Глава 4
Генетика
Большинство людей знают, что их внешний вид, а также определенные аспекты состояния здоровья определяются генами. Однако подавляющее большинство слабо представляют себе, что такое ген. Вы, будучи биоинженерами, собираетесь манипулировать генами, и поэтому вам необходимо четко понимать, что ген — это участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о структуре специфического белка. Сравнивая разные виды живых организмов, вы обнаружите, что код универсален, то есть один и тот же белок кодируется у разных организмов одной и той же последовательностью нуклеотидов, которая располагается в одном и том же участке хромосомы у каждого индивидуума внутри данного вида. Конечно, если быть более точным, это не совсем верно, так как мы генетически отличаемся друг от друга, а некоторые гены могут кодировать более чем один белок, но в целом это утверждение верно. Что же касается генетического кода, то он одинаков для всех живых организмов, начиная с водорослей и заканчивая гориллой и человеком. Данная последовательность органических оснований, входящая в состав цепи ДНК, кодирует ту же самую молекулу (или несколько молекул белка), независимо от того, к какому виду относится организм.
Каждый ген занимает определенное положение в хромосоме, называемое локусом. Существуют различные формы одного и того же гена — аллели. Например, есть аллели, определяющие группу крови: А и В; оба эти аллеля могут отсутствовать (0). Существует только два локуса, где эти аллели могут располагаться: один — на хромосоме, которую вы получили от матери, а другой — на хромосоме, которую получили от отца.
Менделевская генетика
Перед тем как мы познакомимся с основами генетики, обратимся к истории. Основы генетики были заложены в XIX веке грего-рианским монахом из монастыря августинцев Грегором Менделем. 7g
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
АЛ'*
Мендель не знал, что такое генетический код и где он находится, но он знал, что существует такой код, а также то, что внешний вид потомков определяется комбинацией признаков, унаследованных от каждого из родителей. Мендель осознавал, что многие признаки, например рост индивидуума, наследуются сложным образом. Поэтому, чтобы разработать свою систему, он выбрал признаки, имеющие простой характер наследования.
Мендель разработал свою модель, используя цветки гороха, которые бывают либо фиолетовыми, либо белыми (рис. 4.1). Он заметил, что растения гороха с белыми цветками, опылявшиеся пыльцой таких же растений, всегда образовывали семена, из которых вырастали растения с белыми цветками. Сходным образом растения гороха, имеющие фиолетовые цветки, всегда образовывали семена, из которых вырастали растения с фиолетовыми цветками. Однако когда растения с фиолетовыми цветками опылялись пыльцой растений с белыми цветками, все потомство имело фиолетовые цветки. Мистика на этом не заканчивалась. Мендель обнаружил, что потомки последних (а вы помните, что эти растения были получены путем скрещивания растений с белыми и фиолетовыми цветками) при самоопылении образовывали семена, из которых иногда вырастали растения с белыми цветками. Это свидетельствовало о том, что семена каким-то образом сохраняют память о признаке, проявлявшемся поколения тому назад.
Мендель разработал модель, согласно которой признаки закодированы в клетке в каких-то дискретных единицах, названных впоследствии генами. Его модель доказывала, что одни признаки были «сильнее» других. Сильные признаки, то есть признаки, проявляющиеся у особей в первом поколении, были названы доминантными, а слабые — рецессивными. Конечно, на том этапе развития науки он понятия не имел о механизмах наследования. Чтобы доказать свою модель, Мендель обозначил каждый исследуемый признак буквой. Например, признак окраски цветков гороха — латинской буквой р. Принимая во внимание, что данный признак кодируется двумя аллелями одного гена, обозначим доминантный аллель, ответственный за проявление доминантного признака (фиолетовая окраска цветков), заглавной буквой Р, а рецессивный аллель, определяющий белую окраску цветков, — буквой р.
Если растение образует фиолетовые цветки, то любой такой организм будет нести доминантный аллель Р, полученный от 80 родителей. Один признак может контролироваться более чем
ГЛАВА 4 Генетика
Доминантные и рецессивные признаки
Фиолетовый (РР)
Скрещивание растений гороха с разной окраской цветков
Белый (рр)
Скрещивание
Фиолетовый (Рр)
растений гороха с одинаковой окраской цветков
Фиолетовый (Рр)
Все растения этого поколения имеют фиолетовые цветки
Фиолетовый (РР) Фиолетовый (Рр)
Фиолетовый (Рр)
Белый (рр)
% растений имеют фиолетовые цветки и Уд растений имеют белые цветки
Рис. 4.1. Простая модель, объясняющая наследование окраски цветков у гороха
одним геном. Совокупность наследственных свойств организма называется генотипом. В данном случае генотип растений с фиолетовыми цветками можно записать как РР или Рр, а генотип растений с белыми цветками — рр. Потомки от скрещивания растений с белыми цветками будут иметь генотип рр.
81
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
Совокупность внутренних и внешних признаков называется фе
нотипом.
При скрещивании растений с фиолетовыми (РР) и белыми (рр) цветками все потомки будут иметь генотип Рр. По существующему соглашению первое поколение особей принято называть F1 (такое обозначение не употребляется нигде, кроме генетических экспериментов). Особи с генотипом Рр будут иметь фиолетовые цветки, так как несут доминантный аллель. Фиолетовая окраска — фенотипическое проявление данного признака, его фенотип. При скрещивании особей, имеющих генотип Рр, мы можем получить все возможные сочетания аллелей Р и р.
				"j"		"'7	
J' \ ! 'V ' ' '"te '	\ 'л ч \“А \	.JJy 4* г s j.	S s 1 ч *л\ чг v л ч Ч \ «чХ.	-Й-чХ * . . as ' Xtjv  ’ ‘Ч?’	.л ч% \ \ , Ь Ф л	рр	Рр
ч	4	..Ч	ч	’ч. ч ч 4 S 4	.. г	s	Рр	рр
Этот принцип записи генотипов потомков называется решеткой Пеннета. Каждая ее ячейка представляет собой генотип потомка. У вас есть один РР, два Рр и один рр. Все особи, имеющие генотип РР и Рр, будут иметь фиолетовые цветки, что составляет 75% от общего числа особей. Конечно, мы можем проанализировать поколение F2 или любое другое число поколений в нашем исследовании, но это будет несколько сложнее.
А как насчет других признаков у гороха? Рассмотрим, например, высоту побега. У Менделя были растения гороха с длинными и короткими стеблями. Он обнаружил, что высота побега наследуется по тому же принципу, что и окраска околоцветника у цветка. Растения могут иметь либо длинный стебель, либо короткий. Он также пришел к заключению, что высота побега наследуется независимо от окраски цветков. Вспомните, что Мендель не обладал знаниями о механизмах наследования, которые мы получили в XXI веке. Ведь только в XXI веке ученые узнали, что гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются сцепленно, а гены, расположенные в разных хромосомах, — независимо друг от друга. Менделю повезло, что он случайно выбрал признаки, которые наследуются независимо, в результате чего смог доказать, по крайней мере для изученных признаков, что гены наследуются независимо друг от друга.
Даже для признаков, которые контролируются одним-единствен-82 ным геном, их проявление может не всегда соответствовать описан
ГЛАВА 4 Генетика
ной модели. В некоторых случаях у потомков наблюдается промежуточное проявление признака. Такой тип наследования называется неполным доминированием. Классическим примером неполного доминирования служит окраска цветка у хризантем. В простейшем случае цветки могут быть красными, белыми и розовыми. Эксперименты показывают, что растения с красными цветками имеют генотип RR, растения с белыми цветками — гг (наподобие цветков гороха). Однако при скрещивании растений с красными и белыми цветками все образующиеся потомки будут иметь розовые цветки. По генотипу эти особи будут гетерозиготными, то есть и с доминантным, и с рецессивным аллелями (1?г). Название «неполное доминирование», возможно, несколько неудачно, так как предполагает, что один аллель пытается преодолеть действие другого, но не совсем удачно. На самом деле это результат действия обоих аллелей, что встречается в природе достаточно часто. У хризантем один аллель определяет образование красного пигмента, а другой — белого или его отсутствие. В результате смешивания и образуется розовая окраска цветков у гибридов.
Как видно из рис. 4.2, при скрещивании двух гетерозиготных особей (1?г) в потомстве образуется 25% растений гомозиготных особей с красными цветками (/?/?), 50% гетерозиготных особей с розовыми цветками {Rr) и 25% гомозиготных особей с белыми цветками (гг).
Широко известный пример признака, который наследуется по типу неполного доминирования, — наследование групп крови. Вспомните, что у человека имеются аллели А и В, которые определяют образование определенных веществ в эритроцитах крови. Этих аллелей может не быть вообще (0), и тогда данные вещества в эритроцитах не образуются. Ниже записаны возможные генотипы.
			
	АО	ВО	00
	АА	АВ	АО
	АВ	ВВ	ВО
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
Неполное доминирование признаков
Скрещивание хризантем с различающимися по цвету цветками
Розовый (Rr)
Розовый (Rr)
Красный (RR)
Розовый (Rr)
Белый (гг)
Все растения этого поколения имеют розовые цветки
% всех растений имеет розовые цветки, Уа всех растений имеет белые цветки. Оставшаяся половина
растений имеет розовые цветки
Красный (RR) ^Скрещивание хризантем со сходными по цвету цветками
Розовый (Rr)
Белый (гг)
Рис. 4.2. Наследование окраски цветков у хризантем
Генотипы АА и АО определяют вторую группу крови (А). Генотипы ВВ и ВО — третью группу крови (В). Генотип АВ соответствует четвертой группе крови (АВ), а генотип 00 — первой группе (0).
Многие здоровые особи несут рецессивный аллель, который, 84 проявляясь в гомозиготном состоянии, вызывает заболевания. Во
ГЛАВА 4 Генетика W?
многих случаях нормальный уровень белка определяется наличием в двух гомологичных хромосомах одинаковых аллелей. Напомню, что ген кодирует специфический белок. Некоторые белки определяют цвет глаз, другие необходимы для здоровья.
Если нарушается нормальный уровень экспрессии (считывания) гена, ответственного за образование определенного белка, то содержание белка в клетке не будет оптимальным. Примером может служить болезнь Тея-Сакса. Это очень тяжелое заболевание, которое часто встречается у евреев-ашкенази. Дети, страдающие болезнью Тея-Сакса, не имеют фермента (белка) гексозоаминидазы A (hex А), который необходим для разрушения определенных соединений в мозге и нервных клетках. Накапливаясь, соединения постепенно разрушают клетки, пока центральная нервная система не перестает работать. Эти несчастные люди гомозиготны по рецессивному аллелю, в результате чего необходимый фермент не образуется. Люди, гетерозиготные по данному признаку, то есть несущие доминантный и рецессивный аллели, имеют пониженный уровень hex А, что служит тестом для выявления носителей болезни Тея-Сакса.
Признаки, сцепленные с полом
Перейдем к обсуждению признаков, сцепленных с полом, то есть признаков, которые определяются генами, находящимися в Х-хромо-соме. X- и Y-хромосомы являются половыми хромосомами, в то время как другие относятся к аутосомным хромосомам. Y-хромосома содержит очень мало генетического материала. Женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины — только одну. Так как у мужчин имеется всего одна Х-хромосома, то почти все гены в ней (не только доминантные, но и рецессивные) проявляются в фенотипе. Это происходит, поскольку гены Х-хромосомы, как правило, не имеют пары в Y-хромосоме: существует только одна копия этих генов. Как результат такой особенности, мужские особи, имеющие всего один аллель рецессивного гена, расположенного в Х-хромосоме, имеют фенотип, одинаковый с гомозиготными женскими организмами, несущими два таких аллеля — по одному в каждой из Х-хромосом. Если ген в Х-хромосоме имеет дефект, этот дефект у мужской особи будет проявляться. Самым типичным примером является цветовая слепота (дальтонизм). Цветовая слепота намного чаще проявляется у мужчин, так как этот дефект определяется геном, расположенным в Х-хромосоме, в результате чего нарушается нормальное функционирование сетчатки глаза.	85
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
Дальтонизм
Х-хромосома
Y-хромосома
Нормальный Носитель
Нормальный Дальтоник
Рис. 4.3. Наследование дальтонизма. Носителем заболевания является мать
Давайте рассмотрим случай, когда женщина является носителем гена дальтонизма. Она может и не знать, что имеет этот дефектный ген в своем геноме. Мы обозначим ее нормальную Х-хромосому как Х-С, а хромосому, в которой находится дефектный ген, — Х-с. Ее партнер имеет нормальную Х-хромосому (Х-С) и Y-хромосому (рис. 4.3).
Генотип XX соответствует нормальной женщине, ХХ-С — нормальной женщине, которая является носителем. Генотип XY— нормальному мужчине, a X-CY — мужчине-дальтонику. Вы можете сами нарисовать решетку Пеннета, чтобы увидеть результаты скрещивания между нормальной женщиной и мужчиной-дальтоником, как это показано на рис. 4.4. Все потомство мужского пола будет нормальным, а все потомство женского пола будет нести ген дальтонизма.
	•• О:'/?	С. :•	- Л : V- • •	”	•	• •?:	
	XX	XY
	XX с	X CY
ГЛАВА 4 Генетика
Дочь
Дальтонизм
Х-хромосома
Y-хромосома
Мать — нормальное зрение	Отец — дальтоник
Дефектный ген
Сын

Носитель
Нормальный
Рис. 4.4. Наследование дальтонизма. Носителем заболевания является отец
Признаки, сцепленные с полом, наследуются независимо от признаков, определяющих пол. Существует много признаков, которые по-разному проявляются у мужчин и женщин, даже если индивидуумы имеют почти такой же генотип. Наилучшим примером является облысение. Мужчины, гетерозиготные по этому признаку, становятся лысыми в раннем возрасте, в то время как у женщин волосы на голове сохраняются вплоть до менопаузы. Рост человека также определяется полом.
Наследование признаков, контролируемых более чем одним геном или парой аллелей
Мне не нужно говорить вам, что большинство признаков имеет более сложный характер наследования, чем в опытах Менделя. В исследованиях Менделя признаки относились к одному из двух классов и не наблюдалось неполного доминирования у гетерозигот. С другой стороны, Гальтон, изучая характер наследования таких признаков, как рост и умственные способности человека, обнаружил, что любой признак, который проявляется в популяции в виде нор- 87
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
мального (колоколообразного) распределения, должен контролироваться более чем одной аллельной парой.
Рассмотрим наследование цвета глаз человека. Цвет глаз определяется количеством пигмента, названного меланином, который находится в радужной оболочке глаза. Карие глаза имеют больше пигмента, чем голубые. Количество пигмента определяется несколькими генами, контролирующими его образование. В настоящее время известно три гена, которые контролируют цвет глаз у человека. Два из них находятся в 15-й паре хромосом и один найден в 19-й паре. Ген Ьеу2, находящийся в 15-й хромосоме, имеет аллели, ответственные за карие и голубые глаза. Ген, расположенный в 19-й хромосоме (gey-ген), имеет аллели, ответственные за голубые и зеленые глаза. Третий ген (beyl), расположенный в 15-й хромосоме, определяет карие глаза.
Генетики считают, что ген Ьеу2 имеет два аллеля, которые определяют карий и голубой цвет глаз. Аллель, определяющий карий цвет глаз, всегда доминантный, а аллель, определяющий голубой цвет глаз, — рецессивный. Ген gey также имеет два аллеля, которые определяют зеленый и голубой цвет глаз. Аллель, определяющий зеленый цвет глаз, доминантен по отношению к аллелю, определяющему голубой цвет глаз, но рецессивен по отношению к аллелю, определяющему карий цвет глаз. Это означает, что существует порядок доминирования между этими генами (табл. 4.1). Если человек несет аллель, определяющий карий цвет глаз в 15-й хромосоме, и все другие аллели определяют голубой или зеленый цвет глаз, то человек будет иметь карие глаза. Если человек имеет аллель, определяющий зеленый цвет глаз и располагающийся в 19-й хромосоме, а все остальные аллели определяют голубой цвет, то цвет глаз будет зеленым. Голубой цвет глаз проявляется только в том случае, когда человек несет только аллели, ответственные за голубой цвет. Характер наследования серого и светло-коричневого цвета глаз, а также факторов, обеспечивающих многочисленные оттенки коричневого, голубого, зеленого и серого цвета глаз, остается невыясненным до настоящего времени.
Становится очевидным, что гены взаимодействуют друг с другом очень сложным образом. Поэтому, когда футуристы среди нас полагают, что вы сможете создать совершенного человека, основываясь лишь на знаниях генетического кода, относитесь к этому скептически.
ГЛАВА 4 Генетика
Таблица 4.1. Наследование цвета глаз
Аллель	Ген			Цвет глаз
	beyl	Ьеу2	gey	
	голубой	голубой	голубой	голубой
	голубой	голубой	зеленый	зеленый
	карий	голубой	голубой	карий
	карий	голубой	зеленый	карий
	карий	карий	голубой	карий
	карий	карий	зеленый	карий
	голубой	карий	голубой	карий
	голубой	карий	зеленый	карий
Мутации
Клетка тратит огромные ресурсы на поддержание целостности своих информационных систем. Однако иногда код искажается. Мы называем искажения генетического кода мутациями. По аналогии с компьютером мутации встраивают в код вирус — набор инструкций, которые нарушают способность клетки нормально функционировать или даже ведут ее к гибели. Многие из этих «вирусов», или ошибок, немедленно удаляются. По современным оценкам, в организме человека каждый день происходит около миллиона ошибок (мутаций). Ясно, что существует очень эффективный механизм для удаления дефектных клеток. Если было бы иначе, геном человека не просуществовал бы в течение столь большого числа поколений. Однако время от времени измененный код «выживает», чтобы передаваться по наследству из поколения в поколение. Обычно это возможно, так как измененный ген присутствует только в одной хромосоме, тогда как в другой находится нормальный ген. Особи, имеющие только один дефектный ген, могут жить и размножаться. В этом случае ген рассматривается в качестве рецессивного, и для его проявления необходимо наличие двух дефектных генов.
В результате чего генетический код может искажаться? Факторы внешней среды могут изменять структуру ДНК. Поток энергии от радиоактивных источников может выбивать или изменять основание в молекуле ДНК. Некоторые химические соединения также могут действовать подобным образом или же изменять участки начала и окончания транскрипции. Химические соединения, которые могут 89

БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
Воздействие мутагенов
Соматическая клетка
Клетка погибает
Клетка-киллер
Клетка убита клеткой-киллером
Клетка размножается, в результате чего образуется опухоль
Воздействие мутагенов
Рис. 4.5. Мутации
вызывать мутации, названы мутагенами. Некоторые (но не все) из них являются причинами ракового перерождения клеток. Отсюда они получили название канцерогенов.
Если изменения происходят в соматических клетках, то мутации могут оказывать неблагоприятное воздействие на данный конкретный организм, но не передаются по наследству. Примером может служить мутация в клетке кожи, что приводит к развитию рака кожи. Потомки таких особей не рискуют унаследовать рак кожи. Однако если мутация происходит в клетке — предшественнице половых клеток или же в самих половых клетках (сперматозоиде или яйцеклетке), мутация будет передаваться будущим поколениям. В настоящее время обсуждается вопрос о том, какой процент мутаций является результатом воздействия внешних факторов, а какой — результатом простых ошибок в процессе репликации. Конечно, точность копирования информации не является 100%-ной, и определенное количество мутаций возникает в отсутствие воздействия внешних факторов
90 (рис. 4.5).
ЛАВА 4 Генетика w\ "А/3
Генетические заболевания
Еще задолго до того, как были открыты гены, во многих случаях стало известно, как наследуются заболевания, благодаря наблюдениям над тем, каким образом они передаются из поколения в поколения. Было обнаружено, что многие генетические заболевания на время исчезали из истории семьи и не проявлялись у потомков, что позволило сделать вывод об их рецессивности. Вспомните, что эксперименты Менделя были проведены в XIX веке. Вероятность наследования генетических заболеваний зависит от расовой принадлежности родителей и от части мира, откуда они родом. Вы были бы удивлены количеством людей, которые страдают от таких заболеваний.
ХРОМОСОМНЫЕ НАРУШЕНИЯ
Менее вероятно, что этот тип нарушений будет передаваться по наследству, потому что они возникают благодаря нарушениям в структуре хромосом. Большинство таких заболеваний определяется присутствием в клетке аномального числа хромосом. Клетки могут иметь аномальное число хромосом из-за нарушения клеточного деления, образования половых клеток либо как результат нарушений, возникших на ранней стадии жизни зиготы. Одна из клеток, возникших в результате деления материнской клетки, получает одну или две лишние хромосомы, которые должны были попасть в другую клетку. К заболеваниям, вызванным избытком хромосом, относится синдром Клайнфельтера, который возникает благодаря наличию одной или большего числа лишних половых хромосом (например, XXY); синдром Дауна, возникающий благодаря трисомии (наличию лишней хромосомы) в 21-й паре хромосом, и синдром Трисомии 13, причиной которого является наличие дополнительной хромосомы в 13-й паре.
Синдром Клайнфельтера обнаруживается примерно у одного мужчины из тысячи. Мальчики, страдающие синдромом Клайнфельтера, чаще, чем другие дети, характеризуются задержкой моторной функции, речи, полового созревания. Синдром Трисомии 13 встречается примерно у одного ребенка на каждые десять тысяч новорожденных. Дети, родившиеся с синдромом Трисомии 13, обычно имеют маленький размер головы (микроцефалия), небольшие глаза (микрофтал-мия) или недоразвитую радужную оболочку глаз. Около 80% детей д-|
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
с Трисомией 13 имеют врожденный порок сердца. Синдром Дауна наиболее часто характеризуется слабым или средним нарушением умственного развития и наличием связанных с ним заболеваний, встречается у одного из 800 новорожденных, свойственен всем расам и экономическим группам. С синдромом Дауна часто связано нарушение слуха, порок сердца и нарушения в иммунной системе. Как уже отмечалось, большинство людей, страдающих синдромом Дауна, имеют низкий уровень IQ из-за нарушения умственного развития.
Клиницисты получили возможность взглянуть на хромосомы около 40 лет тому назад благодаря методике, известной под названием кариотипирования (рис. 4.6). В неделящихся клетках хроматин имеет вид спутанных нитей. Однако во время митоза 23 пары хромосом видны под световым микроскопом. Чтобы провести анализ кариотипа, клетки фиксируют на стадии митоза и окрашивают специальным красителем. Краситель показывает участки хромосом, богатые аденином (А) и тимином (Т), в результате чего образуются темные полосы. Каждая полоса может содержать до 100 тыс. пар оснований. Для распределения хромосом по парам используется специальная компьютерная технология.
Кариотипирование используется для скрининга эмбрионов на предмет выявления генетических заболеваний. Клетки, содержащие
Нормальный кариотип человека
К )( 1) Л V
1	2	3	4	5
И	A	A.	if	Д	)1	Л
6	7	8	9	10	11	12
U	и	л	я	н	н
13	14	15	18	17	18
)|	||	..	«•
19	20	21	22	X
92
Рис. 4.6. Нормальный кариотип человека
ГЛАВА 4 Генетика SW?
Трисомия 13
К	)1	Л
10	11	12
>1	н	и
16	17	18
Рис. 4.7. Кариотип человека, страдающего Трисомией 13
генотип плода, отбираются из амниотической жидкости, окружающей плод в матке, с использованием технологии амниоцентеза. Наличие лишней хромосомы четко видно на кариотипе, как показано на рис. 4.7 для Трисомии 13.
АУТОСОМНЫЕ РЕЦЕССИВНЫЕ НАРУШЕНИЯ
Эти нарушения проявляются только в том случае, когда потомок получает дефектные гены от каждого из родителей.
Кистозный фиброз. Кистозным фиброзом страдает около 30 тыс. жителей США. Это наиболее распространенное генетическое заболевание среди жителей Кавказа, где один из 25 — 30 человек является носителем этого гена, а у одного из 3200 заболевание проявляется при рождении. Заболевание характеризуется образованием очень вязкой слизи в легких, поджелудочной железе и семявыносящих путях у мужчин. Результатом является пневмония, панкреатит и мужское бесплодие. Методами современной медицины удается продлить жизни таким больным до 30 лет. Раньше они погибали в раннем детстве.
Острая комбинированная иммунная недостаточность. Острая комбинированная иммунная недостаточность является очень редким заболеванием, причина которого — отсутствие ключевого фермента, необходимого для удаления избытка аденозина. Возможно, вы слышали о детях, страдающих острой комбинированной иммунной недостаточностью, которые всю жизнь прожили в стерильных условиях. Они изолированы от окружающей среды, потому что, не имея 93
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
ключевого фермента, их иммунная система не может противостоять микроорганизмам. К сожалению, такие больные не могут долго жить в изолированных условиях и должны регулярно получать недостающий фермент.
Фенилкетонурия. Фенилкетонурия является достаточно обычным заболеванием, которым страдает один из 12 тыс. жителей Кавказа. Причина этого заболевания — нарушение метаболизма аминокислоты фенилаланина. Все новорожденные в США проходят тест на высокое содержание фенилаланина, и если результаты теста положительны, фенилаланин исключается из их диеты. Эти ограничения позволяют им вести нормальный образ жизни. В противном случае уже в течение первых месяцев после рождения развивается острая умственная недостаточность.
Серповидно-клеточная анемия. Серповидно-клеточная анемия встречается главным образом у выходцев из Африки. Это заболевание характеризуется нарушением в красных клетках крови, в результате чего они приобретают серповидную форму, тогда как нормальные эритроциты имеют форму двояковогнутого диска. Клетки с измененной формой не способны проходить через капилляры. Для людей, у которых дефектами являются оба аллеля данного гена, без активного вмешательства все заканчивается очень плохо — они не доживают до зрелого возраста. У индивидуумов, несущих только один дефектный аллель, часть эритроцитов серповидной формы, а часть остается нормальными. Поэтому такие люди выживают. Представляет большой интерес, что гетерозиготные особи имеют повышенную устойчивость к малярии, так как паразит, вызывающий малярию, может жить только в нормальных красных клетках крови и не может размножаться в клетках с измененной формой. Феномен, посредством которого повышается выживаемость гетерозигот в популяции, представляет большой интерес для популяционной генетики. Неудивительно, что носители гена серповидно-клеточной анемии являются выходцами из областей с широким распространением малярии. Доказанный положительный эффект гетерозиготного генотипа дает нам, биотехнологам, паузу для раздумья: если гены, которые мы рассматриваем как «плохие», удалить из популяции, можно воздействовать на другие функции путем, который мы пока не в состоянии предугадать заранее.
АУТОСОМНЫЕ ДОМИНАНТНЫЕ НАРУШЕНИЯ
Печальный перечень заболеваний, о котором мы только что говорили, дает примеры генов, наличие которых фатально для их носителей, только если они наследуются от обоих родителей, то есть
™ЯЗД JR jR Г"	_ "X
BA 4 Генетика SW
СЛ j
эти гены рецессивны. Существуют также генетические заболевания, которые могут наследоваться только от одного родителя. В этом случае говорят об аутосомных доминантных нарушениях и заболеваниях, сцепленных с полом. Первые включают талассемию и болезнь Хантингтона.
Талассемия. У людей, страдающих талассемией, нарушена структура гемоглобина (рис. 4.8). Это заболевание проявляется у каждого индивидуума, который несет дефектный ген, так как образование нормального гемоглобина требует участия обеих хромосом. Гемоглобин состоит из четырех больших полипептидных цепей, две из кото-
Хромосомная пара
Молекула гемоглобина
Нормальная альфа-цепь
Нормальная альфа-цепь
Дефектный ген, кодирующий бета-цепь гемоглобина. Существует четыре возможных комбинации
25% НЬ
Нормальная альфа-цепь
Аномальная бета-цепь
Нормальная бета-цепь
Нормальная альфа-цепь
Нормальная бета-цепь
Аномальная бета-цепь
25% НЬ
Нормальная * Нормальная альфа-цепь альфа-цепь
Аномальная Аномальная бета-цепь • бета-цепь
Нормальная ▼ Нормальная альфа-цепь альфа-цепь
Нормальная бета-цепь
Нормальная бета-цепь
Рис. 4.8. Талассемия
95
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
рых названы альфа-глобулинами, а две — бета-глобул инами, каждая из которых удерживает атом железа, которое окисляется и восстанавливается при соответствующих условиях. Ген талассемии участвует в образовании двух цепей бета-глобулинов. Надо учитывать также то обстоятельство, что информация об образовании бета-глобулинов поступает от двух хромосом. Половина молекулы образуется соглас но инструкциям, полученным от одной хромосомы, а половина — от другой хромосомы. При заболевании талассемией половина бета-глобулинов в каждом из двух положений молекулы гемоглобина является дефектной. Это означает, что вероятность образования нормального гемоглобина составляет только 25% (50% вероятности в одном положении и 50% — в другом положении). Способность крови переносить кислород напрямую зависит от этого компромисса.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать важное заключение. В некоторых случаях нормальное функционирование одной хромосомы определяет нормальное функционирование всей клетки. Вы можете сами наблюдать, насколько это может быть совершенным при наличии очень эффективного механизма обратной связи. В качестве примера рассмотрим индукцию фермента лактатдегидрогеназы у бактерий. Этот фермент необходим для метаболизма сахара лактозы, найденного в молоке. Присутствие лактозы вызывает экспрессию гена лактатдегидрогеназы. Я говорю «вызывает», потому что этот ген обычно блокирован и не может считываться для образования белка. Однако лактоза связывается с белком-репрессором, который связан с хромосомой, в результате чего блокирование гена снимается. Кому нужна лактатдегидрогеназа, если нет лактозы? Однако, если белок-репрессор связывается с молекулой лактозы до того, как связаться с молекулой ДНК, лактатдегидрогеназа может синтезироваться. Когда уровень лактозы снижается, белок-репрессор связывается с сайтом связывания на хромосоме, и синтез фермента прекращается. Если дефектный ген лактатдегидрогеназы присутствует только в составе одной хромосомы, образование фермента будет индуцироваться при участии гена другой хромосомы, пока уровень лактозы не снизится, хотя это и может занять большее время. Однако, когда работа более сложна, вам могут потребоваться обе хромосомы. В случае гемоглобина его образование должно идти более или менее безостановочно, и для этого необходимо нормальное функционирование обеих хромосом.
Болезнь Хантингтона. Несмотря на то что ген, ответственный за проявление болезни Хантингтона, уже выделен, путь, по которому 96 он вызывает это очень тяжелое заболевание, остается неизвестным.
ГЛАВА 4 Генетика
Cxi
Симптомы данного заболевания заключаются в генетически запрограммированном разрушении нейронов мозга. Результатом нарушений являются неконтролируемые движения, снижение, а затем и полная потеря умственных способностей, изменения в эмоциональной сфере. Каждый ребенок от родителей, пораженных болезнью, имеет 50%-ную вероятность развития заболевания. Так как заболевание не проявляется до тридцати-сорока лет, многие индивидуумы с болезнью Хантингтона уже успевают завести потомство до тех пор, пока узнают о том, что являются носителями дефектного гена. Современные методы анализа позволяют обнаружить дефектный ген у людей, которые обращаются с такой просьбой. Он находится в четвертой хромосоме и состоит из 40—100 повторяющихся фрагментов ЦАГ, в то время как в норме имеются 26 или меньше копий этого тринуклеотида.
НАРУШЕНИЯ, СЦЕПЛЕННЫЕ С ПОЛОМ
Заболевания, связанные с Х-хромосомой, включают дальтонизм и лейкодистрофию. Лейкодистрофия — ужасное заболевание, которое вызывает нейрологическую дегенерацию, особенно у очень молодых мальчиков. Когда в медицине используется термин «дистрофия», это значит, что генетически обусловленное заболевание прогрессирует с возрастом, то есть имеет тенденцию все сильнее и сильнее проявляться с увеличением возраста пациента. Лейкодистрофия приводит к прогрессирующим нарушениям миелиновой оболочки нервных клеток мозга. Характер наследования лейкодистрофии может быть либо аутосомным рецессивным, либо сцепленным с полом. При аутосомных рецессивных нарушениях как девочки, так и мальчики страдают примерно в равной степени, а оба родителя должны быть носителями, то есть гетерозиготными. Носители не страдают от этого заболевания. Когда два носителя вступают в брак, половина их детей также становится носителями, четверть будет страдать данным заболеванием, а остальные будут абсолютно нормальными. Заболевания, сцепленные с полом, являются типичным примером проявления у половины потомков по мужской линии. У гетерозиготных носителей женского пола также иногда проявляются нарушения.
Влияние окружающей среды
Вышеупомянутые примеры позволяют сделать вывод, что многие наши проблемы связаны с геномом и не определяются состоянием нашего здоровья. В действительности факторы окружающей среды и 97
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
сложность механизмов регуляции экспрессии генов приводят к неопределенности в прогнозах по предсказанию экспрессии генов. Даже в случае прогнозирования таких заболеваний, как болезнь Хантингтона, существует вариабельность в возрасте, когда заболевание начинает прогрессировать.
Генная терапия
Термин «генная терапия» означает вставку недостающего фрагмента генетического кода (гена) в собственные клетки пациента, что очень помогает страдающим генетическими заболеваниями. Уместность применения генной терапии предусматривает следующие моменты: во-первых, этиология заболевания ясна, то есть мы четко знаем, что именно ее вызывает, и уверены, что причина заболевания кроется в наличии дефектного гена; во-вторых, мы знаем, в каком именно гене заключается проблема. Лучше всего ясно понимать, каким образом определенная неправильная информация кодируется измененным геном и как это кодирование приводит к симптомам, которые проявляются у пациента. Рассмотрим пример с фенилкетонурией. Генетическая причина этого заболевания абсолютно ясна, и вставка недостающих генетических инструкций для образования недостающего фермента кажется разумным выходом из данной ситуации.
Напротив, наследование различных типов диабета не столь однозначно. Диабет типа I является генетическим заболеванием. Риск заболевания диабетом возрастает в десять раз для людей, у которых родитель, родной брат, сестра или ребенок больны диабетом. Если у вас есть диабет-идентичный двойник, то вероятность заболеть диабетом составляет 50%. Однако ген, ответственный за развитие диабета, до сих пор не найден. Известно только, что развитие заболевания связано с присутствием гена, названого HLA-геном (от английского названия «human leukocyte antigen»). Индивидуумы, имеющие два дефектных аллеля данного гена, с большой вероятностью заболевают диабетом. Но развитие диабета не является в этом случае обязательным. В то же время некоторые больные диабетом, по-видимому, не имеют НLA-генов. Совершенно очевидно, что в настоящее время мы не можем использовать генную терапию для лечения больных диабетом.
В настоящее время проводятся многочисленные клинические qn испытания, целью которых является разработка стратегий генной
ГЛАВА 4 Генетика
терапии по отношению к заболеваниям, причину которых мы четко знаем, а также знаем, каким геном эта причина определяется. Существующие принципы генной терапии во многих случаях предполагают использование вектора, с помощью которого происходит вставка недостающего гена — обычно гена, который кодирует нормальный белок в клетки пациента (глава 5). Этот подход привел к значительному успеху клинических испытаний, включая пациентов, страдающих острой комбинированной иммунной недостаточностью. Однако другие клинические испытания привели к переменному успеху. Например, Targeted Genetics Corporation недавно сообщила об окончании исследований по лечению кистозного фиброза с использованием генной терапии из-за отсутствия существенных клинических улучшений у больных, страдающих этим заболеванием. Кроме того, когда два человека, больных острой комбинированной иммунной недостаточностью в результате генной терапии, позже заболели лейкемией, научное сообщество высказало мнение о нецелесообразности вставки генов в геном человека.
Несмотря на то что революции в здравоохранении при использовании генной терапии не произошло, эта стратегия, по-видимому, будет все шире использоваться в будущем. Даже неудачные клинические испытания пополняют наши знания и позволяют надеяться на успех в будущем. Однако мы должны ясно представлять возможные последствия генетических манипуляций, особенно когда имеем дело с человеческим организмом. Для этого необьходимо обладать бблыпими знаниями.
Заключение
Основные принципы наследования были определены в XIX веке Грегором Менделем. Мендель описал гены, которые были «спрятаны в геноме индивидуума как рецессивные». Так как каждый признак определяется двумя аллельными генами, по одному от каждого родителя, некоторые признаки могут иметь нормальное проявление, даже если только один из генов нормален, а во втором имеются нарушения. Однако, если организм наследует два дефектных гена, у индивидуума будет наблюдаться аномальное проявление признака. Такой принцип наследования был назван принципом доминирования. Рецессивный признак не обязательно должен быть аномальным. В знаменитых экспериментах Менделя с горохом рецессивным признаком был белый цвет цветков по отношению к фиолетовому, который был доминантным. Голубые глаза по отношению к коричневым — это дд
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
рецессивный признак, однако не аномалия. Иногда нежелательная черта является доминантной по отношению к рецессивной норме. Другие признаки будут проявляться в промежуточном состоянии. Такой принцип наследования получил название неполного доминирования. Менделевским примером этого типа наследования служит хризантема: скрещивание красных и белых хризантем дает растения с розовыми цветками.
Многие признаки контролируются множественными генами, например человеческий рост. Любая характеристика, распределение которой в популяции может быть отражено в виде параболы, как правило, находится под контролем нескольких генов. Примером этого явления может служить сообразительность. Очевидно, что генетический контроль признаков, осуществляемый множеством генов, намного сложнее менделевского наследования. Например, мы до сих пор до конца не знаем, чем определяется цвет человеческих глаз.
Наследование признаков, кодируемых в Х-хромосоме, называют сцепленным с полом. У особей женского пола есть две Х-хромосомы, в то время как у особей мужского пола — только одна. Таким образом, рецессивные признаки, кодируемые в Х-хромосоме, с большей вероятностью будут проявляться у мужчин. Классическим примером является неспособность различать цвета — дальтонизм.
Мутации являются причинами многих генетических заболеваний. Мутации могут быть вызваны ионизирующим излучением или различными химическими соединениями. Нередко происходят ошибки в процессе репликации, что приводит к мутациям. Существуют определенные механизмы, позволяющие удалить клетки, несущие мутации, хотя время от времени некоторые из этих клеток выживают. Мутации в половых клетках могут передаваться следующим поколениям.
Большое число заболеваний человека связано с генетическими дефектами. Причина некоторых из них заключается в неправильном расхождении хромосом. К таким заболеваниям относятся синдром Клайнфельтера, Трисомия 13 и синдром Дауна. Генетические заболевания человека, причинами которых являются рецессивные нарушения, включают кистозный фиброз, острую комбинированную иммунную недостаточность, фенилкетонурию, серповидно-клеточную анемию. Генетические заболевания человека, возникающие благодаря аутосомным доминантным нарушениям, включают талассемию и болезнь Хантингтона.
Генная терапия развивается в связи с развитием технологии ре-100 комбинантной ДНК. Применение этой технологии возможно толь-
ли	лж
ЯП	вВ д>	 *
ЛАВА 4 Генетика
ко в том случае, когда генетический механизм заболевания хорошо изучен. Теоретически, нормальный ген, отсутствующий у страдающих генетическим заболеванием людей, может быть вставлен в собственные клетки пациента. Этот подход уже успешно применялся на людях, страдающих острой комбинированной иммунной недостаточностью. Однако существует много технических трудностей, которые предстоит преодолеть, так как ряд проведенных клинических исследований дал не столь многообещающие результаты. Тем не менее не исключено, что в будущем человечество с помощью генной терапии сможет исправить природу в некоторых самых ужасных ее проявлениях, в результате чего обретут надежду и помощь многие отчаявшиеся родители.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Выберите правильный ответ
1.	Аллели представляют собой:
а)	разные формы данного гена в популяции;
б)	разное проявление данного признака (фенотип);
в)	дефектные формы гена;
г)	местоположение гена в хромосоме.
2.	Заболевания, сцепленные с полом, чаще проявляются у мужчин, потому что:
а)	вероятность присутствия двух дефектных генов у мужчин выше;
б)	мужчины имеют только одну Х-хромосому и, следовательно, только одну копию генов;
в)	женщины защищены гормональной системой;
г)	только мужчины могут унаследовать дефектную хромосому от матери.
3.	Серповидно-клеточная анемия:
а)	пример неполного доминирования;
б)	аутосомное рецессивное заболевание;
в)	проявляется в гомозиготном и гетерозиготном состоянии;
г)	ответы б) и в) верны.
4.	Люди с группой крови А:
а)	могут нести аллель, определяющий группу В;
б)	аллели, определяющие А и В, могут отсутствовать;	101
БИОТЕХНОЛОГИЯ без тайн
в)	должны иметь два аллеля А;
г)	ответы а) и 6) верны.
5.	Аутосомные доминантные заболевания:
а)	связаны с Х-хромосомой;
б)	не находятся под воздействием внешних факторов;
в)	проявляются у всех носителей дефектного гена;
г)	не являются кандидатами для генной терапии.
6.	Диабет I типа:
а)	наследуется как аутосомное рецессивное заболевание;
б)	не является генетическим заболеванием;
в)	поддается лечению с помощью генной терапии;
г)	известно, что находится под влиянием генетических факторов;
д)	ответы а) и в) верны.
7.	Признаки человека, которые находятся под контролем нескольких генов:
а)	сложнее манипулировать с помощью методов генетической инженерии;
б)	обычно демонстрируют колоколообразную кривую или нормальное распределение в популяции;
в)	редки;
г)	ответы а) и в) верны;
д)	ответы а) и б) верны.
8.	Мутации:
а)	не обнаружены в естественных условиях;
б)	встречаются часто у организмов;
в)	могут приводить к раковому перерождению клеток;
г)	могут приводить к нежизнеспособности клетки или нарушениям иммунной системы;
д)	ответы в) и г) верны;
е)	ответы б), в) и г) верны.
9.	Если вы страдаете дальтонизмом:
а)	все ваши сыновья будут дальтониками;
б)	ни один из ваших сыновей не будет дальтоником;
в)	все ваши дочери будут дальтониками;
102	г) ответы а) и в) верны.