В. Ф. Писаренко Посвящаю моей жене, Нине, которая когда-то учила меня основам генетики Генетика человека

1
В.Ф.Писаренко
Посвящаю моей жене, Нине, которая
когда-то учила меня основам генетики

Генетика человека
Предисловие
Раскрытие строения генома человека — событие столь же ключевое для истории человечества, как открытие электричества, атомной энергии, изобретение радио и телефонной связи и компьютеров. Как сказал известный биолог Майкл Декстер, определение полной структуры генома человека, полученное в результате выполнения международного научного проекта «Геном Человека» (1990-2003), представляет собой одно из величайших достижений человечества, которое превосходит по своему значению высадку человека на Луне. А полный текст, записанный в геноме человека, иногда даже называют несколько возвышенно Энциклопедией жизни.
Итак, на рубеже третьего тысячелетия человечество наконец-то раскрыло одну из важнейших для него тайн — структуру генома Homo sapiens (человека разумного).
Однако бурное развитие современной биологии сделало ее малодоступной для неспециалистов. В этой связи, несмотря на гигантские научные успехи, мистика и суеверия не только продолжают существовать в современном обществе, но даже прогрессируют. Хотелось бы надеяться, что этот текст хотя бы в небольшой мере поможет закрыть имеющийся пробел в понимании сути и значения последних достижений ученых.
Он предназначен не для узких специалистов, а для самой широкой аудитории. Более подробные сведения о генетике и геноме человека можно найти в литературе, указанной в конце текста. Молодым людям, вступающим в ХХI век, необходимо знать, на каком этапе находится наука о структуре и функциях генома человека. Это важно не только с сугубо утилитарных, медицинских позиций (хотя и этот аспект крайне важен), но и с позиций общечеловеческих. Ибо всякое эпохальное открытие науки (а именно таковым и является расшифровка генома человека) до недавнего времени использовалось не только во благо, но и во вред человечеству (печальный пример тому - открытие расщепления ядра урана, породившее атомную бомбу). Неразумные эксперименты с геномом человека могут привести к еще более страшным последствиям. Уберечь генофонд человечества, всячески оберегая его от рискованных вмешательств, и при этом извлечь максимальную выгоду из уже полученной бесценной информации в плане диагностики, профилактики и лечения многих тысяч наследственно обусловленных недугов - вот задача, которую ставят сейчас перед собой ученые.

2
Содержание
Предисловие……………………………………………………………………………………1
Хромосомы……………………………………………………………………………………..3
ДНК……………………………………………………………………………………………..4
Молекулы ДНК – хранилище наследственной информации, передаваемой поколениям!.6
Кодирование аминокислот…………………………………………………………………….8
Белки……………………………………………………………………………………………9
Гены……………………………………………………………………………………………12
«Бессмертие» генов…………………………………………………………………………...13
Аллели, доминантные и рецессивные признаки……………………………………………13
Грегор Иоганн Мендель (1822-1884)………………………………………………………..14
Исключения из общих правил механизма наследственности человека…………………..17
Мальчик или девочка?..............................................................................................................17
Группы крови…………………………………………………………………………………18
Половые хромосомы………………………………………………………………………….20
Гемофилия…………………………………………………………………………………….21
«Точечные» отличия ДНК индивидуумов – снипсы………………………………............23
Клонирование………………………………………………………………………………...25
Гены и развитие организма………………………………………………………………….29
Эмбриональное развитие в общих чертах, стволовые клетки…………………………….30
Формирование организма из зародышевой клетки………………………………………...30
ДНК-овый текст вместо отпечатков пальцев (генная дактилоскопия)……………………32
Социально-этические аспекты клонирования………………………………………………35
Законодательство о клонировании человека………………………………………………..35
Генная диагностика…………………………………………………………………………...36
«Ремонт» генов, генная терапия…………………………………………………………. ….37
Проблема долголетия. Смерть и бессмертие в наших генах?...............................................39
Трансгенез, генетически модифицированные объекты……………………………….........45
Генетически модифицированные продукты – ГМП……………………………………… 47
Мутации………………………………………………………………………………………..49
«Молекулярные генетические часы»………………………………………………………...53
Поиск родственников генными методами по останкам (палеогеномика)………………..54
«Адам» и «Ева»……………………………………………………………………………….56
Датировка эволюции биологического вида Homo Sapiens………………………………..59
Закончена ли эволюция человека?..........................................................................................61
История, записанная в нашем геноме (этногеномика)……………………………………..63
Волны миграций человека по планете………………………………………………………65
По «генетическому следу»…………………………………………………………………...67
Геном человека………………………………………………………………………………..68
Что такое геном и зачем он нужен?.........................................................................................68
Что такое проект «Геном Человека» (Human Genome Project – HGP)?...............................69
Нуклеотиды генома расшифрованы. Что дальше?..............................................................70
Евгеника……………………………………………………………………………………….71
Этические аспекты генной медицины……………………………………………………….72
Этические аспекты клонирования человека…………………………………………………73
Личный генетический паспорт………………………………………………………………..76
Борьба с дефектной наследственностью………………………………………………..........77
Болезнь Альцгеймера………………………………………………………………………….78
Рак - проблема проблем, онкогеномика………………………………………………………79
Прививки против вируса папилломы, ведущего к раку шейки матки……………………...82

3

Ген устойчивости к СПИДу……………………………………………………………………84
Медико-генетические консультации………………………………………………………….85
Гены и поведение, психогеномика…………………………………………………………….86
Все ли в нас зависит от генома? Геном и окружающая среда……………………………….89
Близнецы…………………………………………………………………………………...........89
Гомосексуализм – это болезнь?..................................................................................................92
Генетическое оружие…………………………………………………………………………...92
Из Всемирной декларации ЮНЕСКО о геноме человека и правах человека……………...93
Перспективы и прогноз………………………………………………………………………..94
Будущее «Генома человека»…………………………………………………………………..95
Эпилог…………………………………………………………………………………………..97
Литература………………………………………………………………………………………97
Некоторые специальные термины, используемые в тексте…………………………………98

Хромосомы
Тело человека состоит из
10
клеток! Человеческий организм есть государство клеток. Клетки бывают очень разные: клетки костей, клетки различных тканей, клетки кожи, разнообразные клетки крови и т.д. некоторые простейшие микроорганизмы состоят из одной клетки, но у человека их очень много. Основные элементы клетки: ядро, цитоплазма и оболочка. Ядро содержит хромосомы (хромосома – окрашенное тело). У разных растений и живых организмов различное число хромосом. У человека их 23 пары, т.е. 46 штук: 23 от папы и 23 от мамы; 22 пары обычных (неполовых) хромосом и одна пара, «заведующая» полом организма (на приводимом ниже рисунке это пара Х- хромосом, определяющая женский пол). Хромосомы нумеруют по их размеру. Заметим, что у коровы имеется 120 хромосом, у мыши 40.
В каждой клетке есть «полная документация» обо всём организме (о всех клетках и о том, как надо «строить» разные органы и весь организм), вся наследственная информация.
Такая информация для каждой конкретной клетки явно избыточна (клетка выполняет лишь свою «узко специализированную» работу), но так неэкономно устроен живой организм. Эта информация содержится в хромосомах. По этой причине мы можем В ПРИНЦИПЕ воссоздать организм человека (сделать его клон, т.к. в полном

4 наборе хромосом имеется ВСЯ наследственная информация), имея одну любую клетку организма, хотя сегодня нельзя считать эту задачу полностью решенной практически, имеются и другие трудности в этой проблеме, о них мы поговорим ниже. Хромосомы в отдельных клетках при благоприятных условиях могут сохраняться долго (до 10 тысяч лет и более), хотя сам организм уже может погибнуть. Поэтому, есть теоретическая надежда создать клон мамонта из каких-нибудь останков мамонта, в которых уцелел полный набор хромосом.
Работы по определению структуры ДНК вели четыре группы, возглавляемые новозеландцем Морис Уилкинсом (1916-2004), англичанкой Розалиндой Франклин
(1920-1958), англичанином Френсисом Криком (1916-2004) и американецем Джеймсом
Уотсоном (р.1928). Открытие века было опубликовано в трех статьях, которые появились одновременно в журнале Nature 25 апреля 1953 года:
A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid
Watson J.D. and Crick F.H.C.
Nature 171, 737-738
Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids
Wilkins M.H.F., A.R. Stokes A.R. & Wilson, H.R.
Nature 171, 738-740
Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate
Franklin R. and Gosling R.G.
Nature 171, 740-741
В этих статьях были выявлены основы строения ДНК в виде двойной спирали. Уотсон,
Крик и Уилкинс получили за это открытие в 1962 году Нобелевскую премию, а
Франклин умерла за 4 года до этого от рака, полученного при работе с рентгеновскими лучами. История открытия была непростой и изобиловала сложными ситуациями, описанию которых посвящена большая литература. Как пишет Питер Эткинз, «Это была история надувательства, соперничества, напористости, рвения, враждебности, трагедий, женоненавистничества, мошеннических трюков, в большей мере, чем можно вообразить.»
Наследственная информация химически записана в хромосомах, но как?
ДНК
В хромосомах имеются длинные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты –
знаменитой ДНК. Молекула ДНК подобна длинной двойной скрученной нити (DOUBLE
HELIX – двойная спираль). Каждая нить построена попеременно из молекул сахара- рибозы (близкой родственницы глюкозы; из рибозы удалён один атом кислорода, поэтому
«дезокси…») и фосфатных групп. Нить соединена со своей парной нитью «перемычкой», состоящей из двух нуклеотидных оснований. Их называют нуклеотидами. В ДНК встречаются только 4 фундаментальных основания:
Аденин - А; Гуанин - G; Цитозин - С; Тимин - Т

5
При этом в перемычках А соединяется только с Т, а G только с С. Таким образом, если на одной нити идёт последовательность …ААСТG…, то на этих же местах в другой нити должны идти основания …ТТGАС…
Нуклеотиды состоят примерно из десятка атомов азота, водорода, кислорода, углерода.
Последовательность этих нуклеотидов прикреплена к сахарным и фосфатным группам, образующим основу нити ДНК.
Последовательность пар нуклеотидов в ДНК нерегулярна, но сами пары уложены в молекуле как в кристалле. Это дало основание характеризовать молекулу ДНК как линейный апериодический кристалл. Этот кристалл многократно скручивается, из-за чего даже самая длинная молекула ДНК длиной в 8 см укладывается в крошечном ядре размером в тысячи раз меньше.
В перемычках основания соединены «слабо» (водородная связь), а к нитям они присоединены «крепко». Поэтому «легко оторвать» одну нить от другой, при этом на одной из нитей последовательность оснований будет однозначно соответствовать последовательности на другой по правилу А ↔ T; G ↔ C. Используя это свойство, можно будет копировать нити. Предположим, что благодаря каким-то причинам двойная нить ДНК разделилась на две отдельные, а в клетке имеется
«запас» всевозможных нуклеотидных оснований, которые могут присоединяться к каждой из отделившихся нитей. Из-за того, что при этом всегда сохраняется правило А ↔ T; G ↔ C, на каждой из нитей появится её точная
«отраженная» копия. Таким способом оcуществляется репродуцирование – важнейшее свойство живых организмов. Весь процесс репродуцирования ДНК человека занимает всего
7–12 часов.
Число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы в

6 наибольшей по размеру хромосоме 1 человека составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. При делении клетки молекула ДНК удваивается (реплицируется). Это происходит так. Специальные белки-ферменты расплетают двойную спираль ДНК и пристраивают к каждой из нитей её «двойника» в соответствии с правилом комплементарности А ↔ T, C ↔ G. Получаются две пары сплетенных нитей вместо исходной одной. Клетка делится пополам и каждая дочерняя клетка получает полный набор генетической информации, имевшийся в материнской клетке.
Самая длинная хромосома человека содержит примерно 245 000 000 пар оснований, а
самая маленькая «всего» 50 000 000. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 8 см, а суммарная длина всех хромосом – 2 метров. Т.к. тело взрослого человека состоит примерно из 10 14
клеток, то общая длина молекул ДНК в организме достигает 10 11
км, что в несколько сот раз превышает расстояние от Земли до Солнца! Вес
ДНК составляет менее 1% от веса клетки.

Молекулы ДНК – хранилище наследственной информации, передаваемой
поколениям!
Эта информация имеется в каждой клетке. Половые клетки человека, в отличие от клеток тела взрослого организма (соматических клеток), содержат не 2 набора «томов»
ДНК-ового текста, а всего лишь один. Каждая отдельная хромосома сперматозоида отца и яйцеклетки матери состоят из случайно смешанных в разном сочетании различных «глав
ДНК-ового текста» их родителей. Любая из хромосом, полученная нами от отца, образовалась в его семенниках незадолго до того, как мы были зачаты (сперматозоиды формируются в течение всей активной жизни мужчины). Ранее, за всю историю человечества, точно такой хромосомы никогда не существовало. Она оказалась результатом случайного перемешивания, происходящего при формировании половых клеток, последовательно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом предков со стороны отца. Также обстоит дело и с хромосомами яйцеклеток, за исключением того, что они все сразу формируются в организме нашей матери задолго до нашего рождения (почти сразу после рождения самой матери). В клетках процесс деления проходит по-разному у мужских и женских особей. Если у мужских особей в процессе сперматогенеза появляются четыре сперматозоида, то у женских особей в результате образуется только одна яйцеклетка. Яйцеклетка человека имеет около 0,1 мм в диаметре, и при этом она в 70 раз больше головки сперматозоида. Функция сперматозоида — доставить свое ядро внутрь яйцеклетки, поэтому он такой небольшой. Яйцеклетке же еще предстоит превратиться в эмбрион, причем во время первых делений она не увеличивает свою массу, и в ней должен содержаться запас питательных веществ. Взрослый мужской организм ежедневно производит миллионы сперматозоидов, женский же — одну яйцеклетку за период приблизительно 28 дней. Поэтому за все время жизни у женщины образуется 400—500 зрелых яйцеклеток. Все клетки, способные образовывать яйцеклетки, — около 2 миллионов — уже содержатся в организме девочки при рождении.
К наступлению половой зрелости количество этих клеток уменьшается до 300 тыс., и

7 лишь примерно 500 достигает стадии зрелой яйцеклетки. Во всех яйцеклетках содержится только Х-хромосома, тогда как в половине сперматозоидов находится Х-хромосома, а в другой половине — Y-хромосома. Это объясняет, почему мальчиков и девочек рождается примерно поровну: ведь если яйцеклетку оплодотворит сперматозоид с Х-хромосомой, то получится женский зародыш ХХ, а если сперматозоид с Y-xpoмосомой, то мужской зародыш XY.
Сразу после зачатия будущий человек представляет собой всего одну клетку, наделенную одной исходной ДНК-овой библиотекой, содержащей 46 «томов» (23 пары хромосом). Среди 46 томов всегда 23 получены от отца, а другие 23 — от матери. Трудно себе представить, что зародыш каждого человека вместе со всей своей наследственной информацией когда-то весь состоял из одной оплодотворенной яйцеклетки, размером всего 0.1 мм! Тексты 23 отцовских и 23 материнских томов хотя и очень сходны в целом, тем не менее, отличаются в деталях. При каждом делении клетки содержащиеся в библиотеках тома ДНК-ового текста копируются, причем практически без ошибок. Организм взрослого человека состоит в среднем из
10
клеток. В головном мозге и печени насчитывается примерно по 10 млрд. клеток, в иммунной системе — 300 млрд. клеток. В течение всей жизни человека во всех его клетках происходит около
10
клеточных делений. Клеточный состав многих органов за 70 лет жизни обновляется несколько раз. И каждая из этих клеток (кроме половых) содержит одни и те же 46 томов
ДНК-ового текста.
Можно считать, что 4 основания A, C, G, T являются «буквами», из которых составляются «слова», определяющие аминокислоты. Из аминокислот строятся белки, составляющие основу живых организмов. Во всех живых организмах используются
только 20 аминокислот. Поскольку при этом используются только 4 основания, а нужно определить 20 разных аминокислот, слово должно иметь длину не менее 3-х. Из четырехбуквенного алфавита можно составить лишь 4 разных однобуквенных слова, из двух букв можно составить 4*4 = 16 разных двухбуквенных слов, а из трех букв получаются 4*4*4 = 64 разных трехбуквенных слова. Оказывается, что природа выбрала именно трёхбуквенные слова. В таком коде каждая тройка, например GAG, обозначает какую-то из 20 аминокислот (в данном случае глутаминовую кислоту). Мы видим, что трёхбуквенный код имеет некоторую избыточность, так как нужно закодировать 20 аминокислот, а разных слов имеется 64 штуки. Заметим, что кроме 20 аминокислот для кодирования аминокислот необходимо еще иметь слова, соответствующие началу и концу «фразы», состоящей из нескольких слов. Именно «фразами» (наборами слов) кодируются белки.
Полный генетический код был установлен по кусочкам к 1960 году. Он является избыточным: одной и той же аминокислоте в нем соответствуют иногда 2, 3 и даже 6 разных слов. 3 разных слова TAA, TAG, TGA соответствуют «границе фразы» (началу или концу). Заметим, что избыточность кода увеличивает его помехоустойчивость при случайной ошибке кодирования. Например, каждое из слов CCT, CCC, CCA, CCG
кодирует одну и ту же аминокислоту, пролин, так что ошибка в последней букве несущественна. Важно заметить, что описанный генетический словарь – един для всей
живой природы, включая растения, микробы и вирусы! Он был создан природой (отобран

8 в ходе эволюции организмов) около 3-4-х миллиардов лет назад! Вот яркое свидетельство единства всей живой Природы на Земле!
Кодирование аминокислот
Генетический код можно изобразить в виде следующей диаграммы. Для определения аминокислоты, соответствующей, скажем, слову CGA, мы выбираем из центрального круга букву C, затем, идя по радиусу, из прилежащего к нему кольца выбираем букву G и затем из следующего кольца букву А: мы попадаем (по радиусу) в сектор Arg (аргинин).
Все аминокислоты имеют обозначения, показанные внутри круга. Заметим, что некоторые аминокислоты встречаются более, чем в одном положении (лейцин, аргинин, серин) и что код существенно избыточен, особенно в третьей букве. Например, каждая из 6 троек TCT,
TCC, TCA, TCG, AGC, AGT является кодом серина. Имеется 3 кода TGA, ТАG, TAA,
обозначающие границу фразы (Stop).
В «книге» нашего генома примерно 1 000 000 000 «слов» (3 000 000 000 «букв»). Если считать, что буквы чередуются в книге генома «случайно», то объем информации всей книги, измеряемый двоичным логарифмом числа возможных комбинаций, равен
2
log
(
4
) =
2
log
(
2
∗
) = 6 000 000 000 бит = 750 000 000 байт =
= 750 Мегабайт.
Таким образом, объем информации генома таков, что в недалеком будущем каждый сможет записать свой геном, закодированный нужным образом, на флэшку.

9

В ДНК содержится «проект построения» и функционирования всего организма. Но в каждый момент развития в любой из клеток нужна лишь часть этой информации.
Необходимые «частичные инструкции» переписываются на более короткие, чем ДНК, молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК). В РНК основание Тимин заменяется на основание Урацил, а дезоксирибоза на рибозу (отсюда название - РНК). Средняя по размеру молекула РНК содержит 10 000 нуклеотидов, самая длинная РНК человека содержит 2 000 000 нуклеотидов (молекула ДНК 3 000 000 нуклеотидов). Таким образом, молекула РНК «переписывает» только часть информации ДНК, нужную для данной «работы». РНК в отличие от ДНК не двуцепочечная, а одноцепочечная, она легко проходит через оболочку ядра в цитоплазму клетки. Длину ДНК (или её фрагмента)
обычно измеряют в единицах «пар нуклеотидов» (п.н.).
Всю «молекулярную работу» в клетке осуществляют белки. «Переводчиками» с языка инструкций ДНК работают рибосомы – молекулярные «машины», в которых в строгом соответствии с последовательностью нуклеотидов в РНК синтезируются цепочки полимеров из аминокислот – белки. Таким образом, передача информации при построении белка идет по схеме:
ДНК  РНК  белок
Белки
Белки являются основными элементами, из которых состоят структуры живого организма: кости, мускулы, хрящи, ногти, волосы. Белки также выполняют функциональную, «управляющую» роль: таковы белки гемоглобина и белки бесчисленных ферментов, контролирующих процессы, образующие состояние «быть живым». Недаром Фридрих Энгельс сказал: «Жизнь – это формы существования белковых тел».
Белки выполняют самую разнообразную работу в клетке. В зависимости от этой работы различают:
- структурные белки (составляющие кости, мышцы, хрящи, кожу и другие ткани);
- ферменты, контролирующие протекание химических реакций;
- белки-транспортёры различных веществ;
- белки-«защитники» клетки;
- белки-ярлыки (например, определяющие тканевую несовместимость у млекопитающих);
- белки, воспринимающие сигналы;
- белки, регулирующие работу генов.

10

В отличие от ДНК, имеющей однотипную, линейную структуру, белки по форме очень разнообразны: трехмерны, «ветвисты» и «извилисты». Многие белки напоминают своей структурой детские игрушки «паззлы», в которых одни элементы входят своими
«выпуклостями» в «углубления» других элементов, образуя, таким образом, нужную фигуру. Структура и функции каждого белка зависят от последовательности составляющих его аминокислот. Спецификация всех белков организма – вот основная
функция наследственного кода. В ДНК содержится своего рода «проектная
документация» всех белков организма.
Что представляют собой белки?
Белки – это длинные нити маленьких молекул, называемых аминокислотами. Белки всех живых организмов состоят только из 20 аминокислот, но имеется множество других аминокислот. Возможно, что жизнь на других планетах может быть построена из других аминокислот. Каждая аминокислота состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и других элементов. Она содержит до нескольких десятков таких атомов. Ее можно синтезировать.
Полная «экипировка» человеческого тела состоит примерно из

Каталог: our
our -> Название работы: «Сравнительный анализ луговой растительности памятников природы города Саров»
our -> Лекция «Половое воспитание в семье»
our -> Исключения из Программы «Ведение беременности» показания для направления беременных высокого риска по материнской ( материнский риск III)и перинатальной смертности
our -> На регулярность менструального цикла оказывают влияние разные факторы
our -> Курская областная научная библиотека им. Н. Н. Асеева научно-методический отдел методические материалы по профилактике пагубных привычек