всего, хорошо информированным о возможности собственных генетических заболеваниях или мутантных генах, которые могут стать их причиной у потомства. Подобную информацию можно получить в центрах медико-генетичесого консультирования. При этом врач не в праве навязывать свою волю пациентам, он может и должен лишь информировать их о возможных опасностях и последствиях проявления генетически врожденных заболеваний у потомства. Любопытно, что первая в мире подобная консультативная служба была организованна именно в России, в Институте нервно-психиатрической профилактики еще в конце 20-х годов XX века талантливым биологом С.Н. Давиденковым. К сожалению, трагические последствия геноцида, который осуществляла гитлеровская Германия во время второй мировой войны, несколько затормозила развитие сети подобных консультаций, поскольку политика нацизма долгие годы бросала зловещую тень на любые попытки исправления наследственности человека. На всем протяжении существования психогенетики как науки исследователи проявляли особый интерес к природе так называемых неадаптивных форм развития (дизонтогенеза). Спектр исследуемых фенотипов простирался от тяжелых, редко встречающихся расстройств: например, аутизм и детская шизофрения, до часто встречающихся типов поведения, незначительно отклоняющихся от нормы: например, специфическая неспособность к математике. Современная статистика, собранная Всемирной Организацией Здоровья, свидетельствует о том, что каждый десятый ребенок, проживающий в развитых странах, подвержен риску девиантного модуса развития. Результаты психогенетических исследований, проведенные разными методами, говорят о существовании первичной, «исходной», индивидуальности, задаваемой нашей наследственностью. Уникальность генотипа каждого человека, высокая индивидуализированность многих психологически значимых средовых факторов, ковариация и взаимодействие одного и другого – вот те силы, которые формируют бесконечное многообразие людей. Необходимо помнить, что психогенетические данные говорят о причинах именно различий между людьми, то есть о происхождении популяционной изменчивости (межиндивидуальной вариативности), и ее выводы не могут быть перенесены на оценки индивидуально- психологических особенностей конкретного человека. Все это говорит о существенной роли генотипа в формировании самых разных компонентов и уровней в структуре человеческой индивидуальности. «Генетические влияния в поведении так вездесущи и всепроникающи, что оправдано изменение в акцентах. Не спрашивай, что наследуемо, спрашивай, что не наследуется» - так пишут авторы знаменитой книги «Генетика поведения». Список использованной литературы: 1. А.П. Акифьев «Генетика и судьбы» М. 2001 г. 2. С.Ю. Афонькин «Секреты наследственности человека» С-Пб. 2002 г. 3. И.В. Равич-Щербо, Т.М. Марютина, Е.Л. Григоренко «Психогенетика» Аспект-пресс, 1999 г. 4. Егорова М.С., Зырянова Н.М., Малых С.Б., Мешкова Т.А., Пьянкова С.Д. «Генетические и средовые детерминанты когнитивного развития: лонгитюдный анализ». 5. По материалам сообщений агентства Reuter, газет Times, Washington Post, журналов Nature и Science. Егорова М.С., Зырянова Н.М., Малых С.Б., Мешкова Т.А., Пьянкова С.Д., Черткова Ю.Д. «Генетические и средовые детерминанты когнитивного развития: лонгитюдный анализ». |
|