Справочник автора/Генетика

Генетика — раздел биологии о наследственности и её закономерностях.

Истоки

Первые начинания в этом направлении были сделаны монахом-биологом Грегором Менделем. Закономерности, открытые им в опытах по скрещиванию гороха, носят его имя:

• Первый закон Менделя: при скрещивании двух чистых, но различных линий всё гибридное потомство получается похожим на одного из родителей (такой признак называется доминантным, а «утерянный» у потомков — рецессивным).
• Второй закон: при скрещивании получившихся гибридных потомков (в случае животных — фактически брата с сестрой) рецессивный признак вновь проявляется в потомстве среди примерно 25 % организмов (остальные 75 % сохраняют доминантный признак).
• Третий закон: многие признаки наследуются независимо. Из этого закона уже есть исключения, которые будут рассмотрены дальше.

Мендель в дальнейшем разочаровался в своей работе, так как не смог повторить эксперименты на других организмах (он выбрал цветы ястребинки и пчёл — довольно неудачно, ведь оба организма имеют сложности, скрывающие и усложняющие анализ наследования). Разочаровавшись в пчёлах, он стал аббатом и больше не занимался биологией, хотя разослал свою работу во многие библиотеки. В частности, книга была и у Дарвина, но он её, по-видимому, не читал (хотя это уберегло бы его от т. н. кошмара Дженкинса — идеи о том, что признаки «разбавляются»).

Какие можно сделать выводы из первых двух законов?

• Организмы могут проявлять один из признаков, а другой — рецессивный — иметь скрытым (как позднее окажется — в генах).
• Никакие идеи журналистов о том, что все белые (вариант — голубоглазые блондины) люди пропадут при скрещивании с доминантными индийцами или неграми, не являются действительностью.
• Инцест запрещён не зря. Проявление рецессивных признаков часто приводит к развитию болезней или даже к смерти (или, иногда - к изоляции нового вида).

Взаимодействие генов

Есть множество исключений, дополняющих простую картину трёх законов Менделя:

• Неполное доминирование — при этом гетерозиготы (гибриды первого поколения Aa между чистыми линиями AA + aa) имеют промежуточное значение признака между таковыми у чистой линии. Примером являются волнистые волосы вместо кудрявых, или прямых.
• Кодоминирование — наличие пары аллелей у гетерозиготы проявляется как отличный признак (не промежуточный): например, IV группа крови — это эффект наличия двух аллелей (A и B) одного гена, качественно отличимый от таковых по отдельности, соответственно II и III групп крови.
• Плейотропия — несколько признаков управляются одним геном (например, число пальцев может возрастать и на руках, и на ногах, а нарушения синтеза коллагена отразятся вообще на всех тканях).
• Полимерия — наличие нескольких копий одного гена, дающих внешне один совокупный эффект.

Хромосомная теория

Следующая веха в генетике связана с работами Томаса Моргана, выяснившего, что признаки связаны с конкретными участками хромосом (уже известных тогда органелл ядра, содержащих ДНК) — собственно, физических отражениях до того чисто теоретических генов. Разработка первых карт хромосом плодовой мушки-дрозофилы навела фантастов на мысль, что в будущем они, возможно, даже будут прочитаны.

В каждой клетке содержится двойной набор хромосом (диплоидный). Но половые клетки — исключение: в них содержится всего по одинарному набору (гаплоидному). Если рецессивный ген критически вреден даже для выживания отдельной клетки, естественный отбор проводится прямо на месте — такие половые клетки умирают.

Объединившись во время оплодотворения, половые клетки создают новый, уникальный набор. Кроме того, во время мейоза (деления клетки, в ходе которого получаются яйцеклетки и сперматозоиды) происходит кроссинговер — обмен гомологичными (соответствующими) участками между хромосомами, что ещё больше увеличивает разнообразие сочетаний генов и позволяет многоклеточному, медленно размножающемуся организму эволюционировать, не проигрывая куда более быстро плодящимся вирусам и бактериям.

Хромосомное определение пола

Довольно скоро стало ясно, что набор хромосом также определяет пол многих организмов (если он не определяется условиями, как у крокодилов или червей). Хромосомы у млекопитающих и ряда других классов живых организмов делятся на аутосомы — общие для самок и самцов — и половые (гоносомы), которые специфичны для определённого пола и отличаются по набору генов. Соответственно, признаки бывают аутосомно-рецессивные, аутосомно-доминантные и сцепленные с полом

• У человека (и огромного большинства зверей) в норме женщина имеет пару хромосом XX, мужчина — XY.
• У птиц, змей, ящериц и бабочек всё наоборот — разные хромосомы WZ определяют самку, а ZZ — самца.
• Наконец, некоторые общественные насекомые (пчёлы, осы, муравьи, но не термиты) имеют наиболее совершенную систему. Трутни выводятся из яйца, если оно отложено, но не оплодотворено, и гаплоидны (у них только половина нормального набора хромосом и лишь одна копия каждого гена). Это делает самца практически аналогом сперматозоида — любой критический дефект для организма целого насекомого в любом гене приведёт к смерти самца, так что все трутни, которые вылетают и могут в принципе оплодотворить самку, чисты от таких вредоносных рецессивных мутаций. Именно эта сложность смутила Менделя — методами его времени вряд ли было возможно это отследить.
  • У некоторых грызунов классическое хромосомное определение пола де-факто не работает, а в особо запущенных случаях общее разное число хромосом не даже у разных подвидов, а у особой одного и того же и размножению это никак не мешает ! Механизм определения пола там таки хромосомный, но крайне мозголомный.

Расшифровка ДНК

Расшифровка структуры ДНК (Фрэнсис Крик и др.) и последующее секвенирование (= определение последовательности) нуклеиновых кислот (Фредерик Сэнгер) сделали это возможным. Уже первые успехи генной инженерии затем показали возможности, которые эта отрасль может дать: например, цена инсулина (гормона, недостаток которого бывает у диабетиков), выделявшегося ранее на скотобойнях, была огромной, а качество — плохим: ведь он был свиным, а не человеческим, и частично отличался. Внедрение человеческого гена инсулина в кишечную палочку, которую легко выращивать, позволило снизить на него цены в тысячи раз и уберечь пациента от осложнений.

Вся совокупность генов организма — это генотип (геном), в противоположность фенотипу — воплощению генотипа в реальность. Фенотип у генетически идентичных особей может отличаться из-за воздействия внешних факторов.

Самая доступная трактовка генов: «1 ген — 1 белок — 1 признак» (это зависит, конечно, от того, что считать за признак — причин, например, слепоты могут быть тысячи). Каждый ген имеет несколько вариантов — аллелей: один аллель даёт, к примеру белую окраску цветка, другой — красную, третий — сиреневую. Если рассматривается пара аллелей, то доминантный обозначают прописной латинской буквой, рецессивный — строчной. И действительно, в геноме закодированы аминокислотные цепочки белков по принципу «3 азотистых основания = 1 аминокислота». Однако это сильное упрощение: у человека лишь несколько процентов генов выполняют эту функцию, остальные же регуляторные или вообще «спящие».

Но не надо ругаться на них и обзывать мусором. Например, определённые участки в Y-хромосоме позволяют проследить происхождение различных популяций по мужской линии, что важно для историков и антропологов. Если же хочется проследить происхождение по женской линии, то к услугам учёных митохондриальная ДНК, которая содержится в больших яйцеклетках, но отсутствует в крошечных сперматозоидах. (Митохондрии отвечают за производство энергии в клетке и происходят от прокариот — примитивных организмов, вошедших в симбиоз с клетками более развитых эукариот).

Количество хромосом и межвидовое скрещивание

Часто разное количество хромосом является одним из барьеров, мешающих скрещиванию разных видов (точнее, одним из способом появления новых видов вообще), ведь если число их различно (например, 20 и 22) — в гаметы попадёт половинный набор (10 и 11), и в оплодотворённом яйце получится нечётное количество (21). Это, во-первых, может быть причиной генетического дисбаланса и привести к тяжёлой деформации вроде синдрома Дауна (что-то такое есть у разных организмов, даже, например, у тигров), а во-вторых, сделает такой организм бесплодным — ведь нечётное число на 2 не делится. Существует множество примеров гибридов между близкими видами, которые далее не размножаются и потому довольно вредны для обоих видов (ведь пищу они свою едят).
Впрочем, нужно отметить, что совершенно непреодолимым препятствием к скрещиванию разное число хромосом не является, есть даже виды, у которых число хромосом слегка «гуляет». Обычно при этом часть вариантов скрещивания невозможна или стерильна, но другая — возможна. Потому что в этом случае, как правило, либо какая-то из хромосом представляет собой соединившуюся концами пару старых хромосом или наоборот, пара — разделившуюся старую. Такая «двойная» хромосома может относительно корректно отработать при делении клетки с парой старых/новых. Поэтому в процессе эволюции число хромосом может меняться и в некоторых случаях меняется.

Генетика митохондрий

Отличается от обычной наличием другого основания

РНК-вирусы и Митосомы

РНК без ДНК

Альтернативная генетика

Принципиально возможен и другой носитель генетической информации, нежели ДНК (или у части вирусов - РНК). Примером того, как глубоко может быть подведён обоснуй, является «Аватар» Кэмерона — в основе генетики биомов Пандоры лежат совсем другие полимеры. Учёные из области синтетической биологии также работают над созданием организмов с синтетическим геномом — ДНК таких организмов дополнена парой новых синтетических нуклеотидов (названных X и Y), что впоследствии поможет закодировать больше аминокислот для ферментов и улучшить контроль над этими синтетическими организмами, которые без них не выживут.

В 2017 году успешно создали размножающийся организм, в котором к имеющимся основаниям ДНК добавили новое основание. -- расписать подробнее https://geektimes.ru/post/296021/

Мутации

Примерами здесь будут наследственные болезни:

• Генные — связанные с мутациями в пределах отдельных генов. Пожалуй, самый известный в народе пример — X-сцепленная гемофилия. У женщин при носительстве её гена необходимый для свёртывания крови белок синтезируется благодаря наличию второй X-хромосомы, но у мужчин такой «страховки» нет. По аналогичному механизму работает дальтонизм.
• Более тяжёлые хромосомные мутации (часто приводят к выкидышам) связаны с дефектами в структуре хромосом — потере их частей с большим числом генов сразу. Чуть реже происходит сбалансированный перенос части хромосомы на другую гомологичную — такой мутант живёт обычной жизнью, но бесплоден.
• Третья группа — геномные мутации, вызванные отсутствием какой-либо хромосомы или, наоборот, наличием лишней. Вряд ли кто-то не слышал о синдроме Дауна. Его причина — три 21-х хромосомы вместо положенных двух (та самая пресловутая лишняя).

Хотите ещё примеров? Их есть у меня:

• Синдром Клайнфельтера — лишняя X-хромосома у мужчины (XXY), дающие гермафродита © Левашов бесплодного, легко жиреющего мужчину с гинекомастией (женской грудью);
• синдром Шерешевского — Тёрнера — отсутствие одной X-хромосомы у женщины (X0), приводящее к серьёзным дефектам: короткой толстой шее, бесплодию, карликовости;
  • И мозаичный синдром, при котором этим страдает половина клеток.
• а вот ХХХ (женщина) и XYY (мужчина) дают внешне нормальных людей, у которых даже бесплодия не проявляется (особые механизмы регулируют распределение половых хромосом, лучше чем остальных). Чаще всего такой состав хромосом обнаруживается только случайно.

Некоторые наследственные заболевания в настоящее время можно выявить на ранних стадиях развития плода. В этом случае у родителей есть выбор — сделать аборт или рожать заведомо больного ребёнка.

Говоря о наследственных болезнях, нельзя не упомянуть болезни с наследственной предрасположенностью Это хронические заболевания, которые вызывает совокупность многих факторов, поэтому в принципе нельзя выделить ответственный за их появление ген. Однако наблюдения показывают, что распространённость этих недугов у родственников пациентов выше, чем в среднем по популяции. Ещё одним типом мутации является полное удвоение или утроение набора хромосом. Оно встречается в основном у растений, и часто такие мутации приводят к образованию новых видов — особенно если это умножение (полиплоидия) произошло после межвидового скрещивания и превозмогло таким образом обычное бесплодие таких гибридов. Таким путём и возникли:

• Пшеница — гибрид трёх (трёх, Карл!) разных видов, один из которых уже вымер в чистом виде. Имеет соответственно 6х набор хромосом.
• Слива — гибрид дикого тёрна и алычи.
• Арбуз без косточек — 3n-полиплоид, которых всё время нужно выводить скрещиванием 4n и 2n сортов. Потому и дороже.

После 1950-х годов начал развиваться искусственный мутагенез — создание особых условий для увеличения шансов мутаций, что позволяло получить больший материал для искусственного отбора при выведении новых сортов растений. К началу информационной эры учёные научились методам генной инженерии — операциям «вырезать», «копировать» и «вставить» в масштабах генома. Это позволило получать организмы с требуемыми свойствами (а не теми, что сформировались случайно). Например:

• Уже упомянутые дрожжи или бактерии-продуценты лекарственных средств вроде инсулина или аминокислот.
• Золотой рис — рис, обогащённый витамином А.
• Трансгенная соя, стойкая к гербициду глифосату, убивающему сорняки.
• Светящиеся в отражённом свете данио-рерио — аквариумные рыбки, уже появившиеся в зоомагазинах.
• Голубая роза.
• Разного рода светящиеся котята, прозрачные рыбки со светящимися нервными клетками в голове или насекомые у которых каждый нейрон выкрашен в отдельный цвет — генная инженерия на 90 % исследовательский метод, а практические приложения ещё составляют лишь малую часть его продуктов.

Еретики и нечисть

«	Контроль побочных мутаций почти невозможен, а их риск почти 100%. И таковых мутантов сейчас основная масса семян и саженцев. Сейчас почти не найти проверенных столетиями сортов. С генной инженерией все намного безопаснее, а способ внедрения гена вообще позаимствован в природе. Риски есть, но их можно контролировать, так как все результаты научно прогнозируемы. Да, все упирается в добросовестность ученых. Но это вообще везде так. Но как это объяснить человеку, который смотрит Рен-ТВ, или целой орде народа, которая изучала генетику по комиксам Марвел?	»
— С Баша

В последнее время набирает обороты т. н. ГМО-истерия (ГМО = генно-модифицированные организмы). Имеются в виду организмы, чей геном был изменён с помощью генной инженерии, в т. ч. путём внедрения генов других видов и более высоких таксономических рангов (например, пересадить ген из медузы в растение). Неоправданные опасения прежде всего вызывают употребляемые в пищу ГМО, в научной же среде консенсус в том, что ГМ-пища не более опасна, чем соответствующие «натуральные» виды из которых выведена.

В таких организмах прежде всего улучшаются характеристики, улучшающие техничность обработки культур этого, как правило, растения: например, вводятся гены, защищающие растение от вредителей или дающие устойчивость к гербицидам — растение может расщеплять их или вообще не накапливать. В любом случае модифицированные организмы получают всестороннее изучение в лабораториях на многих поколениях животных, которое редко проводится для сортов растений, полученных обычной селекцией (иначе говоря, отбор полученных путём случайного скрещивания организмов со случайными мутациями). Потенциально опасные модификации отсеиваются ещё на этапе испытаний на животных (например, в процессе поиска путей увеличения питательности зерновой культуры был выявлен конкретный белок ореха пекан, на который часто возникает аллергическая реакция и от использования соответствующего гена пришлось отказаться).

Причина этого явления кроется прежде всего в лоббировании интересов производителей более дорогих «органических» продуктов и, не менее, а то и более значимо, пестицидов и борьбе с конкурентами, а также в недостатке образования среди широких слоёв населения, которые вряд ли знают о происхождении того же инсулина или антибиотиков. Защитники органического земледелия считают что употребления в пищу заслуживают лишь проверенные тысячелетиями натуральные продукты (ага, это про гексаплоидную пшеницу и столь изменившуюся кукурузу, что её дикого предка идентифицировали только по геному) — в данном случае имеет место ошибка «натуральный = безопасный».

Наличие в обществе убеждённых противников прогресса — вполне закономерное следствие падения качества образования (вплоть до неверно поставленных экспериментов у известных ГМО-фриков). В прошлом генетика также подвергалась серьёзным преследованиям со стороны Лысенко и его партийно-советских покровителей. Серьёзное отставание РФ в этой области приводит к растущей зависимости от иностранных материалов, пищевых продуктов и готовых лекарственных средств (тот же инсулин в РФ почти не производится).

Особенно дикими и антинаучными верованиями являются:

• Телегония.
  • Забавно, но телегоническая терминология не на сто процентов абсурдна. Так, гены партнёра-мужчины теоретически могут впоследствии обнаружиться у ребёнка от той же матери и другого отца — но только в том случае, если женщина была беременна от мужчины-1, а потом родила от мужчины-2. Дело в том, что на всём протяжении беременности между матерью и плодом происходит дуплексный клеточный обмен, и таким образом клетки плода с гибридным геномом могут проникнуть в организм матери и закрепиться там, а впоследствии — и передаться следующему отпрыску. Фетальный микрохимеризм — забавная штука.
• Волновой геном™ — странная идея, пытающаяся поженить наукоподобие с духовностью шизотерикой. «Лазеры со спутников меняют твою ДНК» — вот это всё.
• Духовная хромосома — нечто чудовищное, упомянутое министром культуры. Вероятно, это он так всех даунами назвал.
• Бесплодные культуры вызывают бесплодие — да вроде нет. Когда вы последний раз видели бананы с косточками? Вы их вообще помните?
• Генетическая память. В фантастике бывает. А в жизни бывают фрики, рассказывающие, как во время духовных практик у них проснулась эта память и они вспомнили жизни всех своих предков. А некоторые ещё и предлагают этому обучить. Третьи обещают прочитать эту память за деньги.
• Собственно «мичуринская биология» Лысенко (к Мичурину, который занимался обычной селекцией, имеет слабое отношение), вернувшаяся к давно опровергнутым концепциям «живого вещества» и «зародышевой плазмы», близкие к идеям витализма.
• Шоу «ДНК» — тут однажды не учли, что тест на отцовство и тест на материнство — это немного разные вещи, и одно из другого не определяется.

Генная терапия

В последнее время развиваются технологии создания методик трансформации тканей взрослого организма (вроде CRISPR-Cas9). На такую генную терапию возлагаются основные надежды в лечении наследственных заболеваний (для нескольких видов болезней уже есть излеченные пациенты), рака и потенциально — продления жизни.