Гены в нашей жизни

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.

Цель работы: Изучение влияния наследственности и среды на развитие различных признаков у человека используя метод анализа близнецов.

Глава 1. Обзор литературы

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).

Рисунок 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).

Рисунок 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