Автор: Бородина П.М. Ворониной Е.Н.
Теги: общее школьное образование общеобразовательная школа общая генетика общая цитогенетика иммуногенетика эволюционное учение видообразование филогенез биология микробиология генетика молекулярная генетика издательство просвещение
ISBN: 978-5-09-097482-0
Год: 2023
Текст
I I
ПРАКТИЧЕСКАЯ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ
ГЕНЕТИКА
для начинающих
половые
.УЧЁНЫЕ —
Естественно-научные ШКОЛЕ
предметы
ПРАКТИЧЕСКАЯ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ
для начинающих
8-9
классы
Учебное пособие
Под редакцией
П. М. Бородина и Е. Н.Ворониной
Москва
«Просвещение»
2023
УДК 373.167.1:575+575(075.3)
ББК 28.04я721
Е86
12 +
Серия «Молодые учёные — школе» основана в 2021 году
Авторы: Ю. С. Аульченко, Н. Р. Баттулин, П. М. Бородин, Е. Н. Воронина,
М. Ю. Карташов, Т. Д. Колесникова, А. А. Нижников, А. С. Пилипенко,
О. В. Посух, С. Е. Седых, В. И. Соловьев, Н. А. Торгашева, В. С. Фишман.
Е. К. Хлесткина, А. С. Цыбко, Т. А. Шнайдер, А. М. Юнусова.
Естественно-научные предметы. Практическая молекулярная
Е86 генетика для начинающих : 8—9-е классы : учебное пособие /
Ю. С. Аульченко, Н. Р. Баттулин, П. М. Бородин [и др.] ; под ред.
П. М. Бородина и Е. Н. Ворониной. — 3-е изд., стер. — Москва :
Просвещение, 2023. — 271, [1] с.: ил. — (Молодые учёные — школе).
ISBN 978-5-09-097482-0.
Генетика — одно из приоритетных направлений современной биологии. Цель
книги «Практическая молекулярная генетика для начинающих» — познакомить
школьников с этой наукой, её достижениями и применением этих достижений в
повседневной жизни, с профессиями, связанными с генетикой. Особенность этого
курса — большое количество практических заданий и ролевых игр, которые призваны
наглядно продемонстрировать законы и методы генетики и молекулярной биологии.
Теоретические и практические занятия предлагается проводить как в условиях
школьного кабинета, так и в лаборатории.
УДК 373.167.1:575+575(075.3)
ББК 28.04я721
ISBN 978-5-09-097482-0
© АО «Издательство «Просвещение», 2
© Художественное оформление.
АО «Издательство «Просвещение», 2
Все права защищены
ВВЕДЕНИЕ
ПОХВАЛЬНОЕ СЛОВО БАБУШКАМ
У каждого из нас есть или были две
бабушки. Если бы не они, нас с вами не
было бы на свете. Мы живём на Земле и
так замечательно устроены только пото-
му, что наши бабушки передали свою
ДНК, свои гены нашим родителям. А от
них они достались нам.
У наших бабушек были свои ба-
бушки, а у тех — свои. Эта цепь бабу-
шек протянулась в глубь времён почти
на 4 млрд лет. Задумайтесь на мину-
ту — эта цепь ни разу не прервалась.
Никто в цепи ваших предков не погиб до
тех пор, пока не оставил потомка.
Наши мелкие и пушистые бабушки в своих норах слышали величе-
ственную поступь динозавров. Наши покрытые чешуёй и довольно не-
уклюжие бабушки были среди тех, кто 400 млн лет назад делал первые
робкие шаги из воды на сушу. Среди крохотных червячков, ползавших по
дну кембрийского моря, были наши бабушки. И в совсем уж древние вре-
мена, более 3 млрд лет назад, наша бабушка надвое поделилась и обе до-
черние клетки получили чуть-чуть изменённые копии её генов. Сильно
изменённые копии этих генов дошли до нас. Они работают в каждой из
триллионов наших клеток и делают каждого из нас такими чудесными и
уникальными созданиями, какие мы есть.
Бабушки были не только у нас, но и у всех живых организмов на
Земле: котов, пингвинов, акул, бананов, кишечных палочек. Самая пре-
лесть в том, что многие из этих бабушек у нас были общими. Последняя
общая бабушка вас и вашего кота жила на Земле около 100 млн лет назад.
Именно что последняя. Абсолютно все (!) бабушки до этой последней были
общими бабушками вас и вашего кота. И с бананом у нас 1,5 млрд лет на-
зад была общая бабушка. На это однозначно указывает общность наших
генов, наших ДНК.
Отсюда следует, что из всех моле-
кул на Земле ДНК — самая важная моле-
кула. Она определяет устройство вашего
тела и во многом — вашу жизнь и судьбу.
Из этого, в свою очередь, следует,
что из всех наук, которые придумало
человечество, генетика — самая важная
наука. Она исследует то, как устроена
эта самая важная молекула, как гены
Общая
бабушка
Человек Кот
работают, создавая наши тела и души, прекрасные
и удивительные, и тела всех живых организмов на
Земле, как они передаются из поколения в поколе-
ние и как они меняются при этом. Зная всё это, вы
сможете осознанно управлять своими душой и те-
лом, управлять жизнью всего живого на Земле.
Эта книга о генетике — о том, как устроены,
работают и передаются гены, как организованы со-
вокупности этих генов — геномы у вирусов, бакте-
рий, растений, животных и у нас с вами. Как и для
чего их можно менять, а как их менять ни в коем
случае не следует. Как наши гены определяют нашу
жизнь, и как знание наших генов может позволить
вам изменить вашу жизнь.
В этой книге вы найдёте и точно установленные
факты, и выведенные на основе этих фактов законы.
Но самое важное — в этой книге мы честно расска-
жем вам о том, чего мы пока не понимаем, о пробле-
мах, которые пока не имеют решения, над которыми
мы сейчас работаем в своих лабораториях и которые
придётся решать вам, когда вы придёте в наши ла-
боратории.
ПОХВАЛЬНОЕ СЛОВО НАУЧНОМУ МЕТОДУ,
ИЛИ КАК ЗАНИМАТЬСЯ НАУКОЙ С ПОМОЩЬЮ ЭТОЙ КНИГИ
Если вы взяли в руки эту книгу и дочитали её до этой страницы, зна-
чит, вы решили заняться наукой. Правильное решение. Я занимаюсь ей
всю жизнь и ни разу не пожалел о выборе профессии. Более того, чем
дальше, тем больше мне нравится это занятие.
бороДЦН
Меня зовут Павел Бородин, я доктор биологиче-
ских наук, профессор Новосибирского государствен-
ного университета (НГУ). Я редактор этой книги и са-
мый старый из её авторов. Давным-давно, в 1966 г.,
я поступил в НГУ и на четвёртом курсе пришёл в лабо-
раторию академика Дмитрия Константиновича Беляе-
ва. За долгую научную жизнь у меня было много раз-
ных объектов исследования: крысы, мыши, лисы, нор-
ки, кошки, землеройки, рыбы и птицы. Я изучал их
хромосомы в Сибири, Шотландии, Японии, Бразилии,
Аргентине и других интересных местах. Но самую
большую радость мне всегда приносили мои студенты,
которых я почти сорок лет подряд учил эволюционной
биологии. Многие из них стали замечательными учёны-
ми. И конечно же, они знают современную молекулярную генетику гораздо
лучше меня. Поэтому, когда мне предложили написать эту книгу для вас,
я собрал лучших из своих бывших студентов и их друзей, и мы это сделали.
По ходу книги я буду представлять вам их — крутых учёных XXI в.
Наука — это исследование природы с помощью хорошо спланиро-
ванных экспериментов и/или наблюдений. Любое исследование, как пра-
вило, включает несколько шагов.
Первый шаг. На основе того, что мы уже знаем от наших учителей,
из книг и из опыта, мы понимаем, что мы ещё очень многого не знаем.
Второй шаг. Мы формулируем проверяемую гипотезу (и лучше, ес-
ли не одну) о том, как что-то устроено (работает, происходит...). Здесь
важно точно сформулировать цель. Например, не «понять, как развивает-
ся эмбрион», а «выяснить, какую роль играет ген Brachyury в развитии
хвоста и как он это делает». Из серии таких, казалось бы, мелких решений
и складывается понимание крупных проблем.
Третий шаг. Мы проверяем наши гипотезы, пользуясь средствами,
которые даёт нам современная цивилизация (приборами, реактивами, ба-
зами данных). Для этого мы проводим серию хорошо спланированных экс-
периментов (виртуальных или реальных) и/или наблюдений.
Что означает «хорошо спланированный эксперимент»? Это значит,
что на основании его результатов мы можем однозначно принять либо от-
вергнуть нашу гипотезу. Например, наша гипотеза состоит в том, что ра-
бота гена Brachyury необходима для развития хвоста мыши. Если мы вы-
ключим этот ген и хвост не вырастет, значит, наша гипотеза была верна.
Если мы выключим этот ген, а хвост вырастет как ни в чём не бывало, зна-
чит, мы с гипотезой промахнулись.
Четвёртый шаг. Мы анализируем результаты нашего эксперимента
и сравниваем их с результатами других экспериментов, которые провели
до нас другие учёные. Например, они не выключали ген Brachyury, а из-
меняли его, и у их мышей хвост вырастал очень коротким и корявым. Зна-
чит, наши результаты хорошо согласуются с их результатами и дополня-
ют наши знания о том, как гены контролируют развитие. А как мы узна-
ли результаты экспериментов, которые провели другие учёные? Мы
прочитали о них в научных статьях, которые написали и опубликовали
в научных журналах эти учёные.
Отсюда следует пятый шаг: мы пишем научную статью по результа-
там нашего эксперимента и отправляем её в научный журнал.
В ходе работы с этой книгой вы, дорогие коллеги, тоже пройдёте эти
шаги. Первые два шага мы вам поможем сделать, а дальше уж вы сами.
Первый шаг. В теоретических главах нашей книги мы расскажем вам
о том, что мы уже знаем от наших учителей, из книг и из опыта, и пока-
жем, что мы ещё очень многого не знаем.
Второй шаг. В практических разделах мы предложим вам провести
эксперименты (или наблюдения), которые придумали для вас мои замеча-
5
тельные коллеги. И, прочитав инструкции к этим экспериментам, вы сде-
лаете третий шаг\ пользуясь средствами, которые предоставляет совре-
менная цивилизация (приборами, реактивами, базами данных), проведёте
эти эксперименты (виртуальные или реальные). Большинство из них вы
сможете сделать дома или в школьной лаборатории. Некоторые работы
требуют специального оборудования и реактивов, которые есть далеко не
во всех школах, но могут быть в кванториумах, детских технопарках и ре-
гиональных центрах выявления, развития и сопровождения талантов, соз-
данных по модели образовательного центра «Сириус». Попробуйте по-
пасть в такие региональные центры, например через конкурсы и олимпи-
ады.
Для виртуальных работ с базами данных вам достаточно обычного
компьютера, а иногда просто планшета или смартфона. Но от вас потребу-
ется знание английского языка, потому что это рабочий язык всех между-
народных баз генетических данных. Именно для этого вы и учите англий-
ский в школе.
Четвёртый шаг. Вы проанализируете результаты ваших экспери-
ментов и сравните их результатами других экспериментов, которые про-
вели до вас другие учёные. С результатами экспериментов, проведённых
другими учёными, вы познакомитесь в статьях, которые опубликованы
в научных журналах. Эти статьи вы найдёте по ключевым словам в Ака-
демии Гугл (https://scholar.google.com/). И здесь вам тоже пригодится
английский — это рабочий язык всех международных генетических жур-
налов.
Пятый шаг. По результатам ваших экспериментов вы тоже можете
написать научную статью. О том, как это сделать, можно прочитать на
сайте нашей книги или в электронном приложении к ней. Одна деталь. Вы
всё пишете сами и не списываете ни строчки, потому что списывать стыд-
но, грешно и противозаконно.
Ни в коем случае не следует посылать ваши статьи в серьёзные на-
учные журналы, это преждевременно. Лучше организуйте для вашего
класса свой собственный электронный научный журнал. Выберите редак-
тора. Пусть он отправит каждую из ваших статей паре анонимных рецен-
зентов. Вам очень полезно будет получить аргументированную критику от
ваших коллег и самим посмотреть критически на их работы, чтобы по-
нять, как делается наука.
Мы написали эту книгу, чтобы показать вам прелесть нашей науки
и привести вас в наши лаборатории. Нам нужны люди самых разных
взглядов, талантов и интересов. Врождённые (генетические?!) ботаники
и зоологи нужны нам, чтобы понять, как устроены геномы животных
и растений, как они определяют изумительные приспособления живых
организмов. Нам нужны люди, готовые посвятить себя медицинской гене-
тике и генетике человека. Нам нужны химики, чтобы распутать сложные
взаимодействия самой главной молекулы с миллионами других молекул
в живых организмах и за их пределами. Нам нужны физики, чтобы по-
нять механизмы этих взаимодействий, математики и программисты —
чтобы извлечь смысл из петабайт геномных, протеомных, гликомных, ми-
кробиомных и прочих «-омных» данных. У нас найдётся бездна работы
для историков, археологов, палеонтологов и криминалистов.
Приходите к нам, генетика — это самая интересная наука.
Все авторы этой книги — профессиональные генетики. Все мы при-
шли в генетику разными путями, но все мы точно знаем, что ДНК — это
самая главная молекула (и наши бабушки были самыми лучшими бабуш-
ками всех времён и таксонов, иначе нас бы тут просто не было!), а генети-
ка — самая важная наука на свете!
А теперь позвольте мне представить вам художника этой книги.
Ольга Посух, кандидат биологических на-
ук, выпускник НГУ, научный сотрудник лабо-
ратории геномики Института молекулярной и
клеточной биологии СО РАН. Она нарисовала
большинство иллюстраций в этом пособии и
портреты всех авторов.
ОЖГА
ПО‘9Х
Идеи экспериментов, наблюдений, а также научных игр и задач
предложили и детально разработали трое моих коллег, которых я вам
здесь представлю.
еле на
Воронина
Елена Воронина, кандидат биологических на-
ук, выпускник и доцент НГУ, научный сотрудник ла-
боратории фармакогеномики Института химической
биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
СЕЛЫХ
Сергей Седых, кандидат биологических наук,
выпускник НГУ, научный сотрудник лаборатории
ферментов репарации Института химической
биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
Владимир Соловьёв, выпускник НГУ. Он
занимается эволюцией сибирских бабочек и
одновременно преподаёт в НГУ и в физматшко-
ле при НГУ.
ВЛАДИМИР
Соловьев
В этой книге нам хотелось показать, что генетика — это не только
решение задач на скрещивание зелёного и жёлтого гороха, но и интерес-
ные эксперименты, сложные задачи и обстоятельные дискуссии. Некото-
рые эксперименты требуют сложного оборудования и реактивов, которые
ещё не всегда доступны в школе, однако не бойтесь фантазировать и ис-
пользовать предложенные работы для мысленных экспериментов. Ког-
да-нибудь вы обязательно попробуете держать пипетку в руках!
Наши задания часто содержат предложения воспользоваться базами
данных и сайтами со страшными английскими заголовками и пояснения-
ми. Не бойтесь, пробуйте, переводите и ищите, и у вас обязательно полу-
чится сделать своё маленькое открытие. А участвуя в ролевых играх, вы
сможете почувствовать себя ферментами, клетками, хромосомами или пе-
реселенцами и лучше понять, как гены управляют нами и как мы можем
управлять генами.
Модуль 1
ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНЫ ГЕНЫ
Из глав, собранных в этот модуль, вы узна-
ете о том, как устроены гены, какая инфор-
мация и как в них зашифрована. Мы расска-
жем вам, как эта информация передаётся от
клетки к клетке и от родителей к потомкам.
Мы не знаем, как появились на Земле первые
гены и первые организмы. Но, анализируя,
как они устроены сейчас, у современных орга-
низмов, мы можем предположить, как они по-
являлись, и попытаться воспроизвести в лабо-
ратории процессы, которые могли быть причи-
ной их появления.
НАТАЛ6Я
ТОРГАЦ)Ё6А
НАРИМАН
БАТТЭЛИН
Расскажут вам об этом Наталья Торгашёва —
младший научный сотрудник лаборатории синтети-
ческой биологии Института химической биологии
и фундаментальной медицины СО РАН и Нариман
Баттулин — кандидат биологических наук, заведу-
ющий лабораторией генетики развития Института
цитологии и генетики СО РАН.
Глава 1
МОЛЕКУЛЫ ЖИЗНИ
Представьте себе двух шпионов. Один из них передаёт другому се-
кретную телеграмму. Чтобы зашифровать сообщение, он использует
специальную шифровальную машину, которая превращает осмысленный
набор символов в абракадабру. Если посмотреть на неё невооружённым
глазом, понять смысл сообщения совершенно невозможно. Но у второго
шпиона есть такая же машина. Он пропускает полученное сообщение че-
рез неё и восстанавливает крайне важную секретную информацию.
9
Мы с вами тоже храним и передаём из поколения в поколение важ-
ную секретную информацию о том, как устроен и развивается человече-
ский организм. Это набор инструкций, по которым наши клетки делятся,
передают нервные импульсы, потребляют одни вещества и производят
другие. Это информация о том, какими будут наши дети, а также история
долгой эволюции наших бабушек и дедушек. Вся эта информация записа-
на в самой главной молекуле жизни — ДНК, которая хранится в ядрах на-
ших с вами клеток. Но хранится она там, как и положено крайне важной
секретной информации, в зашифрованном виде.
ДНК — это дезоксирибонуклеиновая кислота. Давайте разберём эту
непонятную аббревиатуру по частям:
1) нуклеиновая кислота (от латинского nucleus — ядро, поскольку
ДНК впервые нашли в ядре живой клетки). Кроме ДНК, к нуклеиновым
кислотам относится ещё и РНК — рибонуклеиновая кислота, о которой мы
поговорим отдельно;
2) рибо — от слова «рибоза» — указывает на сахар, входящий в со-
став РНК;
3) наконец, приставка дезокси- обозначает, что у сахара в составе
ДНК — дезоксирибозы — на один атом кислорода меньше, чем у рибозы.
Итак, с названием разобрались. Теперь разберёмся с тем, как устрое-
ны молекулы нуклеиновых кислот. ДНК и РНК — полимеры, т. е. молеку-
лы, состоящие из большого количества «строительных блоков». Эти строи-
тельные блоки учёные часто называют просто буквами — А, Т (У в случае
РНК), Г и Ц. На самом деле, конечно, это никакие не буквы, а сложные хи-
мические соединения. Они сцепляются друг с другом, образуя длинные це-
почки, или, как говорят учёные, последовательности.
С помощью специальных приборов мы теперь умеем читать эти по-
следовательности как текст — АТГЦААТТТГГГЦЦЦ... Длина такого «тек-
ста» в наших с вами клетках достигает 6 млрд букв — это в 2000 раз боль-
ше, чем в двух томах эпопеи Л. Н. Толстого «Война и мир». Этот текст и
есть наша секретная информация в зашифрованном виде.
Строительный блок молекулы ДНК — нуклеотид состоит из трёх ча-
стей: азотистого основания, остатка молекулы сахара (дезоксирибозы) и
фосфатной группы.
Именно азотистые основания ответственны за информацию, записанную
в ДНК. Буквами, обозначающими азотистые основания (А — аденин, Т — ти-
мин, Г — гуанин, Ц — цитозин), часто обозначают и нуклеотиды, которые их
^содержат.
Фосфатная группа одного нуклеотида и остаток сахара другого обра-
зуют друг с другом прочную связь. Таким образом формируется длинная
цепочка — сахарофосфатный «скелет» и висящие на нём буквы — азоти-
стые основания. ДНК состоит из двух таких цепочек. Они закручиваются
одна вокруг другой, образуя знаменитую двойную спираль ДНК (рис. 1-1).
10
Рис. 1-1. Структура ДНК
Двойная спираль
Между буквами (азотистыми основаниями) двух цепочек ДНК обра-
зуются особые химические связи. С одной стороны, эти связи достаточно
прочны, чтобы удерживать две цепочки ДНК рядом, но с другой стороны,
они достаточно слабые, и их можно легко разорвать. В образовании таких
связей есть закономерность: А всегда образует пару только с Т, а Г —
только с Ц. Если напротив каждой буквы в последовательности букв по-
ставить её пару, то получится вторая цепочка. Это свойство называют
принципом комплементарности, а полученную вторую цепочку — ком-
плементарной. Большую часть своей «жизни» ДНК проводит в двухцепо-
чечном состоянии. РНК, напротив, в основном существует в виде одной це-
почки.
Когда клетка делится, цепочки её ДНК «расклеиваются», а затем на
каждой из них строится комплементарная цепочка. Так получаются две
копии исходной ДНК, по одной копии на дочернюю клетку (см. гл. 15). Этот
процесс называют репликацией (рис. 1-2). Таким образом, обе дочерние
клетки получают практически ту же самую последовательность ДНК, что
была в родительской клетке. Каждая клетка нашего организма несёт одну
АТГАЦТТГ АТГАЦТТГ
ТА ЦТ -> ТАЦТГААЦ
ТАЦТГААЦ
4- ЦТТ Г АТГАЦТТГ
ТАЦТГААЦ —> ТАЦТГААЦ
Рис. 1-2. Репликация ДНК
11
РНК
ДНК
Рис. 1-3. Транскрипция
ДНК
и ту же последовательность ДНК (ну или почти каждая, за исключением,
например, эритроцитов, но это совсем другая история). Итак, реплика-
ция — это способ скопировать нашу секретную информацию целиком, не
расшифровывая её.
В ДНК хранятся инструкции для всех процессов, происходящих
в клетке, и клетка пользуется ими — без сна и отдыха. А кто же читает
эти инструкции? И кто их выполняет?
В первую очередь инструкции передаются молекулам РНК. Процесс
переноса информации с молекулы ДНК на РНК называют транскрипцией
(рис. 1-3).
Чтобы прочитать одну инструкцию, клетка расплетает тот участок
ДНК, где эта инструкция записана. Затем по одной из цепочек ДНК клет-
ка строит молекулу РНК, пользуясь принципом комплементарности. Та-
кую молекулу РНК называют матричной РНК (мРНК). Когда мРНК гото-
ва, она переносится в ту часть клетки, где инструкция будет исполняться
(этот процесс мы разберём в следующей главе), а цепочки ДНК сплетают-
ся обратно.
........> Практическое задание «ДНК СВОИМИ РУКАМИ»
Для того чтобы сделать украшение в форме ДНК, поступите следующим образом.
1. Скачайте развёртки для сборки модели ДНК из бумаги (например, на сайте
http://pdb 101 .rcsb.org/learn/paper-models/dna).
2. Распечатайте по одному листу развёртки на каждого участника.
Задание
1. Подпишите пары нуклеотидов и, пользуясь инструкцией, сверните модель
ДНК.
2. После сборки склейте отдельные фрагменты ДНК в одну цепь (белок, который
делает это в клетке, называют ДНК-лигазой). Определите, сколько пар нукле-
отидов содержит полученная последовательность ДНК.
Обратите внимание. На таких развёртках хорошо видно, что у ДНК есть «малая
бороздка», где азотистые основания как бы спрятаны внутри, и «большая борозд-
ка», где азотистые основания выставлены наружу. Обычно белки, которым надо
узнать последовательность нуклеотидов, скользят по «большой бороздке». <
12
•> Практическое задание «ВКУСНАЯ МОДЕЛЬ ДНК»
Для того чтобы смоделировать синтез ДНК (репликацию), потребуются четыре
длинные мармеладки (по две для заданий 1 и 2), небольшие цветные маршмел-
лоу и зубочистки. Цветные маршмеллоу можно заменить бумагой, картоном или
пластилином, но это будет не так вкусно.
Задание 1. Положите две длинные марме-
ладки параллельно друг другу. На зубочист-
ки наденьте по два комплементарных «ну-
клеотида», а потом воткните их между длин-
ными мармеладными основами-остовами
(рис. 1-4).
Задание 2. Разрежьте полученную молеку-
лу ДНК посередине, разъединяя комплемен-
тарные «нуклеотиды» (зубочистки нужно
разрезать пополам, в клетке это делает фер-
мент хеликаза). Полученные одноцепочеч-
ные молекулы ДНК отодвиньте друг от дру-
га, положите рядом с имеющейся цепочкой
новую длинную мармеладку, а после по-
стройте новую нуклеотидную цепь (теперь
вы работаете, как фермент ДНК-полимера-
за). Далее замените половинки зубочисток
на целые, так как они не умеют образовы-
вать между собой связи, как азотистые ос-
нования в ДНК. После окончания реплика-
ции сравните полученные молекулы ДНК. <
Рис. 1-4. Модель ДНК
из маршмеллоу и зубочисток
(фото Е. Н. Ворониной)
ПОДВОДЯ итоги. 'лавные молекулы жизни — ДНК и РНК — благо-
даря особенностям своей химической структуры обладают способно-
стью создавать собственные копии. Матричный синтез ДНК (реплика-
ция) обеспечивает воспроизведение её структуры из поколения в поко-
ление. Синтез молекул РНК (транскрипция) позволяет точно копировать
информацию, закодированную в ДНК, и использовать её для управле-
ния синтезом белков.
1. Подумайте, какие ещё открытия легли в основу современной биологии.
2. Без понимания каких вещей и явлений современная наука о жизни была
бы невозможна?
13
Глава 2
БЕЛКИ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Кроме нуклеиновых кислот, в живой клетке есть ещё один вид край-
не важных полимеров — белки. Но если строительными блоками ДНК и
РНК служат нуклеотиды, то строительные блоки белков — это аминокис-
лоты. В состав белков практически всех организмов входят 20 аминокис-
лот. Некоторые из них могут быть вам знакомы — например, в аптеке
можно купить препарат глицина в качестве лекарства, а в различные про-
дукты питания часто добавляют глутамат натрия (соль глутаминовой кис-
лоты) для усиления вкуса.
Аминокислоты в молекулах белков связаны друг с другом прочными
химическими связями. Эти связи называют пептидными, а получивший-
ся полимер — полипептидом. Молекула белка может включать одну или
несколько таких аминокислотных цепочек (рис. 1-5). Порядок аминокис-
лот в цепочке называют первичной структурой белка. Аминокислотная
цепочка может формировать складки и петли, закручиваться в форме
спирали и т. д. Это вторичная структура белка. Разные части цепочки
могут иметь разную вторичную структуру. Кроме того, каждый поли-
пептид имеет уникальную пространственную (или третичную) структу-
ру: одни части аминокислотной цепочки взаимодействуют с другими, за-
ставляя её принимать самые разнообразные формы. Если белок состоит
из нескольких полипептидов, можно говорить о его четвертичной струк-
туре — она зависит от того, как располагаются разные цепочки друг от-
носительно друга.
На молекулярном уровне белки выполняют работу, необходимую для
жизни. Они строят новые цепочки ДНК и РНК (обеспечивают репликацию
и транскрипцию), превращают питательные вещества в энергию, застав-
ляют наши мышцы двигаться, а также служат каркасом (строительным
материалом) для нашего тела (мышцы, кости, кожа). Живая клетка напол-
нена разными молекулами, которые всё время реагируют между собой.
Если оставить химические реакции без присмотра, они будут идти как по-
пало: одни слишком быстро, другие — слишком медленно, третьи просто
Рис. 1-5. Аминокислоты и белки
14
не пойдут, потому что молекулы не смогут встретиться друг с другом
в плотном химическом «супе». Чтобы всё работало как надо, специальные
белки (их называют ферментами) контролируют протекание химических
реакций. У ферментов есть специальный карман (он же активный центр),
куда попадают нужные молекулы (субстраты), а выходят из него уже про-
дукты реакции. Фермент играет роль катализатора, т. е. он облегчает про-
текание химической реакции, но сам в ней не расходуется. Представьте
себе, что вы печёте печенье. У вас есть тесто и формочки. Вы наливаете
тесто в формочки и ставите в духовку. Потом вы съедите печенье, а фор-
мочки и духовка останутся. Так и ферменты, катализируя химические ре-
акции, остаются в своём первоначальном виде.
Чтобы построить молекулу белка, клетке требуются строительные
материалы и чертёж. Строительными материалами, как уже говорилось,
служат аминокислоты. А чертежи? Они записаны в молекуле мРНК.
И тут мы, наконец, подобрались к нашей шифровальной машине, ко-
торая переводит текст, записанный на языке нуклеотидов, в последова-
тельность аминокислот. Эту шифровальную машину называют рибосо-
мой.
У любой шифровальной машины есть свой секретный код — некое
правило, по которому текстовое сообщение переводится в зашифрованный
вид и обратно. В живой клетке роль такого правила играет генетический
код. Генетический код — это соответствие между буквами алфавита ДНК
и аминокислотами (табл, на с. 16). Обратите внимание, что генетический
код записывается на «языке» РНК, так как непосредственное участие
в синтезе белка принимает мРНК — копия участка одной из нитей ДНК.
На то, чтобы закодировать одну аминокислоту в ДНК, уходит ровно
три буквы — их называют триплетом или кодоном. При этом очень важен
порядок — если переставить местами буквы в триплете, скорее всего, вы
получите совсем другую аминокислоту. Например, последовательность
АУГ кодирует аминокислоту метионин, с которой начинает строиться лю-
бой белок. А вот последовательность АГУ кодирует уже не метионин, а се-
рин (см. табл, на с. 16).
Вы видите, что три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Это так назы-
ваемый триплетный генетический код, и его используют все живые организ-
мы Земли. А почему именно триплетный? Посчитайте, сколько можно было бы
закодировать аминокислот, если бы код был одноплетным (из одной буквы)
или дуплетным (кодон из двух букв). Теперь вспомним, что аминокислот все-
го 20. Какой вывод можно сделать из этого?
В заключение давайте представим, что на далёкой планете живые организ-
мы используют тетраплетный код (одну аминокислоту кодируют четыре нукле-
отида). Сколько вариантов кодонов будет у них?
15
ТАБЛИЦА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА (по мРНК)
Первая буква в кодоне Вторая буква в кодоне Третья буква в кодоне
~ 1 ц А
Фенилаланин Серин Тирозин Цистеин У
у Фенилаланин Серин Тирозин Цистеин Ц
Лейцин Серин Стоп Стоп А
Лейцин Серин Стоп Триптофан Г
Лейцин Пролин Гистидин Аргинин У
Ц Лейцин Пролин Гистидин Аргинин ц
Лейцин Пролин Глутамин Аргинин А
Лейцин Пролин Глутамин Аргинин Г
Изолейцин Треонин Аспарагин Серин У
Изолейцин Треонин Аспарагин Серин ц
А Изолейцин Треонин Лизин Аргинин А
Метионин,.-""^ Старт Треонин Лизин Аргинин Г
Валин Аланин Аспарагиновая кислота Глицин у
Г Валин Аланин Аспарагиновая кислота Глицин ц
Валин Аланин Глутаминовая кислота Глицин А
Валин Аланин Глутаминовая кислота Глицин г
Примечание. Правила пользования таблицей
Первый нуклеотид в триплете берётся из левого вертикального ряда, вто-
рой — из верхнего горизонтального ряда и третий — из правого вертикального.
Там, где пересекутся линии, идущие от всех трёх нуклеотидов, и находится иско-
мая аминокислота.
16
Итак, наша шифровальная машина, она же рибосома, связывается с
молекулой мРНК и начинает двигаться по ней, каждый раз сдвигаясь на
три буквы, т е. ровно на один кодон. В цитоплазме клетки вокруг неё пла-
вают аминокислоты, но не просто так, а связанные со специальными моле-
кулами, которые называют транспортными РНК (тРНК). Они несут на од-
ном своём конце нужную аминокислоту, а на другом — три буквы-нукле-
отида, комплементарные соответствующему кодону (антикодон).
На каждом шаге рибосома выбирает нужную тРНК так, чтобы антико-
дон в тРНК был комплементарен текущему кодону в мРНК. Затем рибосома
«откусывает» от тРНК аминокислоту, пришивает её к растущей цепочке бу-
дущего белка и переходит к следующему кодону. Так продолжается до тех
пор, пока рибосома не встретит специальный сигнал к остановке — стоп-
кодон, после чего она открепляется от молекулы РНК и высвобождает бе-
лок. Весь этот процесс называют трансляцией.
' Транскрипция и трансляция — в чём разница? Для того чтобы не путать
эти биологические понятия, рассмотрим пример из английского языка.
Возьмём слово dog. Если мы хотим записать, как верно произносить это
слово, то мы будем использовать символы транскрипции: [da:g]. Заметно, что
символы, которыми записано само слово, и его транскрипция весьма похожи
(например, d и g), только некоторые символы различаются (например, о и э:).
Если переведём dog с английского на русский, мы получим слово собака, ко-
торое будет совсем не похоже на слово dog своим написанием и произноше-
нием (рис. 1-6).
При транскрипции ДНК мы получим похожую по своей химической струк-
туре РНК, написанную на таком же химическом языке нуклеотидов, пусть
и с небольшими изменениями, а при трансляции (translation — перевод) мы
перейдём к иному химическому языку — языку аминокислот, из которых со-
стоят белки.
английский язык
русский язык
dog —> [cb:g] -------------> СОБАКА
ТРАНСКРИПЦИЯ ТРАНСЛЯЦИЯ
ДНК -> РНК -----------------> БЕЛОК
язык нуклеотидов язык аминокислот
Рис. 1-6. Разница между трансляцией и транскрипцией
17
>> Практическое задание «ПРОСТРАНСТВЕННАЯ
СТРУКТУРА РНК»
Когда вы делали модель молекулы ДНК, то каждый из вас мог написать свою по-
следовательность нуклеотидов. При этом пространственная структура ДНК у вас
получилась одинаковая. А вот с молекулой РНК всё совсем по-другому. Давайте
сконструируем молекулу РНК.
Задание
1. Возьмите лист бумаги (если остались мармеладки с прошлой работы, то мож-
но воспользоваться и ими, но тогда молекула получится очень короткой), на-
режьте его на длинные полоски шириной 2—3 см и склейте в одну длинную
ленту.
2. Напишите на ленте последовательность нуклеотидов РНК в произвольном по-
рядке, вставив в нескольких местах комплементарные участки по шесть
нуклеотидов, выделенных цветом.
Обратите внимание. В РНК вместо Т используется нуклеотид У. Например:
...ААГУЦЦГУЦААГУУЦАГАУЦГГАЦУУ... Чем длиннее РНК, тем больше таких
участков можно вставить.
3. Найдите комплементарные участки РНК и соедините вашу ленту-последова-
тельность скотчем в этих местах.
4. Получилась трёхмерная структура молекулы РНК.
5. Сравните полученную молекулу с молекулой соседа по парте. Если последова-
тельности были написаны разные, то и пространственные модели будут разли-
чаться.
6. В качестве примера можно использовать следующую модель тРНК (одинако-
вым цветом выделены комплементарные участки):
ААГГГЦУУГУЦАГЦУУААУУГУАААГУГГЦУГАУУУГЦГУУЦАГУУГАУГУУГАУ-
ГУУЦАГАГУГГГГУУУУГААЦАГЦЦЦУУАГГУЦААУГАУУА.
7. Если вы использовали бумажную гирлянду ДНК для украшения класса, мож-
но прикрепить к ней пространственные структуры РНК. <
........> Практическое задание «ТРЁХМЕРНЫЕ МОДЕЛИ БЕЛКОВ»
Как белок узнаёт, с какими молекулами ему надо проводить реакции, а с какими
нет?
Задание
1. Нарисуйте и вырежьте из бумаги фермент и его субстрат.
2. Попробуйте поместить свой субстрат в фермент соседа по парте.
3. Получится ли совместить субстрат и фермент с изготовленными кем-либо из
одноклассников?
4. Сделайте модель фермента и субстрата из пластилина, нарисуйте ЗО-ручкой
или распечатайте на ЗО-принтере (рис. 1-7).
18
Рис. 1-7. Модель взаимодействия
«фермент — субстрат»
Рис. 1-8. Модель трансляции
Обратите внимание. Фермент и субстрат — достаточно гибкие структуры. Суб-
страт может незначительно изменить форму, чтобы поместиться в узкий проход.
С пластилином так не получится, поэтому «вход» в белковую молекулу для суб-
страта должен быть шире, чем сам субстрат.
........> Модель «ТРАНСЛЯЦИЯ»
Вы ещё не съели все маршмеллоу с прошлого урока? Давайте теперь сделаем из
них белок. Тут нам понадобится более сложное оборудование — иголка с ниткой
(в клетке это рибосома). Можно заменить маршмеллоу разноцветными кружочка-
ми бумаги и склеивать их скотчем. Придумайте и запишите на доске «генетиче-
ский код» (кодоны ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ, ГЦГ — прикрепляй белую маршмеллоу, кодо-
ны ГГА, ГГГ, ГГТ, ГГЦ — прикрепляй красную и т. д.).
Итак, берём молекулу РНК (можно взять из предыдущего задания или написать
новую), находим стартовый кодон АУГ (если не нашли, то добавьте его в начало
вашей РНК). Затем ищем в нашем «генетическом коде», аминокислоту какого
цвета нам надо присоединить, и нанизываем такой маршмеллоу на нитку. Затем
смотрим на следующие три нуклеотида, ищем их в «генетическом коде» и нани-
зываем на нитку следующий зефир. Двигайтесь, пока не дойдёте до стоп-кодона,
там ваш синтез белка прервётся (рис. 1-8).
Ваш белок готов! Теперь скомкайте его в плотный шарик (этот процесс называет-
ся фолдинг), и вы увидите, что белок приобрёл сложную пространственную струк-
туру. <
Генетический код появился миллиарды лет назад, на заре эволюции
жизни на Земле. В те времена ещё не было ни животных, ни растений, ни
даже самых простых клеток. Однако уже тогда, в ходе химической эво-
люции, появилось соответствие между нуклеотидными триплетами и ами-
нокислотами. Плавая в небольших лужицах, полных минералов и орга-
нических веществ, первые полимерные цепочки научились накапливать,
копировать и использовать генетическую информацию. Век за веком есте-
ственный отбор шлифовал эту информацию, накапливая её в зашифро-
ванном виде в молекулах ДНК, в то время как живые организмы станови-
лись всё сложнее и сложнее — от одноклеточных водорослей до цветко-
19
вых растений, от простейших до человека. Наши с вами клетки каждую
секунду пользуются этой накопленной информацией, расшифровывая её
в ходе транскрипции и трансляции. Учёные, в свою очередь, также пыта-
ются расшифровать как можно больше информации, записанной в ДНК,
чтобы лучше понять, как работает живая клетка, чтобы находить новые
лекарства от разных болезней и вообще потому, что это очень интересно.
ПОДВОДЯ итоги. >елки осуществляют множество разных функций.
Они катализируют превращение одних соединений в другие, включа-
ют и выключают гены, строят и двигают клеточные структуры. Синтез
белков происходит на основе информации, записанной в последова-
тельности нуклеотидов ДНК. Для синтеза белков используется специ-
альная дешифровальная машина — рибосома, которая переводит ин-
формацию с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
Учёные используют ферменты в медицине, в химической промышленности,
в производстве косметики и т. д. Также они придумывают способы получения
новых ферментов, которых нет в природе, направленных на определённую
цель. Подумайте, где ещё в реальной жизни могли бы использоваться фер-
менты (возможно, искусственные) и как они могли бы улучшить нашу повсе-
дневную жизнь.
Глава 3
ОШИБКИ В ДНК — МУТАЦИИ
Важная особенность ДНК заключается в том, что она постоянно ме-
няется под действием различных факторов. В последовательности нукле-
отидов возникают изменения, которые генетики называют мутациями.
Насколько часто они возникают? В среднем у каждого из вас по-
явилось примерно 64 мутации, которых не было у ваших родителей. Так
что с точки зрения генетики все люди являются мутантами, а не только те
индивиды, которые (согласно фильмам и комиксам) обладают какими-то
невероятными, но явно видимыми свойствами. На самом же деле боль-
шинство мутаций практически никак не сказывается на облике и свой-
ствах человека.
Самые простые мутации — это однонуклеотидные замены (или од-
нонуклеотидные полиморфизмы, ОНП), когда один нуклеотид меняется
на другой (АТГАЦ -> АТТАЦ). Однонуклеотидные замены часто возника-
ют из-за ошибки во время репликации ДНК. Хотя фермент ДНК-полиме-
раза работает достаточно точно, он делает всего одну ошибку на 1 млрд
нуклеотидов (а вы можете оценить, как часто делаете опечатки?), в гено-
ме человека этих пар нуклеотидов достаточно много — около 6 млрд. Так
что опечатки делают не только люди, но и ферменты.
20
ТОЧЕЧНАЯ МУТАЦИЯ
без мутаций
без замены стоп с заменой
аминокислоты аминокислоты
ДНК ТТЦ
РНК ААГ
Белок Лизин
ттт АТЦ ТГЦ
ААА УАГ АЦГ
Лизин Стоп Треонин
HzN^COOH X уОН НгьАсоон
Рис. 1-9. Три варианта последствий замены одного нуклеотида
Однонуклеотидная замена может иметь три варианта последствий
(рис. 1-9). В первом случае нуклеотид изменяется, а аминокислота нет,
так как рибосома расшифровывает оба этих кодона как одинаковые. Во
втором случае вместо трёх нуклеотидов, кодирующих аминокислоту, воз-
никает знак «стоп», рибосома не может скользить дальше и синтез белка
обрывается. В третьем случае одна аминокислота заменяется на другую.
Существует также ещё один тип мутаций, который мы называем
сдвигом рамки считывания. Бывают ситуации, когда нуклеотиды удаля-
ются из ДНК. Такие мутации называют делециями (АТГАЦ -> АТЦ). Ес-
ли же, наоборот, нуклеотиды добавляются, тогда мутацию называют ин-
серцией (АТГАЦ -> АТЦАГАЦ).
Теперь давайте посмотрим, что будет с геном, если произойдёт деле-
ция или вставка нуклеотидов (рис. 1-10). Как видите, из-за того что гене-
тический код триплетный, делеции (и инсерции), не кратные трём, приво-
дят к тому, что последовательность аминокислот в белке после мутации
кардинально меняется. Это и есть сдвиг рамки считывания. Чаще всего
это приводит к возникновению стоп-кодона, и белок получается неработа-
ющим.
Кратные трём нуклеотидам делеции удаляют аминокислоты из бел-
ка (а инсерции вставляют в белок лишние). Если такая мутация не затра-
гивает район, кодирующий активный центр фермента, она часто не вызы-
вает катастрофических последствий для функции белка. Но если затраги-
вает, то последствия могут быть весьма серьёзными.
Мутации передаются следующим поколениям только в том случае,
если они происходят в клетках, из которых возникают гаметы (спермато-
зоиды и яйцеклетки). Однако большинство клеток тела не участвует в их
образовании, поэтому если мутация происходит в такой клетке, допустим
21
НОРМА
РНК АУГ ААГ ууу ГГИ АУА гуг чиг
Белок мет лиз Фен гли иле вал ПР°
СДВИГ РАМКИ СЧИТЫВАНИЯ
РНК
Белок
мет лиз лей ала стоп
Рис. 1-10. Сдвиг рамки считывания
в клетке кожи, то потомки её не унаследуют. Однако такие мутации (их
называют соматическими) также могут серьёзно сказаться на здоровье
организма. Так, в большинстве случаев рак возникает из-за соматических
мутаций в генах, белковые продукты которых контролируют деление кле-
ток.
........> Задача «МУТАНТ»
В культуре бактерии делятся каждые 20 мин. В колбе содержится 106 клеток,
в одной из бактерий произошла мутация, которая позволяет делиться каждые
15 мин.
Задание. Через сколько поколений потомство мутировавшей клетки станет до-
минировать в данной культуре (предположим, что ресурсы среды неограни-
ченны)? Как вы думаете, через сколько часов — суток — недель — месяцев это
произойдёт?
Для вычислений используйте формулу N= ,У0 х 2i/G, где N— число клеток в за-
данный момент времени, No — число клеток в нулевой момент времени, С — вре-
мя, G — время между делениями клеток. <
Причины возникновения мутаций могут быть самые разнообразные.
Помимо внутренних причин, таких как случайные ошибки ДНК-поли-
меразы, мутации возникают и из-за воздействия внешних факторов.
Это может быть радиация, ультрафиолетовое излучение или действие
веществ-мутагенов. Подобные воздействия могут повредить или даже
порвать молекулу ДНК, поэтому у каждого организма на Земле есть це-
лый набор ферментов, которые постоянно чинят её повреждения; этот
процесс называют репарацией (рис. 1-11).
22
Рис. 7-77. Репарация ДНК
МУТАЦИИ
........> Модель «МУТАЦИИ »
Используйте РНК, которую вы сделали при изготовлении модели «Трансляция».
Задание. Приготовьте несколько вариантов РНК: в первую добавьте одну букву,
во вторую — две буквы, в третью — три буквы, а в четвёртой замените одну бук-
ву на другую. «Прочитайте» белок с каждой из РНК. Опишите, что у вас получи-
лось. Сделайте вывод о том, какая мутация самая вредная, а какая — наименее
вредная.
К сожалению, не всегда при репарации удаётся восстановить исход-
ную последовательность ДНК, поэтому в местах починки повреждений
часто возникают различные мутации. Лучший способ избежать мута-
ций — избегать воздействия мутагенных факторов. Врачи рекомендуют
никогда не загорать в соляриях, а в солнечный день обязательно исполь-
зовать солнцезащитный крем. Этот нехитрый совет поможет избежать
возникновения соматических мутаций из-за воздействия ультрафиолета
и защитит вас от рака кожи.
........> Ролевая игра «МУТАЦИИ»
Для этой игры необходимо придумать какой-то алгоритм действий, в результате
которого можно получить конечный продукт. Например, пусть это будет алгоритм
изготовления бутерброда. Каждый человек в игре исполняет роль транспортной
РНК, т. е. доставляет свой элемент для синтеза конечного продукта. В первую
очередь запишите на доске ваш генетический код. Для бутерброда он может вы-
глядеть таким образом.
Кодоны и их значение:
1) ТАА — раскройте пакет с хлебом;
2) ГЦГ — выньте один кусок хлеба и положите его на тарелку;
23
3) ЦЦЦ — откройте майонез (или масло, или творожный сыр);
4) ТТТ — выдавите майонез на кусок хлеба;
5) ГТЦ — возьмите нож и намажьте майонез на кусок хлеба;
6) ЦТА — закройте майонез и откройте пакет с колбасой;
7) ТТЦ — положите три ломтика колбасы на кусок хлеба;
8) ГТГ — закройте пакет с колбасой и откройте пакет с сыром;
9) ТТА — положите три ломтика сыра на колбасу;
10) АТТ — закройте пакет с сыром.
Каждый участник игры выбирает свой кодон, а ведущий записывает нуклеотид-
ную последовательность из кодонов, указанных на доске, так, чтобы получился
вкусный бутерброд. Затем ведущий объявляет старт трансляции и зачитывает
первый кодон. Участник, играющий роль этого кодона, подходит к столу и выпол-
няет своё действие. После окончания сборки бутерброда участники обсуждают,
что у них получилось.
Далее можно усложнить игру и внести мутации — например, заменить ко-
дон ТТЦ (положите три ломтика колбасы на кусок хлеба) на кодон ТЦЦ (поло-
жите три ломтика колбасы на стол). Можно также сделать «делецию»
(удалив один кодон из инструкции), «дупликацию» (повторив один кодон два
раза), «инсерцию» (вставив дополнительный кодон-инструкцию — напри-
мер, добавив лист салата) или «инверсию» (переставив два или три кодона
местами).
Обратите внимание на то, что не всегда результат мутации будет сильно менять
структуру конечного продукта. <
ПОДВОДЯ итоги. Изменения в последовательности нуклеотидов гено-
ма называют мутациями. Существует множество типов мутаций. Боль-
шинство мутаций не приводит к явно видимым изменениям свойств ор-
ганизма. Мутации, возникающие в соматических клетках, не передают-
ся потомкам.
1. Вредные и полезные мутации. Обсудите, какие мутации можно считать по-
лезными, а какие — вредными. Подумайте, как одни и те же мутации бу-
дут влиять на организм в разных ситуациях.
2. Придумайте мутации (например, кошек или собак), которые будут вредны-
ми в одних условиях, но полезными в других (примеры условий: дикая при-
рода — человеческое жилище, зима — лето, Древний Египет — наши
дни).
24
Практикум 4
1
Работа 1-1. КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ
Как можно определить, что входит в состав какой-либо смеси? Для этого прово-
дят качественные реакции, которые показывают наличие какого-либо вещества
в изучаемом объекте. Например, чтобы показать наличие крахмала в картофе-
ле, вы можете капнуть разбавленный раствор иода на срез клубня, после чего
ткани клубня станут синими. Это качественная реакция на крахмал.
Мы предлагаем вам провести две качественные реакции на белки.
Реактивы и оборудование: яичный белок, молоко, пробирки, штатив для проби-
рок, пипетки Пастера, 10%-й раствор NaOH, 1%-й раствор CuS04, концентриро-
ванная азотная кислота.
Задание
1. Подготовьте пробирки для образцов и поместите в них по 5 капель раствора
яичного белка (10%-го) или молока.
2. Биуретовая реакция обусловлена наличием пептидных связей в белковых
молекулах. Внесите в пробирки по 3 капли 10%-го раствора NaOH, 1 капле
CuSO4 и перемешайте. Определите цвет полученного раствора (в щелочной
среде белки образуют с ионами меди растворимое комплексное соединение
сине-фиолетового цвета).
3. Ксантопротеиновая реакция происходит при участии остатков ароматиче-
ских аминокислот тирозина и триптофана'.
+ HNO3
-Н2О
В новые пробирки с молоком или яичным белком добавьте по капле концен-
трированную азотную кислоту. Определите цвет полученного раствора (под
действием концентрированной азотной кислоты образуются окрашенные
в жёлтый цвет производные ароматических аминокислот).
Работа 1-2. ВЫДЕЛЕНИЕ ДНК ИЗ БАНАНА
ДНК содержится в клетках любого живого организма, но очевидно, что её разме-
ры очень малы, поэтому увидеть одну или несколько молекул невооружённым
глазом невозможно. Однако при определённых условиях можно выделить ДНК и
увидеть её, хотя и не совсем в чистом виде.
В качестве объекта для выделения ДНК может выступать какой-нибудь (лучше
сочный) овощ или фрукт, например лук, чеснок, банан или томат. В данном экс-
перименте предлагаем использовать банан.
25
Как вы помните из курса ботаники, ДНК в растительной клетке располагается
в ядре, а также в митохондриях и хлоропластах. Данный метод позволяет выде-
лить геномную ДНК из ядра клетки.
Реактивы и оборудование: банан, чистая вода (например, профильтрованная),
средство для мытья посуды или шампунь (лучше бесцветный), поваренная соль,
этиловый или изопропиловый спирт, стакан, марля или бинт, блендер.
м Задание 1
1. Разрежьте банан на кусочки, положите их в ёмкость, добавив 100 мл воды.
Тщательно измельчите всё это с помощью блендера в течение 30 с, потом пе-
ренесите получившееся пюре (гомогенат) в отдельный стакан. Этот этап ну-
жен для того, чтобы разрушить банан до отдельных клеток, которые мы потом
будем обрабатывать другими веществами.
2. К гомогенату добавьте 1 чайную ложку средства для мытья посуды и х/4 чай-
ной ложки поваренной соли. Тщательно перемешайте получившуюся смесь
(избегая образования пены) до полного растворения соли. Лаурилсульфат на-
трия в составе моющего средства помогает разрушить мембраны отдельных
клеток банана и тем самым способствует высвобождению ДНК и её выходу
в раствор. Также добавление моющего средства приводит к расщеплению
крупных белков, которые могут выделиться вместе с ДНК. Поваренная соль
связывается с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК, как
бы «защищая» её отрицательный заряд. Это способствует тому, что две цепоч-
ки ДНК остаются связанными друг с другом.
3. Профильтруйте полученную смесь через сложенные вчетверо марлю или бинт.
Перенесите фильтрат в чистый стакан. Фильтрование поможет вам отделить
раствор, содержащий ДНК и множество других молекул (РНК, белков, углево-
дов и т. п.), от нерастворимых остатков растительного материала.
4. К полученному раствору аккуратно добавьте этиловый или изопропиловый
спирт (примерно 15 мл), предварительно сильно охлаждённый в морозильной
камере. В стакане появляются белые нити, которые через какое-то время
сконцентрируются ближе к поверхности раствора. Спирт поможет вам оса-
дить ДНК из раствора — иначе говоря, ДНК не растворяется в спирте и пото-
му образует в нём видимый осадок.
Эти нити состоят из натриевой соли ДНК банана, связанной с белками. В лабо-
ратории такую ДНК дополнительно можно очистить от оставшихся белков и ис-
пользовать для дальнейшей работы.
м Задание 2
Расположите процессы, происходящие на разных стадиях эксперимента, по по-
рядку.
1. ДНК выходит в раствор.
2. ДНК осаждается из раствора.
3. Ионы натрия из поваренной соли связывают отрицательно заряженные фос-
фатные группы ДНК.
4. Мембраны клеток разрушаются под действием лаурилсульфата натрия.
5. Образуется натриевая соль ДНК.
26
6. Происходит отделение ДНК и других растворимых молекул от нерастворимых
фрагментов растительного материала.
7. Банан разрушается до отдельных клеток.
Задание 3
Ответьте на вопрос. Почему ДНК не растворяется в спирте?
м Задание 4
Для выделения ДНК можно использовать щелочной раствор и нагревание до
95 °C. Какие биополимеры необратимо изменят свою структуру в этих условиях
и почему?
Что читать
1. Франк-Каменецкий Максим Давидович. «Век ДНК»
Франк-Каменецкий Максим Давидович. «Самая главная молекула»
Эти книги рассказывают о том, почему молекулу ДНК справедливо называют
королевой живой клетки. Ретроспективно, начиная с 1930-х гг., автор описы-
вает предпосылки и историю изучения самой главной молекулы — ДНК.
В книгах рассказывается о применении генно-инженерных методов, расшиф-
ровке генома, рождении синтетической биологии и о многих других не менее
интересных вещах.
2. Леруа Арман Мари. «Мутанты». Автор, генетик и специалист в области эволю-
ционной биологии развития, ярко, местами завораживающе жутко, но с хоро-
шим чувством юмора рассказывает о том, как изучение мутаций у человека
помогло исследователям понять функции различных генов и то, как работа
этих генов создала наши тела.
3. Уотсон Джеймс Д., Берри Эндрю и Дэвис Кевин. «ДНК. История генетиче-
ской революции». Увлекательная летопись генетики от Менделя до редакти-
рования генома, рассказанная нобелевским лауреатом и одним из первоот-
крывателей структуры молекулы ДНК. Вы найдёте в этой книге не только яр-
кие исторические зарисовки; авторы ещё и объясняют научное содержание
того или иного эпохального открытия (например, что такое транскрипция или
в чём принцип метода секвенирования).
4. Лейн Ник. «Вопрос жизни». Одна из немногих книг последнего времени, под-
робно рассматривающих проблему происхождения жизни и ранние этапы её
развития. Вы узнаете, что думают современные учёные о том, как появились
метаболизм, сложные клетки и сами гены, а также половое размножение
и мейоз.
27
Модуль 2
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ГЕНОВ .
Все клеточные организмы можно разделить на прокариот и эукариот.
Прокариоты — безъядерные одноклеточные организмы — появились почти
4 млрд лет назад, а затем около 2 млрд лет назад в результате великого сли-
яния прокариотических клеток возникли эукариоты.
Про геномы вирусов и бактерий вам расска-
жет Михаил Карташов — кандидат биологиче-
ских наук, старший научный сотрудник отдела
молекулярной вирусологии Центра вирусоло-
гии и биотехнологии «Вектор».
МИХАИЛ
КАРТАШОВ
Про особенности устройства нашего
с вами генома и геномов остальных эукари-
от вам расскажут Татьяна Колесникова —
кандидат биологических наук, ведущий на-
учный сотрудник лаборатории молекуляр-
ной цитогенетики Института молекулярной
и клеточной биологии СО РАН, и уже знако-
мый вам Нариман Баттулин.
ТАТЬДНА
Колесникова
Глава 4
МИР ПРОКАРИОТ
Если вы читаете эту книгу в классе, то оторвитесь от неё ненадолго и
пересчитайте по головам своих одноклассников. Посчитали? Тем не менее
точно сказать, сколько живых организмов населяют ваш класс, вы не смо-
жете, и вот почему — большинство живых существ имеют микроскопиче-
ские размеры и не видны невооружённым глазом. Эти микроорганизмы
живут везде, в том числе в вашем классе, в вашем теле и в телах ваших
одноклассников.
28
Речь идёт о микробах. Именно им принадлежит этот мир. По биомас-
се и числу видов они наиболее разнообразная и многочисленная форма
жизни на Земле.
Об их существовании догадывались ещё древние греки, но впервые
люди смогли их увидеть только после изобретения микроскопа. Очень бы-
стро учёные поняли, что микробы ответственны за развитие многих
страшных болезней: чумы, холеры, туберкулёза и т. п., после чего стали
их активно изучать.
Но для того чтобы лечить, а главное, предупреждать болезни, врага
надо знать в лицо, а для этого мало рассматривать его под микроскопом.
Чтобы изучать привычки и особенности жизни микробов, учёные стали
выращивать многие их виды в пробирках, давая им всякие ресурсы в ви-
де питательной среды и создавая для них оптимальные температурные
условия.
Позже, однако, было установлено, что 99% всех живущих на Земле
микробов не растут в лабораториях. Поэтому до сих пор реальное много-
образие мира микробов ускользает от нас — так же, как от древних гре-
ков. Но, в отличие от них, мы знаем, что каждый живой организм на Зем-
ле содержит в себе молекулу ДНК, которая несёт всю генетическую ин-
формацию о своём хозяине. А выделять и читать последовательность ДНК
мы умеем уже достаточно хорошо. И пусть мы не видим самих микробов,
но их генетические паспорта могут рассказать уже о многом.
Что же общего у всех микробов? У них, в отличие от нас, нет ядра
(которое по-гречески называется karion). Поэтому нас (все живые суще-
ства от амёбы до человека) называют эукариотами, т. е. «организмами
с настоящими ядрами», а микроорганизмы — прокариотами, т. е. «доядер-
ными».
Сегодня прокариотические организмы подразделяют на две огром-
ные группы организмов, два отдельных домена жизни — домен Археи
(которых раньше называли архебактериями) и домен Эубактерии (кото-
рых иногда называют просто бактериями).
Первые археи были найдены в гейзерах Йеллоустонского националь-
ного парка. Они прекрасно живут в кипящей воде. Вообще многие археи
выбирают места, больше похожие на поверхность Венеры или Землю на
начальных этапах развития жизни. Есть археи, спокойно выдерживаю-
щие температуру 122 °C, способные при этом весьма неплохо размно-
жаться. Такие археи живут на морском или океаническом дне, спокойно
выдерживая ещё и колоссальное давление.
Геном прокариот представлен двухцепочечной молекулой ДНК, по-
крытой белками. Такие структуры называют хромосомами. Как правило,
хромосомы бактерий кольцевые. Но из каждого правила есть исключения,
и теперь учёным известны бактерии, у которых геном представлен линей-
ной хромосомой.
Гены прокариот можно условно разделить на две большие группы.
Первые — это самые важные гены, работа которых необходима бактери-
ям ежеминутно в любых условиях и без которых они не могут нормально
29
ГЕНОМ ПРОКАРИОТ
Рис. 2-1. Структура генома прокариот
существовать. Такие гены всегда находятся в активном состоянии: транс-
крибируются и транслируются в белки. Их называют генами домашнего
хозяйства.
Другие гены могут «спать» до поры до времени, пока белки, закоди-
рованные в них, организму не нужны. Но как только меняются условия
окружающей среды и возникает потребность в этих белках, наступает
звёздный час прежде молчавших генов и они начинают активно работать.
Так, если в окружающей среде нет, например, лактозы, то бактериям не-
зачем и синтезировать белки-ферменты для её переваривания. Таким об-
разом, бактерии способны очень быстро менять свой метаболизм и «вклю-
чать» нужные гены, как только поймут, что где-то рядом можно пожи-
виться любимой едой (рис. 2-1).
Прокариотические гены, продукты которых участвуют в цепочках перевари-
вания определённого вещества (или, как говорят учёные, одного метаболиче-
ского пути), сгруппированы в одном месте и идут друг за другом. Такой ком-
плекс из нескольких генов называют опероном. Перед опероном идёт участок
ДНК, который называют промотором. На промоторе находятся место узнава-
ния и площадка для посадки фермента, синтезирующего РНК (РНК-полимера-
зы), а также ещё нескольких вспомогательных белков, которые могут облегчить
начало синтеза РНК (белки-активаторы) или, наоборот, осложнить его (бел-
ки-репрессоры). На конце оперона располагается терминатор — последова-
тельность нуклеотидов, которая служит сигналом к окончанию транскрипции.
Таким образом, со всего оперона синтезируется одна РНК, и сразу же с неё
30
КОЛЬЦЕВАЯ ХРОМОСОМА ПРОКАРИОТ
Рис. 2-2. Схема строения оперона
Многие прокариотические клетки, помимо своего генома в виде соб-
ственной кольцевой хромосомы, могут содержать более мелкие внехромо-
сомные элементы ДНК. Такие небольшие замкнутые в кольцо двухцепо-
чечные молекулы ДНК называют плазмидами. Бактерии могут обмени-
ваться между собой такими плазмидами через установление прямого
контакта («мостика») между цитоплазмой двух разных клеток -— этот
процесс называют конъюгацией (рис. 2-3).
Во время конъюгации плазмида может случайно захватить с собой
фрагмент генетического материала бактерии-хозяина, и это будет способ-
ствовать обмену генетической информацей между хромосомами разных
бактерий. Так происходит горизонтальный перенос генов — процесс пе-
редачи генетического материала от одного организма другому, который
при этом не является его потомком. У разных видов прокариот 10—15%
генов (а может, даже и больше) приобретены именно таким образом.
С горизонтальным переносом генов связана одна из глобальных про-
блем человечества (если не сегодняшнего, то уже завтрашнего дня) — про-
блема развития устойчивости к известным антибиотикам у болезнетвор-
ных бактерий. Часто гены, ответственные за развитие такой устойчивости,
находятся в плазмидах, и этими плазмидами бактерия готова быстро поде-
литься со всеми своими соседями. При этом совсем не важно, родственни-
ки они или относятся к совершенно другому виду. Но в то же время с по-
мощью плазмид в бактерию можно внести ген, который нужен человеку
для того, чтобы бактерия синтезировала определённый белок, являющий-
ся, например, лекарством (об этом мы подробнее поговорим в главе 10).
31
Пк*1 1АВЗ1Я
Рис. 2-3. Конъюгация у бактерий
........> Игра-демонстрация «ОПЕРОН»
Для демонстрации принципа работы оперона потребуется цветная бумага и скотч
(или степлеры) по числу команд.
Задание
1. Всех участников игры необходимо разделить на группы по 4—5 человек. Ка-
ждая группа получает скотч (или степлер) и молекулы — фрагменты бумаги
разной формы (квадрат, овал и т. д.) одного цвета по числу участников груп-
пы (если у участников есть ножницы, то они могут сами вырезать свою моле-
кулу).
2. В первом варианте игры участники из разных групп рассаживаются впере-
мешку в классе. Каждый участник — это «фермент», который должен при-
крепить свою молекулу к субстрату (скотчем или степлером). Учитель разда-
ёт классу субстраты (листы бумаги) соответствующих цветов. Если у «фер-
мента» молекула не того цвета, то он передаёт её дальше. Если цвет
субстрата и молекулы совпадает, то «фермент» прикрепляет молекулу к суб-
страту. Когда на субстрат будут прикреплены все молекулы, его возвращают
учителю. Засеките время, которое потребуется, чтобы все субстраты вернули
учителю.
3. Во втором варианте игры нужно рассадить «ферменты» с молекулами одного
цвета группами или рядами, т. е. сформировать опероны. Необходимо опреде-
лить время, потраченное на формирование оперонов.
4. В заключение необходимо сравнить результаты работы смешанных и органи-
зованных в опероны команд.
32
.........> Задача «УЗНАЙ, ЧТО ЭТО ЗА БАКТЕРИЯ, ПО ДНК»
Сегодня исследователи изучают микроорганизмы, анализируя фрагменты их I
ДНК — чаще всего ген 165 рибосомной РНК (входит в состав рибосомы). Рибо-
сома — важная часть механизма производства белка в клетке. Все бактерии име-
ют ген 165 рРНК, но точная последовательность ДНК уникальна для каждого ви-
да. Поэтому этот ген используют как «молекулярный отпечаток пальца».
Когда учёные исследуют любой микроорганизм, то сначала они выделяют ДНК и
определяют последовательность гена 165 рРНК, а потом сравнивают её с извест-
ными аналогичными последовательностями в базе данных. Если обнаруживается ,
совпадение, то это значит, что микроорганизм относится к уже известному виду,
а если нет, то сообщают об открытии нового вида. Кстати, именно при помощи
анализа гена 165 рибосомной РНК в какой-то момент было установлено, что чис-
ло видов микроорганизмов на планете намного больше, чем мы думали.
Задание
1. Введите в строке браузера адрес https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
2. Выберите «Nucleotide BLAST».
3. Введите в окно «Enter accession number(s), gi(s), or FASTA sequence(s)» после-
довательность ГГГАГТАААГТТААТАЦЦТТТГЦТЦ.
Учтите, что сервер не понимает русских букв. Поэтому здесь и в остальных задани-
ях русские буквы надо переводить в латинские: А = А, Г = G, Т = Т, Ц = С, У = U.
Чтобы облегчить вам жизнь, мы это сделали сами и выложили латинизированные
последовательности на сайте нашей книги: http://sites.icgbio.ru/tutorial/. Вы
можете их оттуда копировать и вставлять в соответствующие окна браузера.
4. Нажмите кнопку BLAST внизу страницы.
5. По результатам сравнения с известными геномами определите, представители
какого вида бактерий содержат такую последовательность в своём геноме. <
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Прокариоты имеют кольцевой геном, в котором
есть гены домашнего хозяйства, необходимые клетке всегда, и гены, ко-
торые работают только при определённых жизненных обстоятельствах.
Маленькие кольцевые ДНК — плазмиды позволяют бактериям обмени-
ваться полезными генами. Часто гены бактерий, продукты которых
участвуют в контроле последовательных биохимических реакций, на-
ходятся в геноме рядом, образуя оперон.
Бактерии хорошие и плохие. Обсудите вопрос о признании бактерий полезны-
ми или вредными членами живого сообщества. Выскажите аргументы за
и против бактерий. Потом разделите классную доску на две части и напишите
на каждой соответствующие аргументы. В заключение составьте резолюцию
по данному вопросу (индивидуально или в группах).
33
Глава 5
устройство генов
У ЭУКАРИОТ
Эубактерии и археи — прокариоты, а мы с вами — эукариоты. Уже
никто не подвергает сомнению тот факт, что эукариотическая клетка воз-
никла путём симбиоза, т. е. взаимовыгодного сожительства, нескольких
прокариотических клеток. Конечно, мы не знаем во всех деталях, как
именно произошло это объединение нескольких одноклеточных организ-
мов в один новый просто потому, что это произошло очень давно (более
2 млрд лет назад), а в те времена некому было исследовать этот интерес-
нейший процесс. Но на основе результатов исследований современных
бактерий и эукариот мы можем предложить наиболее вероятный сцена-
рий такого объединения (рис. 2-4). По самым современным представлени-
ям, в объединении участвовали три прокариотические клетки:
1) от одного из этих организмов (дельта-протеобактерии) мы унасле-
довали цитоплазму и мембраны;
2) от второго (археи) мы унаследовали генетический аппарат и систе-
му синтеза белков;
3) третий участник (альфа-протеобактерия) превратился в митохонд-
рии — энергетические станции клетки.
Стимулом для сожительства было то, что каждый участник этого
симбиоза специализировался на определённых химических реакциях,
а именно:
• альфа-протеобактерия могла получать энергию, проводя химиче-
скую реакцию между кислородом и сероводородом (вещество с запахом
тухлых яиц), в результате которой получались другие соединения серы
(сульфаты);
• архея умела переваривать органические вещества и выделять во-
дород;
• дельта-протеобактерия создавала органические вещества из угле-
кислого газа, проводя реакцию между сульфатами и водородом, в резуль-
тате которой ещё и выделялся сероводород.
ЭУКАРИОТЫ
ПРОКАРИОТЫ
Рис. 2-4. Загадка происхождения эукариот
' I \4
34
Объединение трёх маленьких прокариотических клеток привело к по-
явлению чего-то совершенно нового — эукариотической клетки.
Появление эукариотической клетки путём слияния нескольких про-
кариот случилось в истории Земли только один раз, поэтому все эукарио-
ты (растения, грибы, животные и множество разных одноклеточных эука-
риот) ведут свою родословную от одного общего предка. Но объединения
эукариот с прокариотами случались после этого события неоднократно.
Так, растения, после того как включили в свою клетку прокариота, умею-
щего фотосинтезировать, получили возможность вырабатывать органиче-
ские вещества на свету. Из этого прокариота возникли хлоропласты — ор-
ганоиды растительной клетки, отвечающие за фотосинтез.
Информационный центр нового организма сформировался на основе
генома археи — так возникло ядро. Большая часть генов остальных участ-
ников симбиоза со временем переместилась в ядро, но небольшую часть
генома они сохранили. Да! И у митохондрий, и у хлоропластов есть свой
собственный геном.
У эукариот, как и у прокариот, вся наследственная информация за-
писана в ДНК. Но это уже не одна молекула ДНК — например, гены чело-
века распределены между 23 отдельными хромосомами, которые спрята-
ны в ядре. Распределены гены по хромосомам неравномерно: на первой,
самой большой хромосоме, помещается больше 2 тыс. генов, а на 21-й хро-
мосоме — всего 185. Каждая хромосома — это облепленная белками моле-
кула двухцепочечной ДНК, которая после репликации удваивается и пре-
вращается в две лежащие плотно прижавшись друг к другу одинаковые
молекулы — хроматиды.
Почти во всех наших клетках все хромосомы (а вместе с ними и все
гены) представлены в двух экземплярах, один из которых пришёл к нам
от папы, а второй — от мамы. Клетки с таким двойным набором хромосом
называют диплоидными, а состоящие из них организмы — диплоидами.
Например, диплоидный набор хромосом чёрного носорога состоит из 42 пар,
т. е. 84 хромосом. А вот у оленя индийского мунтжака хромосом всего 6,
т. е. 3 пары (рис. 2-5). Совокупность хромосом одного вида называют ка-
риотипом.
ЧЁРНЫЙ НОСОРОГ ИНДИЙСКИЙ МУНТЖАК
Рис. 2-5. Различие кариотипов носорога и мунтжака
35
Фрагмент хромосомы
Кишечная палочка 20 000
1Ш^”'' пар нуклеотидов
Ген Ген Ген Ген Ген Ген Ген Ген
Человек
____ - . «, - ww200000
IIHXEQCDOQOQMM^EBDQDEEESDHMBQODOQDOEOQQDD'^ пар нуклеотидов
Ген Ген Ген
Рис. 2-6. Сравнение геномов кишечной палочки и человека по распределению
и плотности последовательностей, кодирующих аминокислоты в белках
Геномы прокариот и эукариот сильно различаются и по составу, и по
устройству. Когда учёные впервые прочитали геном человека, т. е. после-
довательность нуклеотидов его ДНК, то очень удивились. Оказалось, что
лишь 1,5% ДНК представляли собой участки, кодирующие последова-
тельность аминокислот в белках. И генов-то нашлось намного меньше, чем
ожидали, — чуть больше 20 тыс. (это всего в 5 раз больше, чем у бактерии
кишечной палочки). Зато регуляторные области генов, т. е. участки, с ко-
торыми связываются белки, запускающие процесс синтеза РНК на основе
ДНК или прекращающие его (их называют активаторами и репрессора-
ми), занимают более 15% генома. Получается, что сложность нашей орга-
низации определяется не количеством генов, а наличием намного более
сложной системы управления транскрипцией (рис. 2-6).
Ещё одно удивительное свойство генов эукариот — то, что они имеют
«прерывистую» структуру: кодирующие отрезки гена перемежаются с
участками ДНК, которая не используется при синтезе белка. Эти участки
называют интронами. Интроны занимают суммарно в 10 раз больше места
в геноме, чем лежащие между ними экзоны (участки кодирующей ДНК).
Они транскрибируются вместе с кодирующими последовательностями, но
потом удаляются из молекулы РНК. Как и зачем это происходит, мы обсу-
дим немного позднее.
Долгое время в молекулярной биологии было принято считать, что ДНК —
это носитель наследственной информации, белки выполняют в клетке всю ос-
новную работу, а молекулы РНК — всего лишь посредники, помогающие клет-
ке строить белки по матрице ДНК. Однако в геноме человека около 5 тыс. ге-
нов, которые производят небольшие, но очень важные молекулы РНК.
Например, это гены рибосомных РНК и транспортных РНК — участников син-
теза белков. Около 2 тыс. генов — гены микроРНК, продукты которых уча-
ствуют в регуляции работы генов. ,
36
Совсем недавно (примерно в 2008 г.) учёные научились определять
полный набор молекул РНК, которые есть в клетках. Поскольку все РНК
в клетке появляются в результате транскрипции, этот набор РНК был на-
зван транскриптомом (по аналогии с геномом). Первые же данные анали-
за транскриптома клеток человека показали, что в клетке транскрибиру-
ется около 70% генома. Это намного больше, чем доля всех белок-кодиру-
ющих генов. Оказалось, что существенная доля транскриптов — это
продукты специальных генов, которые не кодируют белки, но с которых
образуются молекулы так называемых длинных некодирующих РНК, вы-
полняющих в клетке множество разных функций. Некоторые из них
управляют работой генов, другие создают каркасы для сборки сложных
многокомпонентных белковых структур.
Кроме генов (участков ДНК, в которых записана информация о струк-
туре различных функциональных молекул — белков или РНК), а также
элементов управления этими генами, в геноме есть участки, выполняю-
щие обслуживающую функцию. Десятки процентов геномов эукариот за-
нимают некодирующие последовательности, окружающие центромеры —
участки хромосом, совершенно необходимые для митоза и мейоза (именно
за центромеры хромосомы будут растаскиваться в дочерние клетки).
Эти участки хромосом удивительны тем, что всегда состоят из много-
кратно повторяющихся относительно коротких последовательностей ДНК
и могут заметно различаться у двух случайно взятых людей. Судя по все-
му, клетке не очень важно, что за последовательности ДНК там лежат, не
очень важно, сколько раз повторяется каждая последовательность, лишь
бы они могли выполнять свою важную структурную функцию (рис. 2-7).
Пока что для всех последовательностей генома мы находили ту или
иную важную функцию. Но в геномах эукариот имеется много участков
(это десятки процентов), занятых странными «геномными паразитами» —
транспозонами (по-русски их иногда называют мобильными или подвиж-
ными элементами генома или даже прыгающими генами). Предполагается,
что многие транспозоны произошли от встроившихся в наш геном вирусов,
потерявших гены, необходимые для сборки полноценных вирусных частиц.
Некоторые транспозоны содержат ген фермента, который вырезает
ДНК транспозона из хромосомы, а затем встраивает её на новое место.
Другие транспозоны из хромосомы не вырезаются, но кодируют фермент,
который может сделать копию с РНК транспозона в виде молекулы двух-
цепочечной ДНК, которая и будет встраиваться в геном.
Неужели 30 % нашего генома непрерывно прыгает с места на место и
делает всё новые копии себя? Нет! Во-первых, большая часть транспозо-
нов, которые есть в нашем геноме, — это «поломанные» копии. Во-вторых,
наши клетки научились распознавать транспозоны и упаковывать их
в белки так крепко, что транскрипция становится невозможна.
Некоторые транспозоны, миллионы лет сосуществуя с нашими гено-
мами, начали приносить нам пользу. Например, если в ДНК появляется
очень большой разрыв, который клетка не может залечить обычными
средствами, в разрыв может встроиться транспозон и закрыть собой ды-
37
Центромерные
повторы
ТРАНСПОЗОНЫ
Регуляторные
последовательности
регулирует
ГЕН 4
регулирует
ГЕН 3
регулирует
ГЕН 1
регулирует
ГЕНЫ 2 и 4
регулирует
ГЕН 2
Рис. 2-7. Организация эукариотического генома
ру. Какими бы «эгоистичными» ни казались нам транспозоны, мы должны
быть им благодарны. Оказалось, что эукариоты часто берут у транспозо-
нов кусочки и используют их в качестве регуляторных последовательно-
стей своих генов. Но это происходит не часто, поэтому результаты такого
процесса становятся заметными только через много миллионов лет.
........> Практическое задание «КАРИОТИП»
Для классификации хромосом внутри кариотипа, выявления их сходства и разли-
чия учёные используют три ключевых признака.
1. Размер. Это самый простой способ отличить хромосомы друг от
друга.
2. Узор окрашивания (бэндинг). Размер и расположение полосок при специаль-
ной обработке делают каждую хромосому уникальной.
3. Положение центромеры (рис. 2-8).
Человек — диплоидный организм, и у него имеется 46 хромосом, т. е. 23 пары
(по одному набору из 23 хромосом от каждого родителя).
38
Рис. 2-8. Ключевые признаки идентификации хромосом
Хромосома 1 Хромосома 4
Хромосома 14
Задание
Сделайте копию рисунка 2-9. Вырежьте из левой части рисунка отдельные хромо-
сомы. Используя перечисленные выше три признака идентификации хромосом,
найдите среди вырезанных хромосом пары к хромосомам в правой части рисун-
ка и наклейте их рядом.
Рис. 2-9. Хромосомы человека
39
........> Задача «ЧТО ВЫКЛЮЧАЕТ РНК»
Некоторые молекулы РНК могут заставить «замолчать» определённые гены, от-
ключив производство белков, которые не нужны в данном месте или в данное
время. Каждому типу клеток для выполнения своей работы требуется только
часть всех генов, остальные необходимо «усыпить». Молекулы РНК, «усыпляю-
щие» гены, распознают специфические последовательности посредством компле-
ментарного спаривания оснований. Так они могут связываться с участками гено-
ма, выключая производство белка.
Задание
Используя сервис поиска гомологичных последовательностей BLAST (https://
blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi), определите, какой ген будет выключать РНК
с последовательностью ААУУГУУЦЦАЦААУГЦЦАЦГЦ. К каким последствиям
может привести выключение данного гена?
........> Задача «СРАВНЕНИЕ ДЛИНЫ ГЕНОВ ПРОКАРИОТ
И ЭУКАРИОТ»
Для сравнения длины генов прокариот и эукариот воспользуйтесь базой данных,
расположенной по адресу https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/.
Задание 1
1. Произведите поиск гена для фермента ДНК-лигазы (введите «DNA ligase») —
фермента, который участвует в процессе репликации ДНК и потому необходим
всем живым организмам.
2. Проанализируйте список организмов, у которых найден этот ген.
3. Выберите гены человека (Homo sapiens), дрожжей (Saccharomyces cerevisiae)
и бактерии (Escherichia coli), а также других организмов.
4. Перейдите по гиперссылке конкретного гена, найдите раздел «Genomic
regions, transcripts and products». На схеме прямоугольниками (экзоны) и ли-
ниями (интроны) показана структура гена. Наведите курсор мыши на название
гена, во всплывающем окне появится информация о данном гене, в том числе
его длине (в нуклеотидах ** nt и аминокислотах ** аа).
5. Если навести курсор мыши на зелёную линию под названием гена (это работа-
ет только для генов эукариот), можно увидеть информацию о длине белок-ко-
дирующей части (CDS).
Задание 2
Сопоставьте длину гена ДНК-лигазы человека, дрожжей и бактерии. Почему дли-
на гена может различаться, если соответствующий белок выполняет одну и ту же
функцию? Ген какого организма длиннее? Почему? <
40
подводя итоги. У эукариот ДНК организована в отдельные хромо-
сомы. В хромосомах последовательности, собственно кодирующие
аминокислоты, занимают менее 2%, зато существенная доля прихо-
дится на регуляторные (управляющие) последовательности. Кроме ге-
нов, кодирующих белки, в геноме эукариот есть гены регуляторных
и структурных (например, входящих в структуру рибосом) РНК, есть
вспомогательные последовательности, необходимые для управления
поведением хромосом в митозе и мейозе. Есть у нас и геномные пара-
зиты. За миллионы лет эволюции некоторые из них научились прино-
сить нам пользу.
1. Какие последствия могут возникнуть, если прыгающие гены — транспозо-
ны начнут активно перемещаться по геному? Почему обычно этого не про-
исходит?
2. Какие преимущества и недостатки имеет разделение генома на множе-
ство отдельных фрагментов — хромосом?
3. Поищите информацию о размерах хромосом у разных видов эукариот.
У кого самые длинные хромосомы? Есть ли связь между размерами и чис-
лом хромосом? Есть ли связь между числом генов в геноме и числом хро-
мосом?
Глава 6
УПРАВЛЕНИЕ ГЕНАМИ
У ЭУКАРИОТ
Принципы управления работой генов в про- и эукариотической клет-
ках в общих чертах похожи. Перед началом каждого гена есть специаль-
ная посадочная площадка для РНК-полимеразы. Такую площадку назы-
вают промотором. Около промотора могут находиться последовательности
ДНК, связывающие белки-регуляторы, которые могут включать, выклю-
чать или немного изменять работу генов (рис. 2-10).
Эти белки-регуляторы называют транскрипционными факторами.
Информация об их строении закодирована в самом геноме. Один транс-
крипционный фактор может управлять работой одновременно десятков и
даже сотен генов. В то же время многие гены могут связываться с десят-
ками различных транскрипционных факторов. Например, существует
транскрипционный фактор, активирующий все гены, продукты которых
нужны для репликации. Это позволяет слаженно управлять всеми генами,
необходимыми именно для этого процесса.
41
промотор
ГЕН
3 терминатор
Транскрипционные
факторы
Рис. 2-10. Схема действия транскрипционных факторов
Иногда факторы действуют совместно: например, один транскрип-
ционный фактор работает только в развивающихся конечностях, а дру-
гой начинает свою деятельность только на двадцатый день развития.
Если у гена есть посадочные площадки для связывания этих двух транс-
крипционных факторов, то активнее всего он будет работать именно
в развивающихся конечностях на двадцатый день развития.
Некоторые гены могут управляться своим собственным продуктом.
Такое управление генов друг другом и своей собственной работой позво-
ляет организовать сложные генные сети.
Молекулы ДНК в наших хромосомах очень длинные. Если их вытя-
нуть в линию и поставить друг за другом, получилась бы нить длиной око-
ло двух метров. Как два метра ДНК может поместиться в микроскопиче-
ском ядре? У всех эукариот ДНК наматывается на белковые «катушки» —
нуклеосомы. Каждая нуклеосома состоит из нескольких белков, которые
называют гистонами.
Гистонов в ядре очень много, по массе их примерно столько же, сколько
ДНК. Долгое время считали, что главная роль гистонов состоит в том, чтобы
сделать молекулы ДНК более компактными. Но примерно к середине 1990-х гг.
стало очевидно, что у эукариот гистоны играют очень важную роль в управле-
нии работой генов.
Оказалось, что гены, которые постоянно работают и дают много РНК, упа-
кованы в нуклеосомы не очень плотно, например, их промоторы совсем сво-
бодны от нуклеосом. Гены же, которые в клетке вообще не должны работать,
упакованы в нуклеосомы так плотно, что регуляторные области спрятаны от
всех регуляторных белков.
42
ДНК
НУКЛЕОСОМЫ
I
X
Транскрипция Транскрипция
невозможна возможна
Рис. 2-11. Плотность упаковки ДНК в нуклеосомы влияет на активность генов
Более того, оказалось, что из катушек-нуклеосом, на которые намо-
тана ДНК, торчат наружу «хвосты» гистоновых молекул. Эти «хвосты» не-
сут множество химических меток. Если ген активно работает, его гистоны
помечены так, чтобы нуклеосомы не прочно держались за ДНК и при
транскрипции можно было бы с лёгкостью их снять. Если ген не работает,
то в нём присутствуют другие метки, которые делают связь между ДНК
и нуклеосомами более прочной.
Для генов, которые ни в коем случае не должны работать в клетке
(например, гены, отвечающие за развитие эмбриона, не должны работать
во взрослом организме), существуют особые метки. С ними связываются
белки-упаковщики, которые так плотно упаковывают ген, что никакие ак-
тиваторы больше не пробьются к его регуляторным последовательностям.
Удивительное и важное свойство такой упаковки — её способность сохра-
няться очень длительное время и передаваться в ряду клеточных поколе-
ний. Во время репликации происходит не только точное удвоение самой
молекулы ДНК, существуют механизмы, которые обеспечивают воспроиз-
ведение набора белков и гистоновых меток, характерных для каждого ге-
на (рис. 2-11).
Хотя транскрипция у эукариот происходит в ядре, синтез белка осу-
ществляется в цитоплазме. Значит, получившуюся в результате транс-
крипции РНК нужно вывести из ядра. Кроме того, транскрипция и синтез
белка происходят не одновременно. И это даёт много удивительных новых
возможностей! Можно запасти много РНК, а синтез белка начать только
тогда, когда он понадобится. Например, очень много молекул матричных
РНК запасается в яйцеклетке, и они будут использоваться на первых эта-
пах развития нового многоклеточного организма.
Оказалось, что большинство РНК в эукариотической клетке после
транскрипции проходят сложное созревание, или, говоря научным язы-
ком, процессинг. На концы молекулы РНК надеваются защитные молеку-
лярные «шапочки», из самой РНК вырезаются участки, не кодирующие
последовательности аминокислот, — интроны, а экзоны соединяются об-
43
Рис. 2-12. Процессинг РНК:
П — промотор; Э — экзоны;
И — интроны; Т — терминатор
нервной системе плодовой мушки
разных молекул мРНК этого гена.'
сится ген, кодирующий титин —
У этого гена 363 экзона.
Рис. 2-13. Регуляции трансляции
при помощи микроРНК
ратно в единую молекулу РНК. Та-
кое вырезание кусочков из молеку-
лы РНК называют сплайсингом
(рис. 2-12).
Открытие сплайсинга в 1977 г.
потрясло многих учёных. Никто не
мог понять, зачем клетке нужны та-
кие сложности. Оказалось, что, ком-
бинируя состав экзонов, можно на
основе одного гена сделать очень
много вариантов матричной РНК и,
соответственно, разных белков. На-
пример, если в гене два экзона, то
можно получить три варианта мРНК
с различными комбинациями экзо-
нов: 1, 2, 1 + 2 (экзоны не меняются
местами), если три экзона — шесть
комбинаций (1, 2, 3, 1 + 2, 2 + 3,
1 + 3) и т. д.
На данный момент ген-ре-
кордсмен по количеству известных
вариантов мРНК, производящихся
по матрице ДНК одного гена, — это
ген, работающий в развивающейся
дрозофилы. Обнаружено более 38 тыс.
У человека к таким рекордсменам отно-
белок, которого очень много в мышцах.
Оказалось, что один ген может
дать ещё больше вариантов РНК,
так как многие гены имеют сразу
несколько промоторов и несколько
терминаторов транскрипции. Всё
это увеличивает сложность нашего
генома и мешает дать простое и по-
нятное определение, что же такое
один ген. Вот поэтому-то учёные до
сих пор спорят, сколько же генов
у человека.
После процессинга РНК от-
правляется в цитоплазму, где её
ждут рибосомы. Но даже теперь
управление работой гена не закан-
чивается! Даже после того как РНК
связалась с рибосомой, трансляцию
можно остановить. Это могут сде-
лать микроРНК.
44
МикроРНК производятся самой клеткой и представляют собой короткие
молекулы длиной в 21—22 нуклеотида, которые связаны с белковыми ком-
плексами, останавливающими трансляцию. Если микроРНК найдёт транслиру-
ющуюся РНК, комплементарную самой себе, то она свяжется с ней и трансля-
ция прекратится (рис. 2-13). МикроРНК регулируют работу более половины
наших генов.
Но почему иногда важно уметь остановить работу гена не только во
время транскрипции, но и во время трансляции? Бывает так, что клетке
нужно срочно прекратить синтез какого-то белка (например, гормона, на-
добность в действии которого уже отпала), но ген долго активно транскри-
бировался, и в клетке накоплено много РНК. Если выключить только
транскрипцию, клетка будет продолжать делать белок, пользуясь запаса-
ми РНК. Вот тут-то и поможет остановка трансляции.
........> Ролевая игра «АКТИВИРУЕМ ПРОМОТОР»
Ученики разбиваются на команды по 6—8 человек. Каждая команда представля-
ет собой транскрипционные факторы (ТФ). Команде выдаётся набор карточек:
белки-активаторы на +10%, +20%, +40% и на +100% и белки-репрессоры на
-10%, -30%, -50% и на -80%.
Далее ведущий даёт задание «включить ген на 60% активности». Учащиеся-ТФ
должны выстроиться в линию так, чтобы суммарная активность промотора была
60%. Каждый ТФ может присоединиться только один раз. Вариантов может быть
несколько, например: +100, —10, —30 или +100, —80, +40. Команда, первой со- I
бравшая промотор, получает 1 балл. Заданий может быть несколько, однако
обратите внимание, что полное выключение промотора соответствует 0% (отрица-
тельного значения не бывает).
Интересно, что в молекуле РНК, кроме информации о начале и оконча-
нии трансляции и о последовательности аминокислот, может быть сигнал,
который заставит плавающую свободно рибосому сесть на мембрану и встро-
ить в неё синтезирующийся белок. Более того, рибосома может получить
множество таких сигналов, многократно связываться с мембраной и отде-
ляться от неё — в итоге получится белок, пронизывающий мембрану не-
сколько раз. Но после трансляции такой белок ещё не может выполнять свои
функции, поскольку ему надо придать правильную форму, а к многим бел-
кам нужно ещё присоединить дополнительные молекулы, например поли-
мерные цепочки сахаров или липидов. Такие «засахаренные» и «зажирен-
ные» белки работают на поверхности клеток и внутриклеточных мембран.
Получается, что, кроме классического трёхбуквенного генетического
кода, клетка использует множество других не менее хитрых способов шиф-
рования информации. Теперь вы понимаете, какими же хитрыми сыщика-
ми должны быть учёные, чтобы разгадывать все эти загадки!
45
.......> Задача «ТРАНСКРИПТОМНЫЙ АНАЛИЗ»
Геном человека содержит более 20 тыс. генов. В каждый конкретный момент вре-
мени в каждой из наших клеток транскрибируется определённая комбинация этих
генов. Содержание разных мРНК, соответствующих разным генам, можно проана-
лизировать при помощи транскриптомного анализа. Анализ транскриптома вклю-
чает в себя выделение РНК из клеток, определение последовательности РНК,
идентификацию генов, с которых она считывалась, и формирование списка генов.
Задание. По списку работающих генов из таблицы определите, какие клетки
исследователь использовал для транскриптомного анализа. Для этого установи-
те функции указанных белков и предположите, в каких клетках они присутст-
вуют.
РЕЗУЛЬТАТЫ ТРАНСКРИПТОМНОГО АНАЛИЗА
Клетка 1 Клетка 2 Клетка 3
Актин Пепсин Спектрин
Миозин Трипсин а- и р-глобины
Эластин Липаза Агглютинины
Тропонин Нуклеаза
.......> Задача «УРОВЕНЬ ТРАНСКРИПЦИИ ГЕНА»
На странице с описанием гена (см. задачу «Сравнение длины генов прокариот и
эукариот» на с. 40) найдите вкладку «Expression», на которой показан относи-
тельный уровень транскрипции РНК данного гена в разных тканях.
Задание. Сравните результаты для гена «Homo sapiens pepsinogen А4» (ген
пепсина) и «Ното sapiens DNA ligase 1» (ген ДНК-лигазы). Объясните результат.
Подумайте, какой из этих генов является тканеспецифичным, а какой — нет. Ка-
кой из этих генов относят к генам домашнего хозяйства? <
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Работа генов регулируется у эукариот разными
способами. Белки — транскрипционные факторы связываются со
специальными регуляторными участками хромосом и включают или
выключают транскрипцию. Плотная упаковка ДНК в нуклеосомы мо-
жет выключить ген на многие клеточные поколения. МикроРНК могут
останавливать синтез белков на рибосомах. Прерывистая структура ге-
нов — наличие в них экзонов и интронов — позволяет использовать
один и тот же ген для создания нескольких разных белков.
46
1. Как вы думаете, какие по функции белки могут быть закодированы в ге-
нах, которые управляются только транскрипционными факторами?
2. Представьте себе, что школа — это большая клетка. Проведите аналогии
с клеточными органеллами и белками. Например, кабинет директора —
это ядро, завуча — аппарат Гольджи и т. д. Подумайте, как и кто регулиру-
ет работу школы, выделите механизмы долговременной и кратковремен-
ной регуляции. Обсудите важные различия этих типов регуляции.
Глава 7
ВИРУСЫ — ГЕНОМНЫЕ
ХУЛИГАНЫ
Вирусы нарушают все наши привычные представления об устрой-
стве живого организма. Начнём с того, что вирусы — это неклеточная фор-
ма жизни. Наш с вами организм (как и организм ваших любимых питом-
цев или комнатных растений на ваших подоконниках) состоит из многих
миллиардов клеток, функционирующих как единое целое. Организм ин-
фузории или бактерии состоит всего из одной клетки, но и она является
огромной фабрикой, где ежесекундно протекают тысячи химических ре-
акций. Вирусы же устроены предельно просто и не способны к обмену ве-
ществ, т. е. они абсолютно не нуждаются в питании и дыхании.
Во внешней среде вирус представляет собой микроскопическую ча-
стицу (вирион), состоящую из нуклеиновой кислоты, покрытой сверху
чехлом (капсидом) из молекул белка. У некоторых вирусов поверх капси-
да есть липидная оболочка — выглядит это так, как будто вирус пытает-
ся подражать нормальной клетке.
Нуклеиновая кислота, спрятанная под белковым слоем капсида, яв-
ляется геномом вируса и содержит информацию о том, какими были его
предки и какими будут его потомки. Но если у всех живых организмов на
Рис. 2-14. Схема строения вируса
47
Земле геном представлен двухцепочечной молекулой ДНК (только такая
молекула является носителем генетической информации), то у вирусов
мы видим множество исключений из этого правила. Геномы вирусов могут
быть как из ДНК, так и из РНК, причём каждая из этих молекул может
быть как одноцепочечной, так и двухцепочечной (рис. 2-14).
........> Проект -МОДЕЛИ ВИРУСОВ»
Если вам понравилось делать бумажные модели или вы хотите украсить свой
класс не только моделями ДНК и РНК, то можно сделать бумажные (или 3D) мо-
дели вирусов.
Задание
Сделайте бумажную модель понравившегося вам вируса. Развёртки для таких мо-
делей можно скачать по адресу pdb 101. rcsb.org/learn/paper-models/
quasisymmetry-in-icosahedral-viruses.
Наличие генома, отвечающего за такие фундаментальные биологиче-
ские свойства, как наследственность и изменчивость, даёт основание гово-
рить о вирусах как о живых существах. Однако, чтобы носить такое гор-
дое звание, мало просто иметь генетическую информацию, её обязательно
надо реализовывать (согласитесь, просто прочитав и выучив рецепт ваше-
го любимого блюда, вы не станете сытым; для того чтобы приготовить еду,
вам придётся взять необходимые ингредиенты и выполнить с ними дей-
ствия, описанные в рецепте).
Для размножения, заключающегося в репликации своего генома и
наработке белков капсида, у вируса нет никаких собственных инструмен-
тов. Поэтому у него не остаётся иного выбора, как воспользоваться услу-
гами клетки-хозяина. Получается, что вирусы по своей природе — это
стопроцентные (облигатные) паразиты.
Для того чтобы размножиться, вирусу необходимо доставить внутрь клетки
свою генетическую информацию, а иногда также и собственные белки, необ-
ходимые для её реализации. Вначале вирион прикрепляется к своей клет-
ке-хозяину. На поверхности капсида у каждого вируса есть свои уникальные
белки, которые как ключ могут подойти только к определённому «замку» —
белкам на поверхности клеток. Это объясняет то, почему отдельные вирусы
поражают только определённый вид организмов или отдельные типы клеток
внутри одного организма. Так, «замок» для ВИЧ встречается только на по-
верхности определённой группы лимфоцитов крови (Т-хелперов), поэтому ви-
рус поражает только их.
48
Для преодоления барьера в виде цитоплазматической мембраны
и проникновения в клетку у вирусов существуют разные стратегии. Кто-то
впрыскивает свою нуклеиновую кислоту через мембрану, чьи-то вирионы
захватываются клеткой в ходе эндоцитоза. Проникнув в клетку, вирус на-
чинает использовать её ресурсы для своего размножения, которое включа-
ет в себя три взаимосвязанных события: репликацию генома вируса, био-
синтез вирусных белков и сборку вирусных частиц.
Для репликации геномной нуклеиновой кислоты (а её вариантов мно-
го) необходимы белки-ферменты, которые в различных ситуациях могут
иметь разное происхождение. Это могут быть ферменты самой клетки, за-
кодированные в её геноме, а могут быть и вирусные ферменты, которые
закодированы в геноме вируса и могут быть синтезированы после его про-
никновения в клетку-хозяина либо доставлены в клетку совместно с ви-
русной нуклеиновой кислотой (рис. 2-15).
Вирусы способны контролировать расходование ресурсов клетки-хо-
зяина. Например, когда вирусной мРНК накоплено достаточно, транс-
крипция вирусного генома подавляется, а репликация активируется. Но-
восинтезированные вирусные нуклеиновые кислоты одеваются соответ-
ствующими белками и выходят из клетки. При этом часто размножение
вируса блокирует важнейшие механизмы жизнедеятельности самой клет-
ки, и она гибнет (т. е. вновь образованные вирионы оставляют после себя
руины). Но так получается не всегда, в некоторых случаях клетка может
продолжать жить и продуцировать вирус (так происходит, если дочерние
вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая её
разрыва).
Иногда вирусы, попав в клетку, встраивают свои гены в хозяйский
геном и становятся на время его частью. Тогда они, как часть генома хозя-
ина, могут передаваться его потомкам. Надо сказать, что наш с вами геном
как минимум на 10% состоит из таких вот последовательностей, достав-
шихся нам от вирусов. Это те самые мобильные генетические элементы,
о которых мы рассказывали в главе 5.
Рис. 2-15. Жизненный цикл вируса
49
Когда именно появились первые вирусы, мы пока не знаем. Существует не-
сколько гипотез их происхождения. Одна из них говорит о том, что поскольку
вирусы имеют самое примитивное строение, то они, скорее всего, появились
ещё до образования первых живых клеток и являются потомками древних до-
клеточных форм жизни. Но надо помнить, что для своего размножения и под-
держания статуса «живого» вирусам не обойтись без клеток-хозяев.
Согласно другой гипотезе вирусы — это потомки организмов, эволюция ко-
торых пошла путём упрощения и утери всего лишнего, т. е. вирусы — это по-
томки деградировавших клеток. Согласно третьей гипотезе вирусы произошли
от особых генетических структур, способных перемещаться по геному, — мо-
бильных генетических элементов. .
Учёные придерживаются различных гипотез, но сходятся во мнении,
что, скорее всего, разные группы вирусов могут иметь разных предков
и что их эволюция шла разными путями.
Экологическую роль вирусов и их значение в эволюции других орга-
низмов трудно переоценить. С одной стороны, вирусы служат возбудите-
лями большого числа инфекционных заболеваний, таких как корь, крас-
нуха, грипп, гепатиты и т. д. Вирусы способны вызывать пандемии — эпи-
демии всемирного масштаба. Одной из наиболее масштабных катастроф
в истории человечества можно назвать пандемию «испанского гриппа»
в начале XX в., при которой заразилось не менее 550 млн человек (около
трети населения планеты).
........> Игра «НУЛЕВОЙ ПАЦИЕНТ»
Игру, моделирующую распространение инфекции, можно проводить не только
в классе, но и для более широкой аудитории. Каждый участник получает однора-
зовый стаканчик, который примерно на одну треть заполнен водой. В одном из |
таких стаканчиков вместо воды — щёлочь (0,1 %-й раствор).
Задание. Участники могут свободно передвигаться по аудитории и производить
«контакты»: два человека сливают жидкость в один стакан и затем разделяют по-
ровну. Необходимо, чтобы участники «контактировали» с разными людьми, т. е. f
каждый раз пара должна быть новой. Каждый участник должен сделать пять
«контактов», но чем больше человек участвует, тем больше «контактов» надо по-
зволить сделать участникам.
После окончания «инфицирования» в каждый стаканчик добавляют каплю фе-
нолфталеина. Участник, раствор которого окрашен в розовый цвет, считается за-
болевшим. Участники могут попробовать выяснить, от кого пошло заражение.
Некоторые вирусы могут вызывать развитие злокачественных опу-
холей. Так, рак шейки матки возникает из-за инфицирования вирусом па-
пилломы человека.
50
С другой стороны, вирусы могут и помогать лечить многие болезни.
Так, вирусы бактерий (бактериофаги, или просто фаги) могут помочь в тех
случаях, когда болезнетворные бактерии стали устойчивы к антибиоти-
кам и стандартные схемы лечения уже не эффективны. В этом случае ра-
ботает принцип «враг моего врага — мой друг». Есть вирусы, которые
предпочитают размножаться исключительно в клетках опухолей, разру-
шая их при инфицировании. Такие вирусы называют онколитическими.
Сейчас их используют при разработке способов лечения рака.
При горизонтальном переносе генов между разными хозяевами ви-
русы играют роль «генетического челнока», и с их помощью гены объеди-
няются в своеобразный «биологический Интернет». Так, бактериофаги мо-
гут обмениваться со своими хозяевами практически любыми генами, часто
наделяя бактерию новыми уникальными свойствами (рис. 2-16). Напри-
мер, абсолютно безобидный холерный вибрион, обитающий в кишечнике
человека, получая от бактериофага ген, отвечающий за выработку холер-
ного токсина, превращается в болезнетворную бактерию, вызывающую
особо опасную инфекцию.
В природе можно встретить примеры партнёрства между вирусами
и их хозяевами, которое позволяет им вместе занимать новые экологиче-
ские ниши и быть успешными в борьбе как со своими конкурентами, так
и с хищниками. Например, тли, в тело которых перепончатокрылые насе-
комые-наездники откладывают свои яйца (из них выходят личинки, по-
жирающие тлю), подселили к себе в организм интересную бактерию, ко-
торая благодаря привнесённому вирусному гену вырабатывает токсин.
Этот токсин практически безобиден для самих тлей, но препятствует раз-
витию личинок наездников в их организме.
В настоящее время доказано, что есть гены, которые перемещаются
между очень далёкими друг от друга организмами (археями, бактериями
и эукариотами). Например, морской моллюск с красивым названием «эли-
зия» питается водорослями, но не переваривает их хлоропласты, а нака-
Рис. 2-16. Бактериофаги — генетические челноки
51
пливает эти пластиды в клетках своего организма. Съеденные хлоропла-
сты продолжают прекрасно работать и фотосинтезировать в теле слизня,
хотя для их работы необходимы гены, располагающиеся в ядре водоросли
(90 % всех генов, участвующих в фотосинтезе, располагаются именно там).
В процессе эволюции (занявшем не один миллион лет) эти гены с помо-
щью вирусов мигрировали в геном слизня, который до сих пор служит яр-
ким примером горизонтального переноса генов между разными царствами
живых организмов.
.......> Задача «ПРАВИЛО ЧАРГАФФА ДЛЯ ВИРУСОВ»
Правило Чаргаффа гласит, что в двухцепочечной ДНК количество азотистых ос-
нований гуанина равно количеству цитозина, а количество аденина равно количе-
ству тимина. Геном ДНК-содержащего бактериофага фХ174 (читается «фи десять
сто семьдесят четыре») содержит азотистые основания в следующем соотноше-
нии: 24% А, 31 % Т, 22 % Ц и 23% Г. Почему в случае этого вируса наблюдает-
ся отличие от правила Чаргаффа? <
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Вирусы не имеют своих инструментов для произ-
водства белков и пользуются инструментами клетки для своего раз-
множения. Некоторые вирусы умеют встраивать свои гены в хромо-
сомы клетки и таким образом осуществлять горизонтальный перенос
генов. Есть и полезные вирусы, которые помогают нам бороться с бак-
териальными заболеваниями.
Согласно одной из гипотез вирусы произошли от клеточных структур. Какие
части (прокариотической и эукариотической) клетки могли превратиться в ви-
русы?
Практикум 4
Работа 2-1. ВЫРАЩИВАНИЕ КУЛЬТУРЫ БАКТЕРИЙ
И МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Клетки бактерий можно увидеть только под микроскопом (обычно достаточно
увеличения 10 х — окуляр, 40 х — объектив, но лучше, если объектив будет
100 х — с масляной иммерсией). Проще всего вырастить культуру бактерии сен-
ной палочки {Bacillus subtilis), которая живёт практически везде — на траве,
52
в почве, в пыли. Хотя она не вызывает заболеваний человека и животных, но не-
редко служит причиной порчи пищевых продуктов.
Реактивы и оборудование: нагревательный элемент, посуда для кипячения, пло-
скодонная колба, предметные и покровные стёкла, зубочистки, вода, мел, трава,
йогурт или другая кисломолочная продукция, метиленовый синий.
I Задание 1
1. Измельчите 25 г травы, поместите получившуюся массу в кастрюлю (или
в колбу), добавив 200 мл водопроводной воды. Потом добавьте щепотку ме-
ла и прокипятите раствор в течение 30 мин. При длительном кипячении поги-
бают практически все микроорганизмы, но у сенной палочки есть специаль-
ные приспособления для переживания неблагоприятных условий — споры,
которые выдерживают кипячение в течение 2 ч.
2. Полученный отвар травы (цвета чая) перелейте в стеклянную ёмкость (колбу)
так, чтобы получился слой толщиной менее 1 см, закройте бумагой и помести-
те в тёплое место (с температурой 25—30 °C).
3. Через 2—3 суток отвар помутнеет, а затем покроется беловатой плёнкой, со-
стоящей из бактерий (споры превращаются в бактерии, которые размножа-
ются).
4. Перенесите кусочек плёнки с жидкостью на предметное стекло. Для визуа-
лизации добавьте каплю метиленового синего и накройте покровным стек-
лом.
5. Молодые сенные палочки могут иметь жгутики и достаточно активно переме-
щаются, при делении они образуют неподвижные цепочки клеток, а внутри
некоторых клеток можно увидеть споры.
Задание 2
Для наблюдения за молочнокислыми бактериями можно использовать образцы
йогурта, сметаны и простокваши. На предметное стекло поместите каплю воды,
зубочисткой перенесите в неё каплю молочнокислого продукта и перемешайте.
Потом добавьте каплю слабого раствора метиленового синего, накройте препа-
рат покровным стеклом и изучите его под микроскопом.
Зарисуйте бактерии, которые вы наблюдали в микроскоп, сделайте вывод об их
подвижности, однородности, форме и о наличии спор.
Работа 2-2. ЭЛЕКТРОФОРЕЗ
Для фракционирования и визуализации ДНК в лаборатории применяют метод
гель-электрофореза. Для разделения фрагментов ДНК, различающихся по длине
(их длину измеряют в тысячах пар нуклеотидов, т. п. н.), используют неподвиж-
ную матрицу — гель, который похож по консистенции на мармелад или желе.
Гель имеет пористую структуру и представляет собой «молекулярное сито».
Смесь ДНК разной длины вносят в гель и включают электрический ток. Под
действием электрического поля отрицательно заряженная ДНК отталкивается
53
Рис. 2-17. Гель-электрофорезный метод разделения ДНК (жёлтые молекулы —
самые длинные, зелёные — молекулы средней длины, фиолетовые — самые короткие)
от отрицательного электрода (катода) и движется к положительному электроду
(аноду). Сила трения, которая возникает в геле, приводит к тому, что длинные
молекулы ДНК «застревают» в порах геля, а короткие движутся быстрее. Таким
образом, наличие геля позволяет разделять молекулы ДНК не только по обще-
му электрическому заряду, но и по длине (молекулярной массе, форме), по-
скольку масса вносит больший вклад в подвижность молекулы, чем заряд
(рис. 2-17).
Для проведения гель-электрофореза крупных молекул используют агарозный
гель. Агароза представляет собой полисахарид, похожий на крахмал (из крах-
мала нельзя сделать гель для разделения ДНК, а использовать агар из кулинар-
ного магазина для изготовления геля можно), который получают из красных во-
дорослей и используют в пищевой промышленности для изготовления марме-
лада.
Реактивы и оборудование: агароза, электрофоретический буфер, ДНК-маркеры,
образцы ДНК или набор пищевых красителей, краска для нанесения, камера для
электрофореза, камера для заливки геля.
и Задание 1
1. Приготовьте 1—2%-й раствор агарозы, прокипятите его до полного растворе-
ния полисахарида (нужно, чтобы раствор был равномерно прозрачным, без
комочков). Для проведения электрофореза в раствор следует добавить элек-
тролиты1. Вода без электролитов не проводит электрический ток, а агароза —
плохой электролит. В качестве раствора для электрофореза можно использо-
вать фосфатный буфер. 1
1 Электролиты — это вещества, растворы или расплавы которых проводят элек-
трический ток. Например, поваренная соль — электролит.
54
Гребёнки
Агарозный
Лунки
Рис. 2-18. Подготовка и проведение электрофореза в агарозном геле
2. Раствор агарозы остудите до 50 °C и залейте в специальные формочки для
Рис. 2-19. Электрофоре-
грамма ДНК-маркеров
в агарозном геле
геля.
В форму для заливки геля вертикально вставляют гребёнки, образующие в геле
лунки, в которые в дальнейшем вносят образец {рис. 2-18).
3. После того как гель затвердеет, аккуратно извлеките гребёнку, переложите
гель в камеру с электрофоретическим буфером (содержит электролиты), вне-
сите в лунки образцы ДНК и включите напря-
жение.
Для визуализации ДНК в геле в образцы до-
бавляют специальные красители: одни связыва-
ются с ДНК и проявляются при освещении уль-
трафиолетом или синим светом, другие видны
невооружённым глазом и позволяют контроли-
ровать миграцию образца в геле.
4. Зарисуйте картину электрофореза, которую
вы увидели. Пометьте на рисунке лунки в ге-
ле и направление тока. Сделайте выводы
о подвижности и длине ДНК, которую вы до-
бавляли в гель.
Для примера на рисунке 2-19 приведены
ДНК-маркеры в агарозном геле. ДНК-маркер
содержит фрагменты ДНК известной длины. По
их подвижности можно определить приблизи-
тельный размер молекул ДНК.
55
Рис. 2-20. Электрофореграмма
образцов ДНК в агарозном геле
Рис. 2-21. Разделение
красителей методом
гель-электрофореза
I Задание 2
Определите длину плазмидной ДНК на рисун-
ке 2-20 (слева — маркер молекулярной массы
ДНК, в трёх следующих дорожках — разные
плазмиды).
и Задание 3
Электрофоретическое разделение можно прове-
сти не только с ДНК, но и с пищевыми красите-
лями.
1. Пищевые красители растворите в воде (в кон-
центрации в 3—5 раз выше, чем указано на
упаковке).
2. К раствору добавьте четверть объёма гли-
церина, тщательно перемешайте и налейте
в карман геля.
Обратите внимание. Разные красители могут
мигрировать к разным полюсам (рис. 2-21), т. е.
смесь красителей при электрофорезе разделя-
ется на составляющие. Таким образом можно
изучать красители в различных пищевых продук-
тах (например, мармеладных конфетах).
3. Зарисуйте картину электрофореза, которую вы
увидели. Пометьте на рисунке карманы геля
и направление тока. Сделайте выводы о по-
движности красителей, предположите, какой
они имеют заряд и относительный размер.
Что читать»
1. Циммер Карл. «Микрокосм. Е. coli и новая наука о жизни». Целая книга
о маленькой бактерии, которая прямо сейчас находится в кишечнике каждо-
го из нас. Благодаря этой книге, вы не только сможете узнать историю откры-
тия Е. coli, понять, почему она стала одним из излюбленных объектов генети-
ков, но и осознать, как много между нами общего. Удивительные истории из
жизни не менее удивительной бактерии.
2. Де Крайф Поль. «Охотники за микробами». Книга появилась в 1926 г. и мно-
гократно переиздавалась в разных странах. Эта увлекательная книга расска-
зывает о смелых и благородных врачах, об упорных исследователях, искате-
лях истины и мечтателях, в разное время и в разных странах вышедших на
бой с лютыми врагами человека — болезнетворными микробами.
3. Шах Соня. «Пандемия. Всемирная история смертельных инфекций». В са-
мый разгар пандемии C0VID-19 эта книга, в прямом смысле слова, на злобу
дня. Надеемся, что в ваших руках она окажется, когда все карантины и огра-
56
ничения останутся позади и все мы вернёмся к привычной жизни. Однако эта
книга, как нам кажется, будет актуальна и поучительна долгое время. Вы уз-
наете, как могут появляться новые возбудители смертельных заболеваний на
примере удивительной истории превращения безобидной бактерии, размно-
жающейся в ракообразных, в жестокого убийцу. Кроме того, перед вами от-
кроется увлекательная, а местами даже страшная детективная история о по-
исках и идентификации этого преступника. Также вы узнаете, что зачастую
эффективные средства в борьбе с многими инфекционными заболевания-
ми — это не суперлекарства, изобретённые учёными, а то, что есть у каждого
из нас прямо сейчас в доме или квартире. Это и многое другое вы узнаете
благодаря на первый взгляд мрачной, но на самом деле очень жизне-
утверждающей книге!
4. Куаммен Дэвид. «Зараза. Как инфекции, передающиеся от животных, мо-
гут привести к смертельной глобальной эпидемии». Ещё одна ужасающая
и вдохновляющая книга о поиске и борьбе со смертельно опасными инфек-
циями, пересекающими межвидовые барьеры. Особое внимание в книге уде-
лено именно тем вирусам и бактериям, для которых естественным природным
резервуаром служат животные. В увлекательной и захватывающей форме
автор познакомит вас не только с отважными исследователями, но и с инте-
ресными фактами, раскрывающими эволюцию патогенов. Накрывшая плане-
ту пандемия наглядно продемонстрировала, насколько важны знания о бо-
лезнях животных.
57
Модуль 3
МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ГЕНЕТИКИ
Вы уже знаете, что геномы устроены очень сложно. Для того чтобы рас-
шифровать принципы работы генома, без специальных методов работы с ДНК
не обойтись. В этом модуле мы разберём ключевые для генетики методы.
Про полимеразную цепную реакцию
(ПЦР) и секвенирование ДНК вам рас-
скажет Анастасия Юнусова, кандидат
биологических наук, научный сотрудник
лаборатории генетики развития Институ-
та цитологии и генетики СО РАН.
А НАСГАсИД
ЮНУСОВА
НАРИМАН
БАТТУЛИН
Про методы генной инженерии, геномного
редактирования и создания трансгенных жи-
вотных расскажет уже известный вам Нари-
ман Баттулин.
Глава 8
РАЗМНОЖЕНИЕ ДНК
В ПРОБИРКЕ: ПОЛИМЕРАЗНАЯ
ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Наверняка вы видели много сериалов и фильмов, в которых исследо-
ватель берёт клочок ткани со следами крови и помещает его в некий супер-
прибор. Этот прибор делает всё и сразу: выделяет ДНК, нарабатывает её
в большом количестве, определяет нуклеотидный состав и уже через ми-
нуту показывает, что это вовсе и не кровь, а, например, малиновое варенье.
58
В действительности всё не так. К сожалению, таких суперприборов
пока ещё не существует, и для того чтобы «заглянуть» в ДНК, придётся
потратить гораздо больше времени и освоить ещё несколько методов.
С методикой выделения ДНК вы уже познакомились в предыдущем моду-
ле. Здесь мы рассмотрим, как можно увеличить количество интересую-
щих исследователя фрагментов ДНК с помощью метода ПЦР. А также то,
как можно узнать нуклеотидную последовательность ДНК с помощью ме-
тодов секвенирования.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) позволяет получить миллиарды
копий нужного фрагмента ДНК из исходного образца, даже если содержание
этого фрагмента в нём крайне мало. ПЦР использует те же принципы, что и
клетка при репликации ДНК. Как вы помните, перед делением клетки её гене-
тический материал удваивается: каждая молекула ДНК копируется. Фермент,
который осуществляет это копирование, называют ДНК-полимеразой. Этот
фермент довольно капризен и работает только при следующих условиях:
1) молекула ДНК, по которой ДНК-полимераза будет синтезировать новую
цепь, должна быть одноцепочечной;
2) с этой одноцепочечной молекулой должны быть связаны (по принципу
комплементарности) короткие фрагменты — затравки.
Всё потому, что ДНК-полимераза не может синтезировать ДНК с нуля, она
может только удлинять уже имеющийся двухцепочечный фрагмент за счёт
L присоединения нуклеотидов.
В живой клетке в процессе репликации участвует множество бел-
ков — одни расплетают ДНК, другие поддерживают её в одноцепочечном
состоянии, третьи синтезируют затравки. В ПЦР всё гораздо проще, в ней
используется только один фермент — ДНК-полимераза. Проблема распле-
тания двойной спирали ДНК решается за счёт нагревания до 95 °C. А в ка-
честве затравок используют одноцепочечные синтетические фрагменты
ДНК длиной в 15—30 нуклеотидов (праймеры). Эти праймеры комплемен-
тарны определённому фрагменту ДНК и при понижении температуры свя-
зываются с ним. Помимо функции затравки, праймеры выполняют ещё од-
ну важную функцию: они ограничивают начало и конец фрагмента, кото-
рый мы хотим наработать. Прелесть ПЦР в том, что мы можем провести
много циклов расплетания матрицы ДНК и синтеза второй цепи ДНК. При
этом каждая новосинтезированная цепочка ДНК также становится матри-
цей для синтеза в следующем цикле (рис. 3-1).
Как вы догадались, количество молекул ДНК с нужным нам фраг-
ментом будет расти пропорционально 2”, где п — число циклов ПЦР. Это
значит, что одна молекула ДНК через 30 циклов образует около миллиар-
да нужных нам фрагментов!
59
(Образец ДНК / цепей ДНК праймеров цепей ДНК
\ X 95 °C 58-60 °C 72 °C
Нуклеотиды
полимераза
Праймеры
Разделение Связывание Синтез новых
lllllhll1
Jllllllll
Рис. 3-1. Схема типичной ПЦР (направление стрелок указывает на направление
синтеза новой цепи ДНК)
Заметьте, что при репликации в клетке копируются все молекулы
ДНК, а в пробирке при ПЦР нарабатывается только фрагмент, ограничен-
ный последовательностями, которые комплементарны праймерам. Это
значит, что именно праймеры задают специфичность реакции.
•> Ролевая игра «ПЦР»
Давайте представим, что класс — это пробирка, в которой проходит ПЦР. Каж-
дый ученик — это ДНК-полимераза, которая синтезирует новые цепи ДНК. Необ-
ходимо приготовить несколько длинных чистых полосок бумаги (можно восполь-
зоваться «вкусными» моделями ДНК из модуля 1, но для этого понадобится
очень много маршмеллоу). На двух таких бумажках нужно написать нуклеотид-
ную последовательность, которую необходимо размножить, и последователь-
ность, комплементарную ей, и скрепить их бумажным скотчем. Также понадобят-
ся короткие полоски бумаги — праймеры (см. работу 3-1 «Конструирование прай-
меров» на с. 86).
Первый шаг — разделение цепей ДНК. Цепи ДНК расплетаются.
Второй шаг — связывание праймеров: ученики находят на столе нужный праймер
и прикрепляют его скотчем к своей цепочке ДНК.
60
Третий шаг — синтез новой цепочки: ученики прикрепляют скотчем чистую
бумажную полоску и рисуют на ней комплементарную последовательность.
Дальше наступает второй цикл. Разделение цепей ДНК: разрежьте только что
синтезированную ДНК, одну цепочку оставьте себе, а другую передайте соседям
(случайным образом) и т. д. Синтезируют новые цепочки все, у кого есть в руках
хотя бы одна цепь ДНК.
После того как все ребята в классе закончили синтез, нужно подсчитать, сколь-
ко циклов прошло и сколько молекул ДНК было синтезировано. Постройте на
доске график, обсудите, как он изменится, если синтез новых цепей будет про-
должен. <
Для проведения полимеразной цепной реакции необходим специаль-
ный прибор, который будет нагревать и охлаждать реакционную смесь
в пробирках много циклов подряд. В лабораториях для этой цели исполь-
зуют термоциклер, или амплификатор. Анализ ПЦР-продуктов проводят
с помощью электрофореза в агарозном геле.
Задача «КАК ЧАСТО ФЕРМЕНТ ОШИБАЕТСЯ?»
ДНК-полимераза не всегда точно синтезирует новые цепочки, иногда она делает
ошибки (так возникают некоторые мутации). Вычислите, какая часть молекул
ДНК будет содержать ошибки в нуклеотидной последовательности, если прово-
дится амплификация фрагмента ДНК длиной 100 п. н. (пар нуклеотидов), при
этом ДНК-полимераза делает одну ошибку на 1 млн нуклеотидов, а прибор за-
программирован на 35 циклов. Кстати, эта частота ошибок выше, чем мы обсуж-
дали в главе «Мутации», так как в клетке есть специальные ферменты, которые
исправляют часть ошибок, а в нашей пробирке их нет. <
Наверняка у вас возник вопрос: как же ДНК-полимераза выдержива-
ет все эти циклы нагревания-охлаждения и остаётся активной? Ведь боль-
шинство белков в таких условиях необратимо разрушается — вспомним,
например, сваренное вкрутую куриное яйцо. Дело в том, что в ПЦР ис-
пользуются термостабильные ДНК-полимеразы, выделенные из термо-
фильных бактерий и архей, о которых рассказывалось в главе 4. Эти ми-
кроорганизмы обитают в горячих источниках, гейзерах и вулканах, темпе-
ратура в которых доходит до 100 °C, а потому их ферменты устойчивы
к повышенным температурам (рис. 3-2). Вот какой подарок сделали эти
микроорганизмы молекулярным биологам!
ПЦР — незаменимый метод для любого молекулярного биолога — вы
убедитесь в этом, когда прочитаете главы о генной инженерии и получе-
нии трансгенных животных. Пока же мы поговорим о том, для чего ещё
используют ПЦР.
Обнаружение вирусов или бактерий в клинических образцах
(COVID-19, ВИЧ, гепатит, туберкулёзная палочка и др.). Для этого не-
61
Рис. 3-2. Источник получения термостабильной ДНК-полимеразы
обходимо подобрать праймеры, специфично связывающиеся с геномом
этих организмов, и провести ПЦР. Если в реакции будет образовывать-
ся ПЦР-продукт, значит, патоген в образце присутствует. Как правило,
исследователи проводят модифицированный вариант ПЦР, который по-
зволяет определить не только наличие инфекции, но и уровень зараже-
ния.
Диагностика мутаций. С помощью ПЦР получают фрагменты ДНК,
мутации в которых ответственны за наследственные заболевания или спо-
собствуют развитию рака. В качестве образца может выступать даже од-
на клетка. Например, при искусственном оплодотворении берут одну клет-
ку у восьмиклеточного эмбриона. Количество фрагментов ДНК, интересу-
ющих исследователя, в ней представлено лишь двумя копиями: одна от
матери, другая от отца. Это очень мало, но ПЦР позволяет получить мно-
жество копий интересующего нас фрагмента. Семьи, где один или оба пар-
тнёра являются носителями генетического заболевания (т. е. риск рожде-
ния больного ребёнка весьма высок), используют искусственное оплодо-
творение. Такая диагностика позволяет выбрать и использовать только
здоровые эмбрионы.
Идентификация личности. Зачастую на месте преступления остают-
ся следы ДНК преступника, по которым его можно определить. Фрагменты
ДНК нарабатывают в большом количестве с помощью ПЦР, затем кримина-
листы их анализируют, сравнивают с ДНК подозреваемого и базами дан-
ных. Также с помощью этой методики устанавливают отцовство и иную сте-
пень родства.
Получение ДНК из кусочков костей людей и животных, живших
сотни или десятки тысяч лет назад. ДНК за это время почти полностью
деградирует, её остаётся очень мало, и без ПЦР тут не обойтись.
Изучение пищевых цепей. Для понимания функционирования эко-
системы важно изучение пищевых цепей. А в некоторых случаях просле-
дить за пищевыми пристрастиями организмов очень трудно, но можно
с помощью ПЦР получить ДНК из содержимого их кишечников (или из
экскрементов) и изучить, что или кого они съели.
Охрана окружающей среды. Браконьеры на чёрном рынке часто
продают животных (или части их тел), охота на которых запрещена зако-
62
ном. С помощью ПЦР можно получить ДНК из товара и по ней опреде-
лить, принадлежит ли образец (бивень, рог, кость) охраняемому животно-
му. По ДНК также можно установить происхождение животного, а значит,
определить место, где действуют браконьеры. Например, именно с помо-
щью ПЦР было показано, что большинство костей слонов, проданных не-
легально за последние 20—30 лет, добыты всего в двух регионах Африки,
а значит, именно на них надо обратить пристальное внимание тем, кто за-
нимается охраной природы. Сейчас по всему миру появляется всё больше
лабораторий, специализирующихся на ДНК-диагностике в сфере охраны
окружающей среды.
Технологии ПЦР не стоят на месте, постоянно появляются всё новые
варианты этого метода. Среди них есть и такие, которые позволяют про-
вести ПЦР при одной температуре и всего за 20 мин. Это изотермические
методы. Термоциклер тут не нужен: можно воспользоваться любым нагре-
вательным элементом, который способен поддерживать температуру 60—
80 °C (даже стаканом с горячей водой). Электрофорез тоже не нужен —
достаточно посветить на пробирку ультрафиолетовым фонариком и уви-
деть, прошла ПЦР или нет. Такую ПЦР можно использовать в местах, где
нет лаборатории и дорогих приборов.
[ПОДВОДЯ ИТОГИ. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — один из
базовых методов молекулярной биологии, принцип которого заключа-
ется в многократном копировании определённого участка ДНК с помо-
щью термостабильной ДНК-полимеразы и синтетических праймеров.
1. Как вы думаете, можно ли с помощью ПЦР определить заражение неиз-
вестной ранее бактерией? Почему?
2. Придумайте примеры, где можно использовать изотермические реакции.
Кому они могут быть удобны?
Глава 9
РАСШИФРОВКА ДНК:
СЕКВЕНИРОВАНИЕ
Секвенирование — это определение нуклеотидной последователь-
ности ДНК (молекулярные биологи часто используют в качестве синонима
выражение «прочтение ДНК»). Один из первых методов секвенирования
ДНК был предложен Фредериком Сэнгером, отсюда и второе его назва-
ние — секвенирование по Сэнгеру.
Так же как и в ПЦР, здесь используется принцип синтеза компле-
ментарной цепочки ДНК с помощью ДНК-полимеразы и праймера. Разли-
63
чие заключается в том, что наряду со стандартными нуклеотидами в ре-
акцию секвенирования добавляют небольшое количество модифицирован-
ных нуклеотидов с флуоресцентной (т. е. испускающей свет) меткой.
Также у этих нуклеотидов на остатке сахара отсутствует З'-ОН-группа,
необходимая для формирования связи со следующим нуклеотидом (см.
главу 1). Называют такие нуклеотиды нуклеотидами-терминаторами.
Давайте подробнее рассмотрим, что происходит в пробирке при
секвенировании. Сначала под действием высокой температуры расплета-
ется двойная цепочка ДНК. Далее при понижении температуры праймер
связывается с комплементарной ему последовательностью. Пока что, как
вы видите, всё происходит так же, как и при проведении ПЦР.
Однако потом, когда ДНК-полимераза начинает синтез новой цепоч-
ки, как раз и начинаются различия. Дело в том, что если ДНК-полимера-
за присоединит модифицированный нуклеотид-терминатор, то синтез мо-
лекулы прервётся. В случае же присоединения обычного нуклеотида син-
тез продолжится, но только до тех пор, пока ДНК-полимераза не включит
в растущую цепь ДНК нуклеотид-терминатор.
Таким образом, после 40—50 циклов нагревания-охлаждения реак-
ционной смеси в нашей пробирке окажется набор кусочков ДНК разной
длины, и каждый из них будет заканчиваться модифицированным флуо-
ресцентным нуклеотидом (рис. 3-3).
Далее в дело вступает большой сложно устроенный прибор — авто-
матический капиллярный секвенатор. Синтезированные фрагменты ДНК
помещают в тончайший капилляр (тоньше человеческого волоса), запол-
ненный полимером, в котором фрагменты разделяются по размеру под
действием электрического поля. Капиллярный электрофорез обладает по-
разительной разрешающей способностью — в нём можно разделить фраг-
менты ДНК, разница в длине которых составляет всего 1 нуклеотид!
С электрофорезом в агарозном геле вы уже ознакомились в преды-
дущем модуле и, возможно, сами поучаствовали в проведении этого экс-
перимента. Вспомните, какая разрешающая способность у агарозных пло-
ских гелей. Какова должна быть минимальная разница в длине двух фраг-
ментов ДНК, чтобы на геле они выглядели как две полоски, а не сливались
в одну?
Когда фрагменты ДНК достигают положительно заряженного полю-
са капилляра, они оказываются на пути лазерного луча, который возбу-
ждает флуоресценцию нуклеотида-терминатора. Поскольку у каждого
типа нуклеотида (А, Ц, Т, Г) своя флуоресцентная метка, то испускаемое
ими свечение разное: условно говоря, А будет светиться зелёным светом,
Ц — синим, Т — красным, а Г — жёлтым. Специальный детектор фикси-
рует эту флуоресценцию, а программное обеспечение переводит сигналы
флуоресценции в цифровые данные. Результатом реакции секвенирова-
ния является секвенограмма — четырёхцветное графическое изображе-
ние, где каждому типу нуклеотида (А, Т, Г, Ц) соответствует пик опреде-
лённого цвета.
64
1 Реакция
секвенирования
Стандартные
нуклеотиды
Флуоресцентно-меченые
нуклеотиды-терминаторы
Образец ДНК
2 Капиллярный
гель-электрофорез
3 Детекция флуоресценции,
получение секвенограммы
Лазерный луч
Детектор Секвенограмма
Рис. 3-3. Секвенирование ДНК по Сэнгеру
65
* Наверное, в этом месте вы почувствовали, что вам понятно далеко не всёЛ
Если это так, то давайте разберём, как происходит процесс прочтения цепоч-
ки, на конкретном примере.
Перед началом реакции мы добавляем в пробирку с раствором праймер,
полимеразу и смесь нуклеотидов А, Т, Г и Ц (95 % нуклеотидов представлено
обычными нуклеотидами, а оставшиеся 5 % составляют нуклеотиды-термина-
торы). Затем добавляем ДНК, которую мы хотим прочитать. Пусть её последо-
вательность имеет следующий вид:
АГГТАЦТЦГАГГЦААТЦТТГЦГЦЦТА
(красным цветом обозначена последовательность, с которой связывается
праймер). Для простоты здесь представлена только одна цепь ДНК — та, что
будет служить матрицей для синтеза.
После связывания праймера с расплетённой ДНК ДНК-полимераза начина-
ет присоединять как обычные нуклеотиды, так и нуклеотиды-терминаторы.
Поскольку в реакции участвует множество молекул ДНК, то уже на пер-
вом цикле реакции мы получим следующие фрагменты: ТЦЦАТГАГЦТЦЦГТТ
(если нуклеотид-терминатор включился первым), ТЦЦАТГАГЦТЦЦГТТА (если
нуклеотид-терминатор включился вторым), ТЦЦАТГАГЦТЦЦГТТАГ (третьим),
ТЦЦАТГАГЦТЦЦГТТАГА (четвёртым), и так до ТЦЦАТГАГЦТЦЦГТТАГААЦГЦГГАТ
(нуклеотид-терминатор включился последним). Обратите внимание на то, что
сейчас мы имеем дело с новосинтезированной ДНК, поэтому последователь-
ность комплементарна нашему исходному фрагменту.
Как было сказано выше, нуклеотидов-терминаторов в нашей смеси гораздо
меньше, чем обычных нуклеотидов, поэтому ДНК-полимераза присоединяет их
реже. И поэтому тех молекул, что образовались в первом цикле секвенирова-
ния, для анализа будет недостаточно. Но вот после проведения 40—50 циклов
у нас в пробирке синтезировано уже огромное количество молекул разной
длины, заканчивающихся флуоресцентным нуклеотидом-терминатором. При
электрофорезе в капилляре эти фрагменты будут выглядеть как своеобразная
лесенка. Таким образом, флуоресцентные нуклеотиды в каждой позиции по-
следовательности, которую мы секвенируем, достигают лазера и детектора по-
очерёдно, начиная с первого нуклеотида после праймера (этот фрагмент са-
мый короткий). По мере прохождения смеси фрагментов через лазерный луч
определяется нуклеотидная последовательность всего фрагмента. J
Обратим ваше внимание, что в секвенировании, в отличие от ПЦР,
используется только один праймер. Это значит, что синтезируется, а по-
том читается только одна цепочка ДНК. Если же в реакцию будут добав-
лены два праймера, то прочитаются обе цепи ДНК. В таком случае на
секвенограмме мы увидим пересекающиеся пики, что сделает дальней-
ший анализ невозможным.
66
.......> Практическое задание «НАЙДИ МУТАЦИЮ »
На рисунке представлена секвенограмма участка ДНК, содержащего мутацию.
Определите, какой(ие) из пиков секвенограммы окрашен(ы) одновременно в не-
сколько цветов (это означает, что в смеси присутствует два типа молекул — «нор-
ма» и «мутация»). Какая нуклеотидная замена произошла? <
Секвенирование по Сэнгеру позволяет прочитать всего несколько со-
тен нуклеотидов. Но как быть, если мы хотим прочитать полный геном
организма? Ведь даже самые маленькие из них — фаги имеют геном, со-
стоящий из более чем пяти тысяч нуклеотидов. Для того чтобы справиться
с этой задачей, учёным пришлось резать длинные молекулы ДНК на фраг-
менты подходящего размера и затем каждый из них анализировать от-
дельно. При этом ДНК режется так, что фрагменты имеют общую часть
друг с другом, т. е. пересекаются. После секвенирования по этим пересече-
ниям специальные компьютерные программы определяют порядок распо-
ложения фрагментов и объединяют их в единую последовательность.
........> Ролевая игра «СБОРКА ГЕНОМА»
На разноцветных листах бумаги необходимо распечатать случайную нуклеотидную
последовательность (можно взять последовательность реальных генов, которые
изучали в предыдущих главах) так, чтобы на листе было 6 строчек нуклеотидов
(размер шрифта 48 пунктов, межстрочный интервал 1,5 — примерно 200 нуклео-
тидов). Ученики разбиваются на группы по 3—5 человек, каждая группа получает
набор из разноцветных листов с одной нуклеотидной последовательностью.
Каждый участник группы делает из листа своего цвета цепочку ДНК (разрезает
лист и склеивает его в одну строчку). Затем он случайным образом разрезает
свою последовательность на кусочки длиной 20—50 нуклеотидов. Таким обра-
зом, создаются библиотеки нуклеотидных последовательностей.
Дальше нужно собрать из кусочков одну последовательность. Группы объединяют-
ся и пытаются собрать полную молекулу ДНК. Чтобы усложнить задачу, можно по-
просить перед началом сборки удалить из каждого набора фрагментов одного
цвета по одному фрагменту (они иногда теряются и не попадают в библиотеку). <
67
Проект «Геном человека», запущенный в 1990 г., стал настоящим вы-
зовом для науки. За определение последовательности генома человека
(3 млрд нуклеотидов!) взялись тысячи учёных со всего мира. Каждому
коллективу достался определённый фрагмент ДНК. Сначала скорость
секвенирования была очень низкой. За несколько лет было прочитано око-
ло 0,001% всего генома. Нетрудно подсчитать, что для завершения начато-
го понадобилось бы более 100 лет!
Однако параллельно данному исследованию активно развивались но-
вые методы молекулярной биологии (в том числе ПЦР). Произошла авто-
матизация процесса секвенирования и появились новые компьютерные
алгоритмы сборки фрагментов ДНК. Всё это значительно ускорило работу.
В итоге прошло немногим более 10 лет, и весь геном человека был
прочитан полностью.
Вскоре появились технологии секвенирования нового поколения
(next generation sequencing, сокращённо NGS). Они позволили ещё больше
ускорить и удешевить секвенирование геномов: например, если в начале
XXI в. стоимость секвенирования полного генома человека составляла около
100 млн долларов, то сейчас, спустя 20 лет, это стоит порядка 1000 долларов.
В отличие от секвенирования по Сэнгеру, где определяется нуклеотидная
последовательность всего одного фрагмента, NGS позволяет прочитать мил-
лионы фрагментов одновременно. Процесс при этом полностью автоматизи-
рован. В один прибор можно загрузить и прочитать сразу несколько геномов.
После получения коротких фрагментов ДНК (от нескольких десятков
до нескольких сотен нуклеотидов) все они фиксируются на специальной
подложке. Затем ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды, при этом
происходит изменение определённого параметра (изменение pH, акти-
вация флуоресценции). Сенсоры секвенатора фиксируют эти изменения
Рис. 3-4. Метод секвенирования в нанопоре
68
и определяют, какой нуклеотид был присоединён. Таким образом, сигналы
переводятся в последовательность нуклеотидов. На одной подложке па-
раллельно читается огромное количество фрагментов ДНК. Сложные ком-
пьютерные алгоритмы по перекрывающимся фрагментам восстанавлива-
ют исходную последовательность нуклеотидов.
Не все методы секвенирования требуют громоздкого оборудования и слож-
ного программного обеспечения. Пример такого простого секвенирования —
метод секвенирования в нанопорах, т. е. маленьких белковых каналах.
Суть его состоит в следующем: длинная молекула ДНК под действием элек-
трического поля протягивается сквозь нанопору, закреплённую в мембране.
При этом каждый нуклеотид (А, Т, Г, Ц) по-своему меняет ток в нанопоре. По
этим изменениям восстанавливают последовательность ДНК, проходящей че-
рез пору (рис. 3-4).
Прибор, необходимый для этого процесса, весит около 100 г. Для работы
его надо подключить к ноутбуку или смартфону (вот вам и суперприбор из
фантастических фильмов!). В силу своей миниатюрности он чрезвычайно удо-
бен для проведения исследований в любых, даже труднодоступных, точках на-
шей планеты и даже на космической станции. Как вы знаете, масса груза, ко-
торый космонавт может взять с собой на космическую станцию, ограниченна,
а потому тяжёлому и громоздкому секвенатору там не место. А вот нанопоры
на МКС уже побывали.
Возможность секвенировать полные геномы быстро и дёшево револю-
ционным образом изменила науку. Проект gnomAD (The Genome Aggregation
Database) собрал в одном месте данные секвенирования более чем 100 тыс.
человек (это численность населения небольшого городка). Эта база весьма
важна для медицинских генетиков, которые пытаются понять, связано ли
изменение в ДНК с развитием болезни. Поскольку в базе gnomAD собрана
информация о геномах здоровых людей, вариации ДНК, которые в этой ба-
зе часто встречаются, как правило, безвредны, тогда как редкие или вообще
не описанные в базе варианты должны вызывать у врача подозрение.
........> Практическое задание «МУТАЦИИ, ПРИВОДЯЩИЕ
К РАЗВИТИЮ ОПУХОЛИ»
Давайте посмотрим, мутации какого гена становятся самой частой причиной раз-
вития рака лёгкого. Для этого зайдите в базу данных https://portal.gdc.cancer.
gov/exploration и в меню слева выберите «bronchus and lung». В центральном ок- £
не вы увидите список самых частых мутаций. Какой ген встречается в этом списке f
чаще всего? Нажав на название гена, вы сможете прочитать его краткое описание. I
69
За проектом «Геном человека» последовали многие другие: были
прочитаны геномы множества модельных животных и растений (муш-
ки-дрозофилы, домовой мыши, рыбки данио-рерио, риса, пшеницы и мно-
гих других). Было также обнаружено множество новых бактерий и виру-
сов. Учёные поняли, что расшифрованный геном может многое рассказать
об эволюции организмов: о том, что происходило с ними в далёком про-
шлом, где и как они жили, с какими паразитами боролись и с кем скрещи-
вались, мигрируя по нашей планете.
СЕКВЕНИРОВАНИЕ
I
I Ген фермента, |
разрушающего
Улучшенный
I ген фермента, |
У разрушающего
/ пластик
Рис. 3-5. Получение фермента,
разрушающего пластик
Однако наибольший интерес до сих
пор вызывает всё же геном человека. Про-
ект «1000 геномов» уже давно выполнен,
прочитаны геномы мумий (в том числе Ту-
танхамона) и древних людей, неандер-
тальцев и денисовцев. Запущен проект по
секвенированию 100 тыс. геномов пациен-
тов с раком и редкими генетическими забо-
леваниями.
База dbSNP (https://www.ncbi.nlm.
nih.gov/snp/) объединила данные gnomAD
и ещё нескольких подобных проектов по-
меньше, предоставив удобный онлайн-до-
ступ для пользователей, не владеющих на-
выками биоинформатики. В другую базу
данных — OMIM (https://www.omim.org/)
заносят все гены, нарушения деятельности
которых вызывают наследственные болез-
ни человека. Найдя мутацию в каком-ни-
будь гене у пациента, врач-генетик в пер-
вую очередь открывает эту базу. Там он
может прочитать описание истории болез-
ни других пациентов с мутациями в том же
гене. Геном человека состоит из десятков
тысяч генов, и за всю историю человече-
ства может не набраться и дюжины случа-
ев, интересующих врача. Если бы не базы
данных, врачи, столкнувшиеся с мутацией
в одном и том же гене, никогда не смогли бы
узнать о работе друг друга и поделиться
опытом.
Сегодня сложно представить совре-
менное генетическое исследование без NGS.
С его помощью учёные также изучают са-
мые разные процессы: какие гены работают
в разных тканях и органах, какие мутации
приводят к развитию заболеваний, и даже
то, как уложена молекула ДНК в ядре.
70
> Задача «ПРИКЛЮЧЕНИЯ СВАЛКИ*
Не так давно на свалке пластикового мусора в Японии были найдены бактерии,
использующие пластик как источник питания, т. е. перерабатывающие его. Учё-
ные прочитали геном этих бактерий и нашли ген, кодирующий фермент, который
разрушает пластик. В дальнейшем исследователи планируют изменить этот ген,
чтобы сделать фермент более эффективным и использовать его для утилизации
пластиковых отходов в больших масштабах (рис. 3-5).
Существовал ли ген, кодирующий фермент, разрушающий пластик, до того, как
на этом месте появилась свалка? В каких других местах исследователи могут най-
ти таких бактерий? И да, этой свалке 60 лет. <
.......> Задача «О ЧЁМ МОЖЕТ СКАЗАТЬ НУКЛЕОТИДНАЯ ЗАМЕНА»
В процессе секвенирования генома пациента была обнаружена необычная нукле-
отидная последовательность. Давайте попробуем определить, какое заболевание
грозит этому человеку.
Норма: АЦЦТТГГЦТГТАЦЦЦЦЦТГГГГААГАГЦАГАГАТАТАЦГТГЦЦАГГТГГАГЦАЦ-
ЦЦАГГЦЦТГГАТЦАГЦЦЦЦТЦАТТГТГАТЦТГГГГТАТГТГ
Пациент:
АЦЦТТГГЦТГТАЦЦЦЦЦТГГГГААГАГЦАГАГАТАТАЦГТАЦЦАГГТГГАГЦАЦЦЦАГ-
ГЦЦТГГАТЦАГЦЦЦЦТЦАТТГТГАТЦТГГГГТАТГТГ
Используя таблицу генетического кода на с. 16, найдите аминокислотную заме-
ну. Попробуйте найти в базе данных BLAST ген, частью которого является данная
последовательность (не забудьте перевести обозначения нуклеотидов на англий-
ский язык). Затем в базе данных OMIM (https://www.omim.org/) введите назва-
ние этого гена и, перейдя по первой же ссылке, найдите описание данной мутации
(в разделе «Allelic variants») и выясните, к каким заболеваниям она приводит. <
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Метод секвенирования по Сэнгеру позволяет рас-
шифровать фрагмент ДНК длиной несколько сотен нуклеотидов. Он
широко применяется в биологических лабораториях, например при
создании генно-инженерных конструкций. Технологии секвенирования
нового поколения (NGS) позволяют определять нуклеотидную последо-
вательность множества коротких фрагментов ДНК одновременно и ис-
пользуются для расшифровки больших массивов ДНК, например пол-
ных геномов или транскриптомов.
Как вы уже знаете, на сегодняшний день прочитано множество геномов раз-
ных людей: и здоровых, и имеющих различные заболевания. Исследователи
проанализировали большой массив этих данных и определили, какие мутации
71
в геноме ответственны за те или иные заболевания; связали мутации с фи-
зиологическими особенностями людей и даже с их предпочтениями в еде,
спорте, успеваемостью в учёбе и пр. Предположим, что в будущем каждый че-
ловек, достигший определённого возраста, должен будет прочитать свой ге-
ном в обязательном порядке и предъявить его, например, при устройстве на
работу, при распределении в профильные классы в школе или при оформле-
нии ипотеки. Подумайте, какие плюсы и минусы это несёт. Порассуждайте
о том, в каких случаях знание о геноме полезно и необходимо, а когда это яв-
ляется вмешательством в частную жизнь (на эту тему можно написать эссе).
Глава 10
КРОЙКА И ШИТЬЁ ДНК:
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Для биологов очень важно уметь работать с ДНК — выделять из
огромного генома отдельные гены, соединять различные элементы гено-
ма вместе и т. п. Разработкой методик манипуляции с ДНК занимается
генная инженерия. Автор этих строк считает генную инженерию самой
интересной областью генетики, потому что благодаря ей у нас появляют-
ся практически неограниченные возможности создания новых организмов
с уникальными свойствами. В этой главе мы разберём методы, позволяю-
щие создавать искусственные гены. Кстати, организм, получившй искус-
ственный ген, будет называться трансгенным.
Работа генного инженера начинается с проектирования новой моле-
кулы ДНК на компьютере: он решает, какой фрагмент текста будет выре-
зан из генома и куда его затем нужно будет вставлять. Попробую объяс-
нить, как это делается, на следующем примере: допустим, у вас в лабо-
ратории есть бактерии (штамм А), которые очень плохо пахнут, потому
что выделяют масляную кислоту (запах протухшей тряпки). Вы знаете,
что у другой бактерйи (штамм Б) есть ген, кодирующий фермент, который
может превратить дурно пахнущую масляную кислоту в другое веще-
ство — с ароматом ананасов. Давайте для удобства назовём этот фермент
«благоухаза». Конечно же, вы захотите, чтобы ваши бактерии пахли ана-
насами. Для этого вам нужно перенести ген благоухазы в ваши бактерии.
Тут нужно вспомнить, что у многих бактерий, помимо главного боль-
шого кольцевого генома, бывают ещё маленькие кольцевые молекулы
ДНК, содержащие всего несколько генов. Эти кольцевые молекулы назы-
вают плазмидами, и бактерии могут ими обмениваться. Для генных инже-
неров плазмиды очень важны, так как обычно именно в них происходит
сборка новой молекулы ДНК. То есть плазмида для генного инженера —:
это маленький файл, в который можно вставлять фрагменты ДНК из дру-
гих геномов.
Итак, нам нужно сперва достать ген благоухазы из бактерии штам-
ма Б. Для этого можно применить ПЦР (как это делать, вы уже знаете из
главы 8). Затем необходимо поместить этот ген в плазмиду для штамма А.
72
Для этого нужно разрезать плазмиду и вшить в неё фрагмент ДНК с ге-
ном благухазы. И тут нам понадобятся специальные генно-инженерные
инструменты: ферменты, умеющие разрезать ДНК, которые называют
рестриктазами. Рестриктазы бактерий замечательны тем, что умеют уз-
навать в ДНК небольшие (4—8 нуклеотидов) фрагменты и разрезать мо-
лекулу именно в этом месте.
Однако зачем бактериям рестриктазы? Дело в том, что бактерии, так
же как и мы, страдают от вирусных атак. Вот только у нас с вами есть
сложная иммунная система, которая защищает нас от вирусов, а однокле-
точным бактериям приходится бороться с фагами совсем другими спосо-
бами. Рестриктазы — это одно из антивирусных средств защиты бакте-
рий: они могут разрезать и таким образом уничтожать ДНК, проникшую
в клетку незаконно.
Генному инженеру необходимо хорошо изучить последовательности и вы-
брать такие рестриктазы, которые будут вносить разрывы в нужных местах
молекулы ДНК. Например, выберем фермент ВатШ, который разрезает
плазмиду в одном месте, а также вырезает ген благоухазы по краям нашего
ПЦР-фрагмента. Теперь если смешать раствор плазмиды с раствором
ПЦР-фрагмента, то произойдёт интересное событие. Рестриктаза разрежет
двухцепочечную молекулу ДНК так, что на конце останутся четыре нуклеоти-
да одной из цепей. Такие концы генные инженеры называют липкими, пото-
му что ДНК не любит быть одноцепочечной и стремится объединиться с дру-
гой цепью по принципу комплементарности. На рисунке 3-6 показано, что
липкие концы, образовавшиеся после разрезания молекулы ДНК ферментом
ВатШ, могут слипнуться друг с другом.
После такого объединения остаётся только сшить фрагменты вместе
прочными химическими связями. Для этого у генных инженеров есть дру-
гой инструмент — фермент ДНК-лигаза. Она добавляет недостающие хи-
мические связи, и в результате получается новая кольцевая молекула
ДНК — такая, какую мы изначально запланировали. Теперь когда мы пе-
ренесём новую молекулу ДНК из пробирки в клетки наших бактерий, они
начнут вырабатывать новый для себя фермент и в нашей лаборатории бу-
дет пахнуть ананасами.
Давайте попробуем составить схему типичного эксперимента по ген-
ной инженерии. В предыдущем случае ген бактерии переносили в другую
бактерию. Но можно и усложнить задачу — поместить в бактерию искус-
ственный ген, который обеспечивает выработку человеческого белка (на-
пример, гормона роста). Для этого нужно выбрать несколько фрагментов
молекулы ДНК и соединить их в правильном порядке. Нам понадобится
кодирующая часть гена гормона роста человека. Так как бактерии и люди
когда-то давно произошли от общего предка, то у нас сохранился прак-
тически одинаковый генетический код. Поэтому бактерии смогут понять
73
Рис. 3-6. Этапы введения нужного гена в бактерию
инструкцию по синтезу белка, закодированную в кодонах человеческого
гена. Однако в деталях работа генов бактерий и человека различается,
а раз мы создаём трансгенную бактерию, то искусственный ген должен
быть по своей организации похожим на бактериальный.
Например, известно, что гены бактерий не разделены на экзоны
и интроны. Значит, для нашего искусственного гена придётся из человече-
ского гена гормона роста убрать все интроны. Из файла с геномом челове-
74
ка нужно выбрать последовательность только кодирующей части гена
гормона роста, скопировать её и вставить в файл с нашим искусственным
геном.
Затем нужно сделать так, чтобы бактерия смогла транскрибировать
кодирующую часть гена. Для этого перед кодирующей частью нужно по-
ставить промотор, с которого транскрипция начнётся, а после кодирую-
щей части — терминатор, на котором транскрипция закончится. Всё это —
минимальный набор компонентов, которые нужно соединить в правильном
порядке (промотор — кодирующая часть — терминатор), чтобы получил-
ся работающий искусственный ген.
Следует помнить главное правило генной инженерии: если кодирующую
часть для искусственного гена мы можем брать у любого организма, то части,
регулирующие транскрипцию (промотор и терминатор), нужно брать у того ор-
ганизма, в котором искусственный ген будет работать. Руководствуясь этим пра-
вилом, для сборки искусственного гена используют промотор и терминатор от
какого-нибудь гена кишечной палочки, про который известно, что он работает
очень активно, ведь перед экспериментатором стоит задача получить много мо-
лекул гормона роста человека (рис. 3-7).
Далее файл отправляют в одну из коммерческих фирм, которая за-
нимается синтезом ДНК. В этих фирмах есть специальные приборы —
ДНК-синтезаторы. Подобно тому как ЗВ-принтер слой за слоем печатает
изделие, так и ДНК-синтезатор, используя последовательность из нашего
файла, постепенно соединяя нуклеотид с нуклеотидом, создаёт последова-
тельность искусственного гена. Правда, пока синтезаторы не могут синте-
зировать очень длинные последовательности ДНК, поэтому обычно искус-
ственный ген разбивают на несколько фрагментов, которые синтезируют
в разных пробирках, а затем собирают из этих фрагментов полную после-
довательность.
ИСКУССТВЕННЫЙ ГЕН
ГОРМОНА РОСТА
Рис. 3-7. Схема искусственного гена гормона роста
75
> Ролевая игра «ГЕННЫЙ ИНЖЕНЕР»
Давайте попробуем почувствовать себя генными инженерами. Для этого нужно
раздать участникам карточки. Одна треть участников получают карточки с назва-
ниями генов, по краям которых указано, какими рестриктазами их можно выре-
зать из генома.
Другая треть участников получают карточки с названиями плазмид с указанием
рестриктаз, которые могут разрезать эту плазмиду.
Последняя треть участников становятся рестриктазами — они получают карточки
с названиями рестриктаз. Участники-гены должны найти сайт (специальный уча-
сток, по которому фермент узнаёт то место, где нужно резать ДНК) рестриктазы
и найти плазмиду, в которой есть такой же сайт. Дальше пара «ген—плазмида»
должна найти нужные ферменты и подойти такой троицей к учителю. Учитель яв-
ляется лигазой, и только он может сшить ген и плазмиду.
Можно усложнить задачу, указав не название рестриктазы, а последовательность
нуклеотидов для конкретной рестриктазы. <
ПОДВОДЯ итоги. Генный инженер начинает свою работу с тщатель-
ного анализа геномов, планирует, какие фрагменты ДНК нужно выре-
зать и куда их необходимо вставить. После создания новой молекулы
ДНК виртуально в компьютерной программе процесс создания новой
молекулы ДНК начинается реально — в пробирке. Исходные молекулы
ДНК разрезаются с помощью ферментов — рестриктаз. Необходимые
фрагменты объединяются за счёт принципа комплементарности лип-
ких концов и сшиваются ДНК-лигазой.
Подумайте, о чём свидетельствует тот факт, что мы можем использовать коди-
рующую часть гена от одного организма для производства белка в другом орга-
низме. Почему это же не происходит с регуляторными последовательностями?
Глава 11
КОНСТРУИРОВАНИЕ
ОРГАНИЗМОВ: ТРАНСГЕННЫЕ
ЖИВОТНЫЕ
Автор этих строк очень любит генную инженерию прежде всего за
то, что она позволяет реализовывать разные интересные задумки. Напри-
мер, можно создать трансгенную козу, которая будет давать молоко с че-
ловеческим белком. Почему именно молоко? Потому что молоко — это
идеальный продукт для выделения белков, а козы производят много моло-
ка. Кроме того, добывать молоко из животных легко и не травматично для
самих животных.
76
Например, в организме млекопитающих имеется гранулоцитарно-
макрофагальный колониестимулирующий фактор (ГМ-КСФ) — очень важ-
ный белок, помогающий восстанавливать кроветворение, если оно постра-
дало от лечения других болезней (облучения, химиотерапии и т. п.). Пред-
ставим себе, что мы собрались производить ГМ-КСФ человека в молоке
трансгенных коз.
Первым делом мы создадим искусственный ген (на сленге генных ин-
женеров, «сварим конструкцию»), который запускает транскрипцию ко-
дирующей части ГМ-КСФ человека в молочной железе козы. Основная
сложность, возникающая в процессе сборки, — правильно выбрать промо-
тор. Его нужно выбирать из промоторов генов козы или её ближайших
родственников, например промоторы генов коровы тоже подойдут. Однако
на промоторы каких генов нам нужно обратить внимание? Тех, что акти-
вируются только в молочной железе и не работают в других органах.
А среди них имеются такие, которые работают весьма интенсивно: напри-
мер, казеины (белки молока) могут составлять до 3% массы молока (это
очень много). Поэтому нам следует взять казеиновый промотор.
Теперь наш искусственный ген будет выглядеть следующим образом:
промотор гена казеина козы + кодирующая часть гена ГМ-КСФ челове-
ка + терминатор гена гормона роста коровы (рис. 3-8). То, что для останов-
ки транскрипции мы взяли терминатор от гена гормона роста коровы, не
имеет большого значения. Задача терминатора — остановить начавшуюся
с промотора транскрипцию. Терминатор гена гормона роста коровы с этой
задачей справляется отлично, поэтому его часто используют для этих це-
лей при создании самых разных искусственных генов млекопитающих.
В отличие от бактерии коза — это многоклеточный организм. Поэтому,
чтобы во всех её клетках появился новый ген, мы должны внедрить его на
той стадии развития, когда коза состоит только из одной клетки. Это случа-
ется сразу после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. В этот ко-
роткий период одноклеточную козу нужно достать из организма козы-ма-
тери и под микроскопом, с помощью тончайшей микроиглы ввести в ядро
этой клетки раствор, содержащий множество копий искусственного гена.
В результате одна или несколько копий может встроиться в геном козы.
КОДИРУЮЩАЯ ЧАСТЬ~^ерминатор jE
г
ГЕНА
КАЗЕИНА
КОЗЫ
ГЕНА
ГМ-КСФ
ЧЕЛОВЕКА
ГЕНА
ГОРМОНА
РОСТА
КОРОВЫ
Рис. 3-8. Схема сборки искусственного гена
77
Поскольку мы встроили в геном искусственный ген на стадии одной
клетки, далее в ней пройдёт процесс удвоения ДНК, клеточное деление и
обе дочерние клетки получат новый ген. Ну и затем наш искусственный
ген в ряду клеточных поколений наследуется так же, как и все остальные
гены козы. Поэтому все клетки родившейся трансгенной козы будут со-
держать новый ген. И конечно же, для того чтобы она родилась, не забу-
дем вытащить её зародыш из-под микроскопа и вернуть его в утробу ма-
тери — для этого придётся провести довольно сложную ветеринарную
операцию под наркозом. В матке трансгенный эмбрион продолжит разви-
ваться, и спустя пять месяцев родится трансгенная козочка.
Когда родившаяся трансгенная коза повзрослеет, забеременеет и ро-
дит своих первых козлят, в клетках её молочной железы заработает соз-
данный нами ген и эти клетки начнут производить белок человека и выде-
лять его в молоко, причём в достаточно большом количестве (рис. 3-9).
Рис. 3-9. Схема получения белка человека в молоке трансгенной козы
78
Дальше уже можно создавать лекарство — сначала нужно подоить козу,
собрать молоко и при помощи химических методов отделить белок челове-
ка от остальных компонентов молока. Из очищенного белка делается ле-
карство. Подчеркну, что эту сложную процедуру, включающую создание
генетической конструкции и микроинъекцию в одноклеточную козу, про-
водят только один раз. После встройки в геном козы передают искусствен-
ный ген следующему поколению традиционным образом, так же как они
передают свои обычные гены.
Есть ещё один вариант развития событий: эмбрион козы, в геном кото-
рого мы встроили искусственный ген, оказался самцом и из него стал раз-
виваться трансгенный козлик. Попробуйте придумать, что нужно сделать,
чтобы в этом варианте тоже удалось получить молоко с белком человека.
Сейчас уже несколько лекарств на основе белков человека производят имен-
но таким образом — в молоке трансгенных животных. Обычно это козы или ко-
ровы, однако один из препаратов производят на основе молока трансгенных
кроликов. Его используют для лечения редкого наследственного заболевания,
т. е. таких пациентов немного, поэтому невысокая молочность кроликов оказы-
вается достаточной для производства необходимого количества лекарства.
........> Ролевая игра «ПОДАЁМ ЗАЯВКУ НА ГРАНТ»
Для игры понадобятся команды-разработчики, которые будут представлять свои
проекты по созданию генно-модифицированного организма, и жюри, которое бу-
дет оценивать представленные разработки (можно пригласить в него преподава-
телей или старшеклассников). Перед началом игры обязательно договоритесь
о критериях оценки: что будет важнее в вашей игре — оригинальность и необыч-
ность созданного организма, его полезность для человечества или проработан-
ность схемы генной модификации (выбор гена, промотора и т. д.).
Получив задание и критерии оценки, команды-разработчики могут приступать
к созданию заявки на грант. Для этого необходимо придумать генно-модифици-
рованный организм, который, по мнению команды, необходимо создать как мож-
но быстрее. Аргументируйте актуальность вашей разработки (зачем такой орга-
низм необходим, какую пользу/выгоду он принесёт, что будет, если его не со-
здать). Проработайте детально план работ: какой ген и из какого организма вы
возьмёте, в какую часть генома вы его встроите, как будет происходить регуляция
работы гена (вам же не надо, чтобы, например, ген-рецептор инфракрасного из-
лучения работал в печени).
На заключительном этапе желательно устроить очную защиту заявок, где все
участники дискуссии (жюри и другие команды-разработчики) смогут задавать во-
просы по сути предложенных заявок. В итоге жюри выносит решение о победи-
теле, которому вручается символический чек на создание генно-модифицирован-
ного организма.
79
При создании трансгенных животных нужно помнить, что признак,
который вы хотите перенести в такое животное, должен быть простым,
т. е. в идеале кодироваться одним геном. В рассмотренных выше приме-
рах трансгенные организмы занимались производством несвойственного
для себя белка. Это и есть простой признак — его можно закодировать
всего одним новым искусственным геном. Если же вы захотите, чтобы
в результате модификации трансгенный организм получил какой-то
сложный признак, то зачастую это может оказаться невозможным для
реализации.
Например, если вы захотите сделать трансгенную лабораторную
мышь, у которой будут такие же крылья, как у летучих мышей, то это
вряд ли получится. Дело в том, что у летучих мышей нет конкретного ге-
на, который отвечал бы за развитие крыльев, за их формирование отвеча-
ют тысячи генов, которые слаженно работают друг с другом. Такие при-
знаки на сегодняшний день остаются недоступными для генной инжене-
рии (и будут оставться таковыми как минимум ближайшие сто лет).
Трансгенные микроорганизмы, растения и животных также называ-
ют генетически модифицированными организмами (ГМО).
•> Практическое задание «РЕАЛЬНЫЕ ГМО»
Участники разбиваются на группы по 2—4 человека. Каждая группа изучает один
из следующих экспериментов по генной инженерии:
1) кошки, светящиеся в темноте;
2) капуста с ядом скорпиона;
3) козы с «шёлковым» молоком;
4) быстрорастущий лосось;
5) коровы без метеоризма (производят меньше метана);
6) банановая вакцина от гепатита В;
7) золотой рис;
8) курицы, которые несут интерфероновые яйца.
Нужно изучить следующие вопросы:
1) как и почему был разработан данный ГМО;
2) каковы результаты этого эксперимента.
Итогом работы должна стать краткая (не более 10 слайдов) презентация об изу-
ченном эксперименте. Можно также провести подведение итогов как в форме до-
кладов, так и в театрализованном формате (можно написать пародию, написать
и исполнить оригинальную песню или создать книгу с картинками). <
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Трансгенных животных создают не только для ла-
бораторных экспериментов, но и для решения серьёзных медицинских
задач. При создании трансгенных животных нужно помнить, что при-
знак, который вы хотите перенести в такое животное, должен быть
простым и в идеале кодироваться одним геном.
80
ГМО — насколько обоснованы страхи?
Все участники делятся на «адвокатов» и «прокуроров». Нужно привести ар-
гументы за и против использования ГМО и подробно их проанализиро-
вать (для примера можно взять аргументы из книги А. Ю. Панчина «Сумма
биотехнологии» (М.: ACT, 2015).
Глава 12
РЕДАКТИРОВАНИЕ ГЕНОВ
В предыдущей главе мы с вами говорили о методах генной инжене-
рии, при помощи которых можно собрать в пробирке искусственный ген
и затем внедрить его в геном животного, например козы. Важный момент,
о котором я умолчал, состоит в том, что если вы введёте раствор с искус-
ственным геном в ядро, то он встроится в случайное место в геноме. Искус-
ственный ген может интегрироваться в участок ДНК, в котором нет генов,
а может встроиться прямо в один из генов и при этом сломать его. И тогда
в геноме прибавится один ген, но один при этом выйдет из строя.
Почему так получается? Дело в том, что для того, чтобы в геном
могла встроиться новая последовательность нуклеотидов, геном должен
разорваться, ведь интеграция происходит именно по разрыву ДНК. Вре-
мя от времени по разным причинам в клетках происходят разрывы ДНК,
и в такой случайный разрыв введённый в клетки искусственный ген
и встраивается. А поскольку разрывы в клетках происходят в случай-
ных местах, то и контролировать место интеграции в таком эксперимен-
те генные инженеры не могут. Вернее, не могли до недавнего времени,
пока у нас в арсенале не появился новый инструмент под названием
CRISPR/Cas9.
CRISPR/Cas9 (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic^
Repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные груп-
пами, и CRISPR associated protein — CRISPR-ассоциированный белок) —
это своеобразный микроскопический робот для внесения разрывов в ДНК. Он
состоит всего из двух молекул: белка Cas9, который может создавать разрыв,
и короткой молекулы РНК, в которой записано, какую последовательность
в ДНК должен найти и разрезать Cas9. Когда обе эти молекулы объединяют-
ся, то получается функциональный нуклеопротеиновый комплекс, который на-
чинает сканировать молекулу ДНК, и в том случае, если он найдёт участок,
в котором 20 нуклеотидов его направляющей РНК по принципу комплементар-
ное™ соединятся с 20 нуклеотидами ДНК, то именно на этом участке Cas9
сделает разрез. J
81
Направляющая
РНК
КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ
УЧАСТО!^
4IHI4UHIIHI4 итаи.
ДНК
ЛШПШШШШП
Рис. 3-10. Схема работы системы CRISPR/Cas9
CRISPR/Cas9 называют роботом потому, что его можно запрограм-
мировать. Вы можете выбрать в геноме место, в которое хотите внести
разрыв, например, для того, чтобы в него встроился искусственный ген,
и заказать синтез такой РНК, которая будет направлять комплекс именно
в это единственное место в геноме. Так что если вы введёте в клетки ис-
кусственный ген вместе с CRISPR/Cas9, то ген интегрируется в заплани-
рованное место (рис. 3-10).
Происхождение CRISPR/Cas9 весьма интересно. Как и почти всё
в генной инженерии, CRISPR/Cas9 — это не изобретённый человеком
с нуля инструмент, учёные позаимствовали его у прокариот. Он представ-
ляет собой ещё одну противофаговую систему у бактерий и архей. Рабо-
тает эта система следующим образом: бактерия, пережившая нашествие
фага, кромсает его геном на кусочки и встраивает их в специальный ген
в своём геноме. Этот ген служит хранилищем образцов различных фагов.
С него транскрибируются РНК, которые служат для белка Cas9 своего ро-
да фотографией преступника.
Если, перемещаясь по цитоплазме, комплекс направляющей РНК
и Cas9 наткнётся на ДНК фага, с которым бактерия уже встречалась
(и поэтому его фрагмент оказался в CRISPR-картотеке), он его разрежет
и уничтожит (рис. 3-11). Когда генные инженеры разобрались, как работа-
ет эта иммунная система бактерий, то они поняли, что, если направляю-
82
Белок
Рис. 3-11. Распознающий комплекс Cas9
щую РНК синтезировать искусственно, можно использовать CRISPR/Cas9
как инструмент для внесения разрывов в нужном месте. Вот так в вой-
не вирусов и прокариот, которая продолжается уже миллиарды лет, ро-
дились ферменты, которые человек стал использовать в генной инжене-
рии.
........> Ролевая игра «КАК РАБОТАЕТ CRISPR/CAS9 »
Сформируйте в классе группу из 5—6 человек, которые будут Cas-белками бак-
териальной клетки. Организуйте им свободное пространство около доски или
столов так, чтобы было понятно, где проходит граница клетки. Остальные ребята
становятся вирусами, им необходимо сделать разноцветные метки (повязки, знач-
ки и т. д.) и полоски цветной бумаги соответствующего цвета, которые будут сим-
волизировать их ДНК/РНК.
Вирусы по очереди атакуют бактериальную клетку, заходя в пространство клет-
ки. Если вирус данного цвета впервые проник в клетку, то белки Cas должны
забрать у него кусочек его ДНК и вставить в картотеку CRISPR (прикрепить на
доску магнитом). Если такой же вирус проникает ещё раз, то белки Cas до-
стают кусочек соответствующего цвета из CRISPR-картотеки и атакуют вирус,
уничтожая его ДНК/РНК. Через какое-то время на доске будут присутство-
вать бумажки всех цветов, и больше ни один вирус не сможет атаковать эту
клетку.
Вспомните, что вирусы умеют мутировать. Вирусы должны подумать над тем, как
можно обойти защиту клетки. <
Открытие CRISPR/Cas9 и подобных ей систем позволило учёным
очень точно вносить модификации в геном различных организмов. Такое
прицельное изменение генома называют геномным редактированием
С появлением инструментов геномного редактирования у биологов появи-
лась возможность воспроизводить существующие мутации. Но зачем это
нужно? Давайте разберём на конкретном примере.
83
Если у вас большая молочная ферма, то коровьи рога становятся
проблемой: коровы бодают сотрудников и друг друга и из-за рогов посто-
янно застревают в заборах. А вот некоторые мясные породы коров из-за
одной мутации совсем не имеют рогов. Это делеция небольшого участка
рядом с геном, важным для формирования рога. Из-за делеции этот ген не
включается вовремя, и рога не формируются.
Если просто скрестить животных двух пород, то можно будет полу-
чить безрогих коров, но они не будут так же хороши в производстве моло-
Рис. 3-12. Создание геномной модификации «отсутствие рогов» с помощью системы
CRISPR/Cas9
84
ка, как ваша исходная порода. Поэтому естественным путём перенести
мутацию безрогости в молочную породу не получится. Зато можно отре-
дактировать геном животных молочной породы. Для этого мы можем с по-
мощью двух РНК направить Cas9 в то место, где необходимо сделать де-
лению, введя перед этим комплексы направляющих РНК и Cas9 в ядро
зиготы коровы. Cas9 внесёт два разрыва в геном, при репарации которых
часто теряется небольшой фрагмент между ними. В результате возникнет
точно такая же делеция, как у мясной породы. Коровы, родившиеся с та-
кой делецией, будут сами безрогими, а также смогут передать этот при-
знак своим телятам (рис. 3-12).
Заметьте, что в данном случае мы не переносили в клетку коровы
другие гены и вообще не вносили в геном ничего нового, поэтому таких
животных (и растения) уже нельзя назвать трансгенными. Модификация,
которая теперь есть у них в геноме, существует в природе, так что мы
решили нашу проблему не изобретая заново велосипед. Это важно, пото-
му что во многих странах введены ограничения (бессмысленные и вред-
ные, по мнению учёных-генетиков) на использование трансгенных орга-
низмов. Организмы, геном которых отредактирован описанным выше спо-
собом, не подпадают под эти ограничения. Так юридическая проблема
была неожиданно решена с помощью «технологий», позаимствованных
у прокариот.
Следует заметить, что система редактирования генома CRISPR/Cas9
проста в использовании и по-настоящему универсальна. Она эффективно
работает в экспериментах на прокариотах, на растениях, на грибах и на
животных. Увы, не стал исключением и человек.
f В 2018 г. исследователь из Китая Хэ Цзянькуй сообщил, что в его клинике
родились две девочки Лулу и Нана с отредактированным геномом. На стадии
зиготы к ним в ядро вводили комплекс Cas9 и направляющей РНК, который
внёс разрыв в ген CCR5. Известно, что одна из мутаций в этом гене делает лю-
дей невосприимчивыми к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ). Хэ Цзянь-
куй хотел воспроизвести эту мутацию в геноме детей.
Позже выяснилось, что, к сожалению, ту самую мутацию воспроизвести не
удалось и Лулу и Нана теперь являются носителями новых, неизвестных науке
мутаций в гене CCR5. Защищают ли они от ВИЧ и сказываются ли как-то на
здоровье — пока непонятно. А вот Хэ Цзянькуй был осуждён на три года
тюрьмы за применение технологии редактирования генома на человеке, без
тщательного анализа безопасности этого подхода, а также за грубое наруше-
ние правил проведения исследований на людях. Мы надеемся, что с Лулу и На-
ной всё будет хорошо, но вы не забывайте, что, несмотря на то что новые ге-
нетические технологии открывают фантастические возможности, перед их ис-
пользованием необходимо оценить все потенциальные риски и доказать
i безопасность их применения!
85
[подводя итоги. Технологии геномного редактирования позволяют
проводить адресные модификации генома за счёт внесения разрыва в
молекулу ДНК в точно запланированном месте генома.
1. Почему на данный момент запрещена процедура геномного редактирова-
ния для человека?
2. Обсудите плюсы и минусы геномного редактирования человека.
Практикум < —।
Задача «КАКАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВСТРЕЧАЕТСЯ ЧАЩЕ?»
Рестриктазы узнают последовательность из 4—6 нуклеотидов и разрезают её.
Какая рестриктаза будет чаще разрезать ДНК: которая узнаёт 4 нуклеотида или
которая узнаёт 6 нуклеотидов? Сколько раз случайную последовательность ДНК
из 1000 нуклеотидов разрежут обе рестриктазы?
Задача «КАРТА РЕСТРИКЦИИ »
Карта рестрикции — это схематическое изображение фрагмента ДНК, на кото-
ром указаны места разрезания рестриктазами. Карты рестрикции активно ис-
пользовали генные инженеры, когда у них не было возможности использовать
ПЦР для синтеза гена и надо было вырезать участок ДНК так, чтобы не повре-
дить ген.
Молекула ДНК длиной 10 тыс. пар нуклеотидов была разрезана на фрагменты
двумя рестриктазами. При разрезании рестриктазой EcoRI ДНК разрезается на
фрагменты 2 и 8 кб (1 кб, или килобаза = 1000 нуклеотидов), а при разрезании
рестриктазой BarnHI — на фрагменты 3 и 7 кб.
а) Постройте карту рестрикции, учитывая, что ДНК, разрезанная сразу двумя ре-
стриктазами, состоит из фрагментов 1, 2 и 7 кб.
б) Определите, в какой части молекулы ДНК должен находиться искомый ген,
чтобы его можно было перенести в другую плазмиду целиком, если известно, что
его длина 4 кб.
Работа 3-1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРАЙМЕРОВ
Для разработки тест-системы для выявления носителей заболевания (пациентов,
у которых вирус есть, но сами они не болеют) вирус выделяют от больных и опре-
деляют кусочек его нуклеотидной последовательности.
86
м Задание. Определите, какой вирус содержит данную последовательность ДНК
(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi).
5'-АТГТЦГТГГГЦЦЦТГГАААТГГЦГГАЦАЦЦТТЦЦТГГАЦААЦАТГЦГГГТТГГГЦЦЦАГГАЦГ-
ТАЦГЦЦГАЦГТАЦГЦГАТГАГАТЦААТ-3'
З'-ТАЦАГЦАЦЦЦГГГАЦЦТТТАЦЦГЦЦТГТГГААГГАЦЦТГТТГТАЦГЦЦЦААЦЦЦГГГТЦЦТГ-
ЦАТГЦГГЦТГЦАТГЦГЦТАЦТЦТАГТТА-5'
Цель работы: подобрать праймеры к этому гену и определить размер получив-
шегося продукта.
Ход работы. Необходимо подобрать пару праймеров (прямой и обратный) — ис-
кусственно синтезированных коротких олигонуклеотидов, которые будут служить
затравками для синтеза ДНК. Концы молекулы ДНК неравнозначны, и их обо-
значают как 3' и 5' (по номеру атома углерода в рибозном кольце, к которому
присоединена свободная группа). Очень важно, что у праймера всегда только
один рабочий конец — 3', его всегда обозначают стрелкой. Для того чтобы раз-
личать нити ДНК, их обозначают красным и зелёным цветом. Ту цепь, которая
выступает в качестве матрицы в процессе синтеза РНК (обозначена красным),
называют матричной, антисмысловой или некодирующей. Вторую, ей компле-
ментарную, которая обозначена зелёным цветом, называют кодирующей или
смысловой (так как её последовательность совпадает с последовательностью
РНК). Прямой праймер комплементарен З'-концу смысловой цепи ДНК, обрат-
ный праймер — З'-концу антисмысловой цепи.
Выберем на З'-концах обеих цепей ДНК участки, на которые будут «садиться»
праймеры, и выделим их серым фоном: 5'-АТГТЦГТГГГЦЦЦТГГАААТГГЦГГАЦАЦ-
ЦТТЦЦТГГАЦААЦАТГЦГГГТТГГГЦЦЦАГГАЦГТАЦГЦЦГАЦГТАЦГЦГАТГАГАТЦААТ-3'
З'-ТАЦАГЦАЦЦЦГГГАЦЦТТТАЦЦГЦЦТГТГГААГГАЦЦТГТТГТАЦГЦЦЦААЦЦЦГГГТЦ-
ЦТГЦАТГЦГГЦТГЦАТГЦГЦТАЦТЦТАГТГА-5'
Составив комплементарные последовательности для выделенных участков, мы
как раз и получим последовательности праймеров для ПЦР (они всегда записы-
ваются в направлении 5'—3').
Прямой праймер:
3'-ТАЦАГЦАЦЦЦГГГАЦЦТТТАЦ-5' -> 5'-АТГТЦГТГГГЦЦЦТГГАААТГ-3' (комплемен-
тарная последовательность = прямой праймер)
Обратный праймер:
5'-АЦГТАЦГЦГАТГАГАТЦААТ-3' -> 3'-ТГЦАТГЦГЦТАЦТЦТАПТА-5' (комплементар-
ная последовательность) -> 5'-АТТГАТЦТЦАТЦГЦГТАЦГТ-3' (она же, записанная
в направлении 5'—3')
Теперь можно определить размер ПЦР-продукта. Для этого нужно измерить рас-
стояние между праймерами, добавить длину самих праймеров, и в итоге мы по-
лучим длину ПЦР-продукта. В данном случае размер продукта амплификации со-
ставляет 90 пар нуклеотидов.
В реальной работе для подбора праймеров используют специальные програм-
мы, так как имеются определённые ограничения: например, они не должны
быть комплементарны сами себе или друг другу, не должны быть комплемен-
тарны ДНК других организмов, а также важно, чтобы температура, при которой
они присоединяются к ДНК, была в районе 60 °C (попробуйте понять, откуда
взялись эти ограничения). Вы можете попробовать это сделать в программе
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/.
87
Работа 3-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФЕКЦИОННОГО АГЕНТА
Цель работы: научиться анализировать результат ПЦР.
Оборудование и реактивы: автоматические дозаторы, наконечники, амплифика-
тор, камера для горизонтального электрофореза, источник питания, трансиллюми-
натор, пробирки для ПЦР, реактивы для проведения ПЦР (набор для детекции ин-
фекционного агента).
I Задание 1. Составьте смесь для ПЦР и проведите амплификацию, согласно
инструкции в наборе.
Внимание! В любом эксперименте нужно предусмотреть пробирку с «положи-
тельным контролем», в которую добавляется образец, заведомо содержащий ма-
трицу для ПЦР. Это необходимо, чтобы видеть, как выглядит положительный ре-
зультат.
Продукты ПЦР анализируйте с помощью электрофореза. Зарисуйте схему распо-
ложения полос в геле в тетрадь, сделайте вывод о длине продуктов ПЦР и нали-
чии исследуемого инфекционного агента в образце.
Рис. 3-13. Электрофореграммы
анализа ПЦР: 1—4 — пациенты;
5 — герпес; 6 — гепатит;
7 — аденовирус; 8 — оспа;
9 — маркер
Задание 2. Представим, что в лабо-
ратории имеются образцы ДНК, выде-
ленные от разных пациентов. Имеют-
ся праймеры, которые комплементар-
ны ДНК вируса герпеса, гепатита В,
аденовируса и вируса коровьей оспы.
Вы успешно провели ПЦР и разделили
продукты электрофорезом. Проанали-
зируйте фотографии, полученные по-
сле электрофореза образцов ДНК от
разных пациентов. Определите, кто
чем болеет, а также примерную длину
фрагментов ДНК, полученную в ПЦР
для разных вирусов {рис. 3-13).
Работа 3-3. АНАЛИЗ НАЛИЧИЯ ГЕНА В ПЛАЗМИДЕ
Цель работы: научиться анализировать рестрикционные карты плазмид.
м Задание 1. Что произойдёт с плазмидой длиной около 6000 пар нуклеотидов
в результате разрезания рестриктазой в определённом месте? Молекула из
кольцевой станет линейной.
Какие продукты получатся в результате работы рестриктазы, которая может раз-
резать данную плазмиду в двух местах на расстоянии 550 пар нуклеотидов?
Фрагменты какой длины будут получены?
Какие продукты получатся в результате работы рестриктазы, которая разрезает
на расстоянии 550 и 1100 пар нуклеотидов? Нарисуйте схему электрофореза для
всех трёх случаев.
88
Задание 2. Предположим, что в
плазмиду встроен ген ароматазы.
Рестриктаза имеет два сайта ре-
стрикции в плазмиде. Ген аромата-
зы также содержит сайт узнавания
рестриктазы. На рисунке 3-14 при-
ведена электрофореграмма ре-
стрикционного анализа плазмид-
ной ДНК, выделенной у бактерий
из разных клонов. Укажите номера
дорожек, где находятся плазмиды
со встройкой.
12 3456789 10 1112
4,2т.п.н
1,0т.п.н.
0,6т.п.н.
Рис. 3-14. Электрофореграмма
рестрикционного анализа
Работа 3-4. КОНСТРУИРОВАНИЕ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ
РНК ДЛЯ СИСТЕМЫ CRISPR/CAS9
Для проведения эксперимента по геномному редактированию необходимо транс-
формировать бактерию сразу тремя плазмидами:
1) первая плазмида будет содержать ген белка Cas9;
2) вторая плазмида будет содержать ген направляющей РНК для установки фер-
мента Cas9 на месте, где надо вырезать участок ДНК;
3) третья плазмида будет содержать изменённую последовательность ДНК.
Давайте попробуем разработать направляющую РНК для выполнения замены
аминокислоты лизин на треонин в 43-м положении гена rpsL. Бактерии с такой
мутацией становятся устойчивы к действию стрептомицина. Соответственно, на
среде, содержащей стрептомицин, будут расти только те бактерии, в которых
произошла направленная мутация.
Для того чтобы сконструировать эту направляющую РНК, необходимо опреде-
лить, какой нуклеотид мы должны исправить, чтобы лизин заменился на треонин.
Последовательность ДНК:
ГТГ-ЦЦТ-ГЦГ-ЦТГ-ГАА-ГЦА-ТГЦ-ЦЦГ-ЦАА-ААА-ЦГТ-ГГЦ-ГТА-ТГТ-АЦТ-ЦГТ-ГТА-ТАТ-А-
ЦТ-АЦЦ-АЦЦ- ЦЦТ-А(А/Ц)А-ААА- ЦЦГ-ААЦ-ТЦЦ- ГЦА- ЦТГ-ЦГТ-ААА-ГТТ-ТГЦ- ЦГТ- ГТТ-
ЦГТ-ЦТГ-АЦТ-ААЦ-ГГТ
Последовательность аминокислот:
ВалПроАлаЛейГлуАлаЦисПроГлнЛизАргГлиВалЦисТреАргВалТирТреТреТреПро-
ЛизЛизПроАснСерАлаЛейАргЛизВалЦисАргВалАргЛейТреАснГли
На расстоянии трёх нуклеотидов от мутации для связывания Cas9 с ДНК должен
быть участок из трёх нуклеотидов вида пГГ (где п — любой нуклеотид). Есть ли
такая последовательность в данном случае? Помните, что во вторую цепь ДНК
тоже можно вносить мутации.
От последовательности пГГ нужно будет отступить на 20 нуклеотидов и построить
комплементарную этой цепи последовательность РНК, а также добавить с З'-кон-
89
ца последовательность: 5'-ГУУУУАГАГЦУАГАААУАГЦААГУУААААУААГГЦУАГУЦЦГУУ-
АУЦААЦУУГАААААГУГГЦАЦЦГАГУЦГГУГЦУУУ-3', которая содержит комплементар-
ный участок (выделен подчёркиванием) и образует петлю.
В конце нужно перевести последовательность РНК в ДНК и можно отправлять
заказ в лабораторию синтеза нуклеотидных последовательностей. Затем полу-
ченный фрагмент ДНК встраивают в плазмиду, которую используют для процеду-
ры геномного редактирования.
Работа 3-5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ПРОПИЛТИОУРАЦИЛУ
Цель работы: определить наличие гена, отвечающего за чувствительность
к горькому вкусу.
Материалы и оборудование: набор для определения чувствительности к ФТК
(содержит реактивы для ПЦР), автоматические дозаторы, наконечники, амплифи-
катор, камера для горизонального электрофореза, источник питания, трансиллю-
минатор, пробирки для ПЦР, набор для определения мутации гена TAS2R38.
Одним из первых широко изучаемых генетических признаков человека, который
не связан с заболеванием, является чувствительность к фенилтиокарбамиду
(ФТК). Впервые разницу в чувствительности к ФТК наблюдал в 1931 г. химик Ар-
тур Фокс, который при взвешивании получил облако сухого ФТК. Его лаборант
К. Р. Ноллер пожаловался, что пыль имеет горький привкус, однако Фокс ничего
не почувствовал, даже когда он сам попробовал кристаллы. Последующие тесты
показали, что около 30% людей не чувствуют вкус ФТК, тогда как большинство
людей чувствуют его как умеренно или сильно горький.
Сходные результаты получены для пропилтиоурацила, который химически подо-
бен ФТК. Пропилтиоурацил — лекарственное средство, которое можно приобре-
сти в аптеке и развести в концентрации в 100 раз меньше лечебной дозировки.
Существует мнение, что чувствующие вкус пропилтиоурацила не любят чёрный
кофе, сок грейпфрута и другую пищу с горьковатым вкусом.
Если у вас есть возможность провести тестирование на чувствительность к горь-
кому вкусу пропилтиоурацила, то вы можете проверить эту гипотезу. А если вы
проводите данное исследование в классе, то подсчитайте, для какого процента
людей данное утверждение истинно.
Ген, наиболее тесно связанный с вариацией фенотипа, представляет собой ген
рецептора горького TAS2R38. Известны два варианта данного гена: PAV — ва-
риант чувствующих горечь и AVI — вариант не чувствующих горечь. Люди, у ко-
торых присутствует и тот и другой вариант гена, имеют промежуточную чувстви-
тельность к ФТК. Эти варианты обусловлены тремя нуклеотидными заменами,
которые приводят к трём аминокислотным заменам (Про49Ала, Ала262Вал и
Вал296Иле). Главная причина потери чувствительности — замена Ала262Вал,
именно её чаще всего и определяют при исследовании вариантов гена TAS2R38.
Ход работы. На первом этапе необходимо выделить ДНК у участников. Обычно
для этого берут соскоб щёчного эпителия и проводят ПЦР. Однако если на дан-
ном этапе провести электрофорез, то будет видно, что все образцы содержат
90
одинаковые фрагменты ДНК, так как длина
гена никак не меняется, происходит лишь за-
мена трёх нуклеотидов внутри этого гена.
Как же определить, у кого есть мутация, а у ко-
го нет? Тут нам на помощь придут рестрикта-
зы. Если в результате нуклеотидной замены
изменился сайт, узнаваемый рестриктазой, то
в одном случае ПЦР-продукт будет разрезать-
ся на части и будут заметны более короткие
фрагменты, а в другом — нет и будет виден
ПЦР-продукт ожидаемой длины. В случае фраг-
мента гена TAS2R38 при отсутствии мутации
(чувствующие горечь) сайт узнавания рестрик-
тазы Alul присутствует (АГЦТ), а при мутации
(АГТТ) он нарушается. Таким образом, на элек-
трофореграмме видно, у кого есть данная му-
тация, а у КОГО её нет. Рис. З-75. Электрофореграмма
Проведите анализ электрофореграммы на ри- гена TAS2R38
сунке 3-15 и сделайте выводы о наличии у лю-
дей мутации и их чувствительности к фенилтиокарбамиду или пропилтиоурацилу.
Известно, что в результате ПЦР образуется продукт длиной 122 пары нуклеоти-
дов (п. н.), а сайт узнавания рестриктазы Alul находится на расстоянии 20 пар
нуклеотидов от одного из концов ПЦР-продукта.
Что читать
1. Сайт «Биомолекула (https://biomolecula.ru/). Здесь вы можете прочитать
новости науки, а также обзоры на самые животрепещущие темы в биологии.
В специальной рубрике «12 биологических методов в картинках» собрано
описание основных методик, которыми пользуются учёные в биологических
лабораториях, в том числе методов ПЦР и секвенирования нуклеиновых кис-
лот. А ещё здесь проводят конкурс на лучшую научно-популярную работу. Да-
же школьники могут принять в нём участие, — для этого есть специальная
«Школьная номинация».
2. Даудна Дженнифер, Стернберг Сэмюэл. «Трещина в мироздании. Редакти-
рование генома: невероятная технология, способная управлять эволюци-
ей». Лауреат Нобелевской премии Дженнифер Даудна рассказывает историю
создания и перспективы применения технология редактирования генома
CRISPR/Cas9.
3. Панчин Александр. «Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифа-
ми о генетической модификации растений, животных и людей». Из этой
книги вы узнаете, как и для чего учёные Генетически Модифицируют Организ-
мы, какую пользу человечеству приносят ГМО и как глупы распространяемые
про них страшилки.
91
Модуль 4
ОТ ГЕНОВ К ПРИЗНАКАМ
ПА&ЕЛ
БОРОДИН
В этом модуле я, Павел Бородин, проведу вас
по извилистому пути от генов до признаков (окра-
ски котов), а Вениамин Фишман, кандидат био-
логических наук, заведующий сектором геномных
механизмов онтогенеза Института цитологии и ге-
нетики СО РАН, расскажет вам, как гены дирижи-
руют развитием сложного организма.
Потом уже известная вам Татьяна Колес-
никова расскажет о том, какие сложные
танцы приходится танцевать хромосомам во
время клеточного деления, а я — о хромо-
сомных танцах во время образования поло-
вых клеток.
бЕНИАМИН
фИШМАН
Глава 13
ОТ ГЕНА К ПРИЗНАКУ:
КАК РАСКРАСИТЬ КОТА
Давайте сначала поймём, что такое гены и что такое признаки. Как
вы уже знаете, гены — это участки ДНК, на которых синтезируются РНК,
служащие матрицами для сборки белков, катализирующих разные хими-
ческие реакции в клетках. Ничего этого мы увидеть (услышать, потрогать
и т. п.) не можем.
А вот признаки — это те свойства организма, которые мы можем:
1) увидеть (например, окраску моего кота);
2) услышать (его мяуканье);
3) и даже пощупать (например, его хвост — не кусайся, злодей!).
92
ГЕН
Рис. 4-1. Схема пути от гена до признака (серая окраска шерсти)
Как перебросить мостик от одного к другому, как проследить путь от
гена к признаку?
Давайте начнём с конца, т. е. с признака. Мой кот самый обычный —
серый полосатый, на груди белое пятно, мяв у него звучный, а шерсть ко-
роткая (как и хвост).
Серый он потому, что вдоль его волосков последовательно распре-
делены гранулы пигмента меланина (рис. 4-1). Меланин синтезируется
в клетках волосяных сумок из аминокислоты тирозина, которую мой кот
получает с пищей. Для того чтобы тирозин превратился в меланин, ну-
жен катализатор — фермент тирозиназа. Этот фермент синтезируется
на рибосомах по матрице мРНК длиной около 2400 нуклеотидов, кото-
рая, в свою очередь, синтезируется на участке ДНК одной из 19 пар хро-
мосом кошки (если конкретно — хромосомы D1). Вот и весь путь от гена
(длинной последовательности нуклеотидов) до признака (окрашенного
кота).
На этом пути, однако, могут быть небольшие препятствия. Как вы
помните, при репликации ДНК иногда возникают мутации. В гене тирози-
назы у кошек тоже встречаются мутации, некоторые из которых наруша-
ют функцию белка.
Одна из таких мутаций — делеция нуклеотида Ц в 975-й позиции от
начала гена тирозиназы. Она ведёт к сдвигу рамки считывания и образо-
ванию нефункционального фермента. В том случае если мутантный вари-
ант гена (аллель) Ольбино ПОлучен от одного из родителей, а другой роди-
тель передал потомку нормальный аллель С (такие особи называют гете-
розиготами), то синтез меланина в пигментных клетках идёт без
проблем — активности тирозиназы, синтезированной по правильному ре-
цепту, для этого вполне достаточно. Если же у кота оба аллеля одинако-
93
ГОМОЗИГОТА
ГЕТЕРОЗИГОТА
хромосома хромосома
от мамы от папы
хромосома хромосома
от мамы от папы
тирозиназы тирозиназы
волос
волос
волос
Рис. 4-2. Проявление доминантных и рецессивных признаков у гомозигот
и гетерозигот
вые (такие особи называют гомозиготами), т. е. мутантные, то меланин не
синтезируется и кот будет снежно-белым (рис. 4-2).
Известна другая мутация в этом гене — замена гуанина на аденин
в 422-й позиции. Она привела к образованию аллеля Ссиамский. У гомози-
гот по этому аллелю активность тирозиназы зависит от температуры.
Меланин хорошо синтезируется только в тех клетках, которые находят-
ся там, где температура чуть снижена, — на мордочке, кончиках лап
(рис. 4-3).
Признаки, которые проявляются только у гомозигот — носителей двух оди-
наковых аллелей и не проявляются у гетерозигот, называют рецессивными.
Признаки, которые проявляются у гетерозигот при наличии одного аллеля,
называют доминантными (рис. 4-2).
В нашем случае нормальная окраска — это доминантный признак.
Она проявляется одинаково у гомозигот и гетерозигот по нормальному ал-
лелю. Сиамская окраска — это рецессивный признак, она проявляется
только у гомозигот по мутантному аллелю. Молекулярная природа доми-
нирования-рецессивности здесь вполне проста и очевидна — это различия
в каталитических функциях белков (см. рис. 4-3).
94
Рис. 4-3. Доминантность и рецессивность признака как результат
разной активности фермента
........> Практическое задание «ОТКУДА БЕРУТСЯ ПРИЗНАКИ»
Разбейтесь на группы по 3—4 человека. Выберите объект для изучения — напри-
мер, яблоки. Выделите признаки, которыми можно описать данный объект. В ка-
честве подсказок можно использовать вопросы: «Как он выглядит (цвет, фор-
ма)?», «Какой у него запах?», «Какой вкус?», «Какой он на ощупь?».
Подумайте, от чего будет зависеть появление данного признака. Например, слад-
кий вкус может зависеть от количества ферментов, участвующих в синтезе сахара
(или в синтезе крахмала из сахара), а цвет будет зависеть от наличия пигментов.
А теперь подумайте и обоснуйте, какой из вариантов признака доминантный,
а какой рецессивный. Было бы идеально, если бы вы нашли факты о реальном
наследовании некоторых предложенных вами признаков. <
Многие люди недолюбливают науку вообще, а генетику в особенно-
сти за обилие непонятных терминов. Мы только что познакомились с пя-
тью терминами — аллель, гомозигота, гетерозигота, доминантность и ре-
цессивность. И все они описывают простые и понятные явления.
Давайте сделаем ещё несколько шагов по пути от кошачьих генов
к кошачьим признакам и заодно введём ещё несколько терминов.
Плейотропия. Это красивое и страшное слово обозначает простой
и очевидный факт, что каждый ген, как правило, участвует в формирова-
нии нескольких признаков. Например, фермент тирозиназа не только
95
играет ключевую роль в синтезе пигмента меланина, но, что ещё более
важно, участвует в синтезе нейромедиаторов дофамина и норадреналина.
На каждый признак действует несколько генов. Взаимодействие несколь-
ких генов в формировании одного признака называют эпистазом.
Предшественники пигментных клеток закладываются вдоль нервной
трубки на спинной стороне эмбриона. Оттуда они должны мигрировать
к местам назначения — к волосяным сумкам, которые формируются по
всему телу. За их миграцию отвечает белок, который синтезируется по
мРНК, транскрибирующейся с гена под названием c-Kit, который нахо-
дится на хромосоме В1. В этом гене обнаружена мутация, вызванная вне-
дрением вирусной ДНК размером более 700 нуклеотидов. Это доминантная
мутация — одного мутантного аллеля достаточно, чтобы заблокировать
миграцию производных нервной трубки. Волосяные сумки оказываются
пустыми, а волосы — снежно-белыми.
Как видите, продукт мутантного аллеля подавляет проявление всех
генов, участвующих в формировании окраски. На фоне его действия гомо-
зиготы по сиамскому аллелю внешне ничем не отличаются ни от гетерози-
гот, ни от нормальных гомозигот. То есть коты и кошки с генами, чей бе-
лок обеспечивает рыжую, чёрную или серую окраску, находясь под эпи-
статическим действием мутантного гена c-Kit, выглядят абсолютно
одинаково: все они белые.
Но что же я всё про окраску — надо сказать пару слов и о хвосте. Его раз-
витие у кошек (и я подозреваю, у всех вообще хвостатых позвоночных) зави-
сит от воздействия транскрипционного фактора под названием Brachyury,
что по-древнегречески значит «короткохвостие». В гене, который контролиру-
ет синтез этого белка у кошек, был обнаружен ряд мутаций, приводящих к об-
разованию неполных, т. е. укороченных, молекул белка. Все эти мутации явля-
ются доминантными — у кошек, гетерозиготных по этим мутациям, вовсе не
вырастает хвост. У гомозигот дела обстоят ещё хуже — они погибают на ран-
них стадиях развития.
........> Ролевая игра «АЛЛЕЛИ»
Перевоплощаемся в кошачьи гены, белковые продукты которых участвуют в рас-
крашивании кошачьей шерсти.
Разные парты — разные гены. За каждой партой — два аллеля. Бросая монетку,
определяем, кто кем будет: нормальным аллелем или мутантным.
Первая парта — это ген c-Kit, который обеспечивает перемещение предшествен-
ников пигментных клеток — меланоцитов по телу. Нормальные аллели вырезают
из бумаги меланоциты с отростками, чтобы они могли мигрировать от нервной
96
трубки до места назначения (на вторую парту). Мутантные аллели эти отростки
отрезают, лишая меланоциты способности к миграции.
Вторая парта — это ген С, который участвует в синтезе тирозиназы (фермента,
который превращает тирозин в меланин). Оба аллеля вместе раскрашивают мела-
ноциты. Нормальные аллели рисуют в меланоцитах крупные чёрные и жёлтые
гранулы пигмента. Мутантные аллели не делают ничего. Меланоциты поступают
в луковицу волоса (на третью парту).
Третья парта — это ген В, который определяет форму гранул пигмента. Нормаль-
ные аллели вырезают гранулы целиком, а мутантные нарезают их в лапшу и пере-
дают продукт в волос (на четвёртую парту).
Четвёртая парта — это ген А, который отвечает за передачу пигментов в волос (на
пятую парту). Нормальные аллели чередуют жёлтые и чёрные гранулы, а мутант-
ные игнорируют жёлтые и передают только чёрные.
Пятая парта — это ген £>, который определяет распределение пигментных гранул
вдоль волоса, т. е. раскладку пигментных гранул по парте. Нормальные аллели
кладут их одну за другой по мере поступления, а мутантные делают большие пе-
рерывы — собирают гранулы в кучи и кучами же их и выкладывают.
После того как все роли будут распределены, запустите процесс. Рассмотрите
окраску волос, которая получится в итоге на пятой парте (если процесс до неё
дойдёт, а не остановится раньше). Обсудите процесс формирования окраски
в терминах, которые вы узнали в этой главе (доминантные и рецессивные призна-
ки, эпистаз). <
ПОДВОДЯ итоги. На примере наследования окраски у кошек мы вы-
яснили, как гены определяют развитие признаков живых организмов.
Мы увидели, как изменение гена (замена, удаление или вставка одного
или нескольких нуклеотидов) приводит к изменению цвета шерсти. Не-
которые признаки (рецессивные) проявляются только в том случае, если
организм получил изменённые гены (аллели) от обоих родителей. Для
развития других признаков (доминантных) достаточно аллеля, получен-
ного от одного из родителей. Многие гены влияют на развитие не одного,
а нескольких признаков. Это явление называют плейотропией. Эписта-
зом называют способность одних генов подавлять проявление других.
1. Сиамский тип окраски развивается у гомозигот по термочувствительной
тирозиназе. Обсудите, у каких ещё животных встречается такая окраска.
Придумайте (но не проводите) эксперимент, который может к привести из-
менению окраски у таких гомозигот.
2. Как вы думаете, какая будет окраска у кота, гетрозиготного по сиамскому
аллелю тирозиназы и по аллелю альбино?
3. Подумайте, как плейотропный эффект гена зависит от стадии развития
эмбриона, на которой он включается в работу, и от числа тканей, в кото-
рых он работает.
97
Глава 14
ГЕНЫ СТРОЯТ ОРГАНИЗМ
Если найдены гены, отвечающие за окраску, то, наверное, можно
найти и гены, отвечающие за форму рук, способности к математике и уме-
ние играть в футбол. Более того, наверное, нашим мамам просто повезло,
потому что ген вкусного борща дан им природой вместе с одной из Х-хро-
мосом! Увы! Ни ген борщеварения, ни футбольный ген так и не найдены
(и никогда не будут найдены). Их просто нет, и вот почему.
Гены ничего не знают о признаках, которые мы, генетики, приписали
живым организмам. Единственный и самый главный признак, за который
отвечает каждый ген, — это то, какая будет последовательность у моле-
кулы РНК, для которой ген служит матрицей. В ходе создания рибосом
(машин для синтеза белка, без которых работа большинства генов станет
бесполезной) задействованы десятки генов. Все они также определяют
окраску шерсти у кошек (хотя и не напрямую), поскольку без рибосом не-
кому будет синтезировать фермент тирозиназу, и всё, о чём вы прочита-
ли в предыдущей главе, потеряет смысл.
Чтобы обеспечить процессы жизнедеятельности среднестатистиче-
ской клетки (дыхание, деление, устранение повреждений ДНК и белков),
необходима работа более тысячи генов. Сломайте их — и клетки, несущие
пигментные гранулы, погибнут. Получается, что признак окраски связан со
всеми этими генами. В формировании лапы или хвоста у кошки, в образо-
вании волосяной луковицы или роговицы глаза принимают участие десят-
ки тысяч генов — добрая половина генома. Все они нужны для того, чтобы
кошка стала кошкой, а меланин оказался в нужном месте в нужное время.
Поэтому понятие плейотропии, которое мы ввели в предыдущей гла-
ве, гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд. А простые
признаки, которые зависят только от одного гена, бывают только в школь-
ном учебнике. По-настоящему все признаки сложные и зависят от сла-
женной активной работы многих генов.
........> Ролевая игра «СУДЬБА КЛЕТКИ >
Участники игры имитируют клетки. Как и клетки, они действуют по заданной про-
грамме, ни имея представления о том, что получится в результате их действий.
Как и клетки, они действуют на ощупь и вслепую (глаза завязаны), не видя и не
слыша других участников (разговаривать нельзя).
Задание 1. Программа для всех участников одинакова:
1) на ощупь нужно найти другого участника и взять его за руку;
2) руки не перекрещивать;
3) держать правой рукой левую руку участника справа, а левой — правую руку
участника слева;
4) после этого отойти как можно друг от друга (продолжая держать соседей за
руки).
Программа выполнена. Откройте глаза и посмотрите, какая фигура у вас получи-
лась.
Обратите внимание, чтобы каждый участник (клетка) выполнял только свою про-
грамму, не имея представления о том, что должно получиться в итоге.
98
Задание 2. Теперь попробуйте также вслепую создать другие фигуры, например
треугольник, квадрат или звезду. Это более сложная задача, чем предыдущая.
Теперь разные участники должны выполнять разные движения, например: для
построения треугольника действуют правила 1, 2, 3 для всех, а правило 4 — толь-
ко для некоторых. <
Итак, для того чтобы рука стала рукой, нога — ногой, а хвост —
хвостом, необходима скоординированная работа тысяч генов. Как же клет-
ки понимают, какие гены в них должны работать, а какие нет?
Вы уже знаете, что в прокариотических клетках многие гены работа-
ют постоянно (это гены домашнего хозяйства), в то время как некоторые
гены включаются только по мере необходимости. Эукариотический орга-
низм состоит из множества клеток, но часть генов работает почти во всех
из них, ведь всем клеткам нужно дышать, выводить вредные продукты
обмена и чинить ДНК. Такие активные во всех типах клеток эукариотиче-
ские гены тоже называют генами домашнего хозяйства.
А вот те гены, которые определяют особенности клетки (например,
её специфические функции) называют тканеспецифичными генами. На-
пример, ген белка инсулина, который контролирует количество сахаров
в крови, работает только в клетках поджелудочной железы (рис. 4-4).
Только в кроветворных клетках (и то не во всех, а в тех, из которых обра-
зуются эритроциты) за счёт работы глобиновых генов образуется белок
гемоглобин, который переносит кислород. Только в мышечных клетках
есть особая форма актина, необходимая для сокращения мышечного во-
локна.
Но жизнь каждый из нас начинал одноклеточным зародышем, и все
наши клетки образовались из этой одной клетки. Так в какой момент и по
какой причине в них начали работать разные гены?
ГЕНЫ
ДОМАШНЕГО
ХОЗЯЙСТВА
ТКАНЕ-
СПЕЦИФИЧНЫЕ
ГЕНЫ
Рис. 4-4. Отличие генов домашнего хозяйства от тканеспецифичных генов
99
Судьбу каждой клетки определяют транскрипционные факторы, ге-
ны которых запускаются в нужное время и в нужных клетках в ходе раз-
вития организма. Транскрипционные факторы могут одновременно вклю-
чать или выключать сотни генов, нужных для работы того или иного кле-
точного механизма.
Важно понимать, что у клеток нет ни глаз, ни ушей (и мозгов тоже
нет), а также какого-то общего плана, в котором написано, как строить
организм. Судьба клетки зависит от того, какой из транскрипционных
факторов в ней будет работать. А это, в свою очередь, зависит от усло-
вий, в которых оказывается клетка.
Даже пустяковые на первый взгляд изменения условий жизни кле-
ток могут запустить работу транскрипционного фактора. Например, когда
эмбрион человека представляет собой всего лишь маленький комочек кле-
ток, условия их жизни уже различаются: одни клетки находятся на по-
БЕЛОК-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
BICOID
БЕЛОК-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
HUNCHBACK
эти клетки
будут
головой
эти клеткг
будут
хвостом
Рис. 4-5. Судьбу клетки определяют транскрипционные факторы
100
верхности и контактируют с окружением, а другие расположены внутри
комка. Из-за контактов с окружением в наружных клетках запускаются
гены транскрипционных факторов, направляющих эти клетки по пути
развития плаценты (части будущей пуповины) и других оболочек плода.
А вот в клетках, лежащих внутри эмбриона, запускаются совсем другие
гены: благодаря их работе внутренние клетки дают начало всем органам
и тканям взрослого организма.
Яйца многих насекомых, в отличие от округлых яйцеклеток млекопи-
тающих, вытянуты и по форме напоминают дыню-торпеду. По мере созре-
вания на переднем конце яйца откладывается запас РНК гена бикоид (от
лат. Ы + coid — два + хвост). Чем дальше от полюса, тем меньше бикоида
в цитоплазме. Клетки, которые образуются во время первых делений за-
родыша, будут разными: те, что окажутся ближе к переднему концу, по-
лучат большую порцию бикоида, те, что посередине — поменьше, а тем,
что окажутся ближе к заднему полюсу, бикоид совсем не достанется.
Продукт гена бикоид — транскрипционный фактор, который предо-
пределяет судьбу клетки: только там, где бикоида много, включатся гены,
необходимые для формирования головы. Аналогичным образом определя-
ется то, где будет находиться хвост животного: на противоположном кон-
це яйца, где мало бикоида и много РНК другого транскрипционного факто-
ра под названием ханчбэк (hunchback). А посередине, там, где присутству-
ют оба транскрипционных фактора, сформируются различные сегменты
тела насекомого (рис. 4-5).
Часто клетки специально подают друг другу химические сигналы, ко-
торые запускают в соседях работу нужного транскрипционного фактора.
Такое общение позволяет клеткам синхронизироваться в процессе разви-
тия. К сожалению, клетки весьма доверчивы, а между тем в организме мо-
гут завестись обманщики. Например, многие опухолевые клетки начинают
выделять химические вещества, способствующие включению программы
роста и ветвления в окружающих сосудах (рис. 4-6). За счёт этого опухоль
получает питательные вещества, без которых не смогла бы расти.
ОПУХОЛЬ
СИГНАЛЬНЫЕ
МОЛЕКУЛЫ
КРОВЕНОСНЫЙ
СОСУД
Рис. 4-6. Сигнальные молекулы переключают программу развития в окружающих
клетках
101
........> Практическое задание «АЛГОРИТМЫ ДЛЯ КЛЕТОК»
Следует помнить, что ДНК кодирует информацию, доступную только одной клет-
ке, т. е. ДНК из одной клетки не может напрямую «указывать», что нужно делать
всем соседним клеткам. В обычной ситуации клетка живёт по своей программе и
выполнение тех или иных инструкций зависит только от того, какие сигналы по-
ступают к ней из внешней среды.
Задание 1
На листке бумаги нужно нарисовать в центре одну клетку и далее продолжить ри-
совать, следуя алгоритму:
1) в каждый момент времени делится клетка, которая окружена менее чем тре-
мя клетками (0, 1, 2);
2) направление деления — случайное, новая клетка образуется там, где есть сво-
бодное место (справа, слева, вверху или внизу), и это правило должно строго
соблюдаться.
Каждый участник проводит 5—7 раундов делений. Сравните фигуры, которые
у вас получились. Они очень разные, не правда ли?
Задание 2
Теперь измените в алгоритме пункт 2 на следующий: если рядом только одна
клетка — нужно делиться вправо, если две — нужно делиться вверх, если место
занято — вообще не нужно делиться. Проведите ещё 5—7 раундов деления.
Сравните фигуры, которые у вас получились. Насколько сильно они различаются
теперь?
Задание 3
На основании приведённого выше алгоритма можно составить компьютерные
программы и посмотреть, как добавление правил деления может привести к чёт-
кому формированию определённых фигур. При развитии организма добавляют-
ся ещё правила вроде «если есть вещество 1, то не делись» или «если вещества
2 больше 10 молекул, то начинай выделять вещество 1». Так получаются более
сложные организмы.
Подробнее от этом вы можете прочитать в статье А. В. Маркова, М. А. Маркова
«Процессы самоорганизации в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного
моделирования» в «Журнале общей биологии» (2011, выпуск 5, том 72). А для
того чтобы увидеть всё это своими глазами, нужно найти созданную авторами
статьи игру EvoDevo3D и сыграть в неё. Кстати, исследование самоорганизации
с помощью таких моделей может стать очень интересной проектной работой
в области генетики развития. <
Поскольку развитие целого органа или части тела часто запускают
всего лишь один-два транскрипционных фактора, план развития легко из-
менять, регулируя работу их генов. Например, в ходе эволюции у змей пе-
102
рестал работать ген, ответственный за развитие конечностей, поэтому у них
нет ни рук, ни ног (чтобы подтвердить эту гипотезу, учёные выключили
этот ген у мышей и получили сосискообразных животных с редуцирован-
ными лапами, весьма напоминающих змей).
Недавно мы научились обманывать взрослые клетки, запуская в них
гены, работавшие в клетках эмбриона в самом начале развития. В резуль-
тате работы всего нескольких транскрипционных факторов активируют-
ся сотни тканеспецифичных генов, перепрограммируя взрослую клетку
в эмбриональную. Из таких перепрограммированных клеток, как и из кле-
ток раннего эмбриона, могут получаться любые органы и ткани взрослого
организма. А значит, благодаря достижениям генетики развития мы, воз-
можно, когда-нибудь сможем выращивать новые сердце, печень или поч-
ку, возвращая наши специализированные взрослые клетки в эмбриональ-
ное состояние.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Для формирования любого признака нужна сла-
женная работа большого числа генов, поэтому не бывает одного гена,
отвечающего за какой-то признак. Транскрипционные факторы коор-
динируют работу генов и этим определяют, какой станет клетка в ходе
развития. Изменяя время и место запуска транскрипционных факто-
ров, можно изменять и весь процесс развития, создавая новые формы
и структуры организма.
Алгоритм образования целого организма кажется очень сложным, и любое
нарушение процесса может привести к катастрофическим последствиям. По-
рассуждайте, какие процессы могут стабилизировать работу таких сложных
алгоритмов.
Глава 15
ХРОМОСОМНЫЕ ТАНЦЫ
В КЛЕТКАХ ТЕЛА: МИТОЗ
Митозом называют деление эукариотической клетки, в котором ка-
ждая дочерняя клетка получает генетический материал, идентичный ма-
териалу материнской клетки. Митоз очень похож на балет: артисты-хро-
мосомы делают слаженные движения, выстраиваются в красивые фигу-
ры, а весь сюжет точно воспроизводится в каждом следующем клеточном
делении. И, как это часто бывает в балете, всё выглядит очень красиво,
но смысл действия не всегда понятен. Чтобы понять смысл происходя-
щего, нужно обязательно прочитать либретто — чем мы сейчас и зай-
мёмся.
юз
Главные герои балета под названием «Митоз» — молекулы ДНК.
Впрочем, действие этого балета начинается намного раньше, чем на сцене
появляются хорошо видимые хромосомы. Поэтому правильнее будет ска-
зать, что в клетке повторяется спектакль в четырёх действиях под назва-
нием клеточный цикл, кульминацией которого становится митоз (рис. 4-7).
В первом акте в клетке производятся белки, которые нужны для удвоения
ДНК. Во втором акте происходит репликация. Молекула ДНК удваивается,
при этом две дочерние молекулы остаются лежать рядом друг с другом,
потому что они по всей длине соединены специальными белковыми коль-
Рис. 4-7. Клеточный цикл
104
Рис. 4-8. Окрашенная зелёным на фоне красных остальных хромосом хромосома 10
человека на стадии интерфазы (слева) и метафазы (справа) (фотографии любезно
предоставлены Томасом Кремером из Мюнхенского университета Людвига-
Максимилиана)
цами (их называют когезинами). И это очень важно, так как если бы они
сразу отделились друг от друга, то потом было бы очень трудно разобрать-
ся, где у каждой молекулы пара (чтобы развести их по дочерним клеткам).
Итак, к третьему акту у каждой молекулы ДНК уже есть копия, по-
этому можно начинать подготовку к собственно делению — митозу: синте-
зировать белки, необходимые для клеточного деления. С началом митоза
хромосомы начинают меняться. Они становятся всё более компактными, и
именно в этот момент их можно увидеть в световой микроскоп. Хотя ка-
ждая хромосома в это время состоит из двух молекул ДНК, пока что эти
молекулы тесно соединены по всей длине. Это хорошо видно на рисун-
ке 4-8: ДНК здесь окрашена красным цветом, зелёным же исследователи
окрасили одну выбранную хромосому — хромосому 10.
Зачем же хромосомы изменяются? Как вы уже знаете, общая длина хромо-
сом в клетке человека составляет около 2 м. Представьте себе, что у вас есть не-
сколько длинных тонких верёвок в одном мешке. Если мы начнём вытаскивать
одну верёвку, то она непременно запутается или завяжется в узел с другой ве-
рёвкой. Если таким же образом запутаются хромосомы, то они могут порваться
или просто неправильно разделиться. Чем компактнее хромосомы, тем меньше
шансов, что при разбегании по дочерним клеткам они перепутаются.
Именно поэтому митоз начинается с того, что в хромосоме останав-
ливается транскрипция, многие белки, связанные с ДНК во время интер-
фазы, отваливаются от хромосомы, другие же, наоборот, связываются
105
с ней и участвуют в её упаковке. Хромосома становится меньше и тол-
ще (конденсируется), поэтому в данный момент её хорошо видно в микро-
скоп. Но за это ей приходится заплатить временной остановкой нормаль-
ной работы генов.
Всё это пока происходит внутри ядра. В это время снаружи ядра начинают
свой танец другие участники балета — центриоли. Это структуры, которые
располагаются на противоположных полюсах клетки. От них в сторону хро-
мосом (которые пока в ядре) начинают расти микротрубочки — белковые
трубочки, которые вместе с некоторыми другими структурами формируют
внутренний скелет клетки. По ним, как по рельсам, движутся молекулы и це-
лые органеллы, и, кроме того, они помогают клетке поддерживать и менять
форму. Во время митоза именно микротрубочки будут выполнять работу по
растаскиванию хромосом в разные стороны, для того чтобы сформировать
два отдельно лежащих набора хромосом для дочерних клеток. Микротрубоч-
ки, растущие от полюсов клетки, образуют структуру, по форме похожую на
веретено, поэтому её называют веретено деления.
Вернёмся к хромосомам. У каждой хромосомы есть специальный
участок, к которому будут присоединяться микротрубочки веретена деле-
ния. Этот участок называют центромерой. С этим участком хромосомы
связаны особые белки, к которым могут присоединяться микротрубочки.
Кстати, две молекулы ДНК до сих пор были тесно соединены друг
с другом. Во время конденсации хромосом в начале митоза нити ДНК от-
ходят друг от друга — но только не в центромерной области! Именно по-
этому хромосомы приобретают классическую форму X или V со всеми
переходными формами между ними в зависимости от того, как далеко рас-
полагается центромера от края хромосомы. Х-хромосома похожа на бук-
ву X, потому что у неё центромера посередине (рис. 4-9).
Итак, хромосомы приготовились, веретено деления растёт в сторону
хромосом, но они не могут встретиться, так как хромосомы пока находят-
ся внутри ядра. Наступает момент, когда ядерная оболочка разрушается
и микротрубочки веретена деления дорастают до области, где лежат хро-
мосомы. После этого они прикрепляются к центромерам с противополож-
ных сторон. Веретено деления тянет половинки каждой хромосомы —
хроматиды — в разные стороны, и хромосомы выстраиваются точно по
центру клетки.
Теперь только белки, соединяющие нити ДНК в области центромеры,
не дают половинкам хромосом разойтись в разные стороны, хотя клетка
уже готова их разделить. Отдаётся сигнал, и каждая хромосома, состояв-
шая до сих пор из двух хроматид, разделяется на две отдельные хромосо-
мы, которые микротрубочки тянут в область, где вокруг хромосом будет
106
ЦЕНТРИОЛЬ
ЦЕНТРОМЕР^
ХРОМАТИДЫ
КОЛЬЦА
КОГЕЗИНА
Рис. 4-9. Метафаза митоза
формироваться новое ядро. Центральная плоскость, где ещё недавно рас-
полагались выстроенные хромосомы, будет местом, откуда начнётся деле-
ние цитоплазмы, и в результате вместо одной клетки будут две.
Глядя на препараты, приготовленные, например, из кончика корня
лука, в котором есть делящиеся клетки, легко различить, на каком этапе
митоза находилась каждая клетка. Если, например, мы увидели равно-
мерно окрашенные круглые ядра, то легко догадаться, что это ядра
клеток, которые уже закончили один митоз и ещё не вступили в следую-
щий. Стадию, в которой они находятся, называют интерфазой — фазой
между делениями. Следующая стадия, когда хромосомы уже видно, но
они ещё не выстроились и ядерная оболочка пока на месте, носит назва-
ние профазы. За ней идёт метафаза — стадия, когда хромосомные кре-
стики прикреплены к веретену деления и ждут сигнала разделиться
(ядерной оболочки уже нет). Сигнал к разделению центромер, соединяю-
щих хромосомы-крестики, служит сигналом перехода к анафазе. Если мы
видим симметрично лежащие напротив друг друга половинные хромосо-
мы-галочки, то, значит, клетка уже вступила в анафазу. Если мы видим
два уже сформировавшихся ядра (но клетка пока одна), то это говорит
о наступлении телофазы — последней фазы митоза (см. рис. 4-7).
Чаще всего считают и анализируют хромосомы на стадии метафазы,
так как по форме «крестика» (она зависит от смещения центромеры от
центра хромосомы) легко отличить одну хромосому от другой.
........> Ролевая игра «МИТОЗ»
В классе можно сделать инсценировку клеточного деления. Три-четыре пары ре-
бят будут хроматидами (каждая пара будет иметь свой номер), а ещё двое ребят
могут играть роль центриолей. Бельевую верёвку можно использовать для имита-
ции веретена деления. Ведущий называет фазу митоза, а ребята изображают по-
ведение соответствующих объектов в эту фазу. <
107
Митоз бывает только у эукариот, а у бактерий и архей разделение до-
черних молекул ДНК происходит одновременно с репликацией ДНК. Как
только участок ДНК кишечной палочки реплицируется, специальные бел-
ки тянут дочерние цепи ДНК в противоположные стороны. К тому момен-
ту, когда бактериальная клетка будет делиться пополам, дочерние молеку-
лы ДНК уже будут располагаться на противоположных концах клетки. Всё
это время бактерия продолжает транскрипцию своих генов. Более того,
если у кишечной палочки вокруг очень много еды, она делится очень бы-
стро и может начать следующую репликацию, не закончив предыдущей.
У эукариот же репликация никогда не происходит в момент расхож-
дения хромосом по дочерним клеткам. Более того, во время клеточного де-
ления почти полностью прекращается транскрипция, хромосомы перед
делением становятся очень компактными. Это позволяет гораздо точнее
распределить очень большие эукариотические геномы по дочерним клет-
кам.
.......> Творческое задание «СЪЕДОБНЫЕ МОДЕЛИ МИТОЗА»
Возьмите набор печенья с кремовой начинкой (любой марки). В идеале этот
крем должен быть светлым. Кроме того, выберите посыпки для кондитерских
изделий разных форм и размеров. Ваша задача заключается в том, чтобы сде-
лать модели фаз митоза: печенье с кремовой начинкой может представлять со-
бой клетки, а посыпки — пары хромосом. Также можно использовать для этих
целей мармелад и зефир или же несъедобные материалы — нити, скотч, бусины
и т. д. <
А что происходит с хромосомой после митоза? При наступлении ин-
терфазы хромосомы занимают большую часть объёма ядра, на них со-
бираются многокомпонентные белковые комплексы для транскрипции и
дальнейшего созревания матричных РНК (без участия некодирующих
РНК тоже не обходится). Хромосома принимает такую форму, что актив-
ные гены собираются в одних участках ядра, где есть всё, что необходимо
для транскрипции, неактивные гены — в других участках. В ядре идёт ра-
бота по производству и созреванию миллионов молекул мРНК, а также
транспорту их к ядерным порам, через которые зрелые молекулы мРНК
будут переправляться в цитоплазму для синтеза белков.
В последние годы исследователи разработали методы, позволяющие
покрасить каждую хромосому или даже её отдельные фрагменты в свой
цвет и наблюдать в микроскоп, какую форму она принимает в интерфазе
и в митозе (рис. 4-10). Оказалось, что в интерфазе хромосомы не смеши-
ваются, каждая занимает свою хромосомную территорию. Неактивные ге-
ны прячутся внутри такой территории, лежат очень компактно. Активные
же гены располагаются снаружи и образуют очень рыхлые структуры. Во
время митоза хромосома упаковывается иначе — активные и неактивные
гены петлями укладываются вдоль белковой «оси» хромосомы.
108
АНАФАЗА ИНТЕРФАЗА
Рис. 4-10. Окраска, позволяющая увидеть хромосомы 4, 12 и 19 человека
(фотографии любезно предоставлены Томасом Кремером из Мюнхенского университета
Людвига-Максимилиана)
У развивающегося эмбриона все клетки постоянно делятся, т. е.
в этих клетках за митозом следует интерфаза, а за интерфазой вновь на-
чинается митоз. Большинство же клеток взрослого организма прекращает
митотические деления, после чего у них выключаются все гены, которые
нужны для репликации ДНК. Обычно только после этого клетки приобре-
тают характерную форму и начинают выполнение своих функций.
ПОДВОДЯ итоги. 'лавная задача митоза — точно разделить большой
эукариотический геном по дочерним клеткам. Прежде чем вступить в
митоз, клетка должна удвоить свои молекулы ДНК в процессе реплика-
ции. После репликации хромосомы представлены двумя хроматидами,
соединёнными когезиновыми кольцами. Во время профазы митоза хро-
мосомы становятся компактными и их хорошо видно в микроскоп.
Во время метафазы ядерная оболочка разрушается и к центромерным
районам хромосом с двух противоположных сторон присоединяется ве-
ретено деления. В результате хромосомы выстраиваются в экваториаль-
ной плоскости клетки. Когда с хромосом удаляются последние когезино-
вые кольца, начинается анафаза: хромосома разделяется на две отдель-
ные хроматиды, которые расходятся в противоположных направлениях.
В телофазе вокруг каждого из двух наборов хромосом формируется
и ядерная оболочка, а затем образуются готовые дочерние клетки.
1. Что будет, если связь между хроматидами одной хромосомы нарушится
раньше, чем наступит анафаза митоза, например в профазе или в мета-
фазе?
109
2. К каким последствиям могут привести ошибки при расхождении хромосом
по дочерним клеткам в митозе? Могут ли они повлиять на будущее потом-
ство?
3. Какие главные изменения в клетке позволяют понять, что клетка перешла
из одной стадии клеточного цикла к другой? Что происходит в момент пе-
рехода клетки от профазы к метафазе, от метафазы к анафазе?
Глава 16
ХРОМОСОМНЫЕ ТАНЦЫ
В ПОЛОВЫХ КЛЕТКАХ: МЕЙОЗ
Я исхожу из того, что вы знаете, откуда берутся дети. Всё начина-
ется с оплодотворения, которое, по сути, заключается в слиянии двух по-
ловых клеток — гамет и объединении их геномов. Вы определённо знаете,
что мы с вами диплоидные организмы, т. е. каждая клетка нашего тела со-
держит двойной набор хромосом, и не просто двойной, а парный! Каждая
хромосома в вашем кариотипе, от 1-й до 22-й, не исключая и половые хро-
мосомы, имеет пару. Одна хромосома из каждой пары пришла от матери,
другая — от отца. Следовательно, в половых клетках родителей каждая
хромосома была только в одном экземпляре. Но наши родители ведь тоже
диплоидные организмы (скажите им об этом за завтраком — вдруг они
не знают). Значит, при образовании половых клеток они должны были
«располовинить» свои геномы, и не как-нибудь, а так, чтобы из каждой
пары в каждую половую клетку попала только одна хромосома.
.....> Практическое задание «РАЗДЕЛИ ПОПОЛАМ»
Положите перед собой и перемешайте 23 пары разных объектов. Это могут быть
разноцветные полоски бумаги, небольшие конфеты («M&M’s», «Скитлс») или
дольки мармелада, разноцветные шарики для поделок, бусины и т. д. Ваша зада-
ча — разделить эту большую кучу на две совершенно одинаковые кучки, где каж-
дый парный объект будет в единственном экземпляре. Придумайте алгоритм, как
быстрее всего это сделать. Тот, кто быстрее всех выполнил задание, рассказыва-
ет о своём алгоритме действий. <
Процесс, который обеспечивает расхождение парных хромосом в до-
черние клетки, называют мейозом. Это очень красивый процесс, подоб-
ный танго или даже, скорее, болеро из двух туров (рис. 4-11).
Хромосомы вступают в мейоз, будучи удвоенными, т. е. каждая из
них содержит две двойные спирали ДНК (хроматиды). С этого же начина-
ется и митоз, но в митозе сразу же происходит разделение хроматид,
а вот в мейозе в первую очередь разделяются пары хромосом. Хромосомы
одной пары, которые очень похожи друг на друга (одна от матери, другая
от отца), называют гомологичными. Для того чтобы они разделились по-
ровну, сначала они объединяются в пары (биваленты), а потом расходят-
но
Рис. 4-11. Два тура мейоза
ся к полюсам клетки. Так происходит первое деление мейоза и первый тур
нашего танца.
В самом начале мейоза, когда хромосомы только начинают конденси-
роваться, на них набрасываются специальные ферменты, которые рвут на
куски обе цепи ДНК. Разрезанные фрагменты ДНК начинают ощупывать
хромосомы, лежащие рядом, в поисках комплементарной последователь-
ности: А стремится установить связь с Т, а Г — с Ц. И стоит каждому та-
кому фрагменту найти достаточно длинную комплементарную последова-
тельность, как он сразу образует с ней прочную связь. Конечно, самой
близкой и родной комплементарной последовательностью является тако-
вая из собственной хромосомы, но и гомологичная хромосома тоже очень
похожа по строению.
111
Так наша «порезанная» хромосома может найти гомологичную, выстроив
межхромосомный мостик. Межхромосомные мосты подтягивают парные
хромосомы друг к другу, и они на краткий миг (примерно на пару недель у че-
ловека) становятся действительно парными — лежат бок о бок в ядре поло-
вой клетки. Эта парность укрепляется особыми белками, которые склеивают
^такие хромосомы на короткое время (рис. 4-12).
После этого мостики становятся не нужны и специальные ферменты
начинают их разрушать. Они вновь режут ДНК и немедленно сшивают её.
В большинстве случаев это приводит к почти точному восстановлению ис-
ходных молекул ДНК — отцовской и материнской (рис. 4-12, слева). Но
иногда, не менее одного раза на хромосому, они ошибаются и сшивают ку-
сок материнской хромосомы с куском отцовской (рис. 4-12, справа). В ито-
ге парные хромосомы как бы обмениваются участками.
Рис. 4-12. Молекулярные механизмы тонкого опознавания и рекомбинации
гомологичных хромосом. Красным обозначена ДНК материнской хромосомы, синим —
отцовской, зелёным — ДНК, достроенная в ходе репарации разрывов. Обратите
внимание, что достройка идёт по матрице ДНК гомолога, а не по собственной матрице
112
Рис. 4-13. Схема кроссинговера
Посмотрим, к чему приводит такой обмен участками. Представим,
что на хромосоме находится несколько разных генов — назовём их А, В, С
и D. Каждый из этих генов может иметь нормальную форму (аллель А, В,
С, D) и мутантную (аллель a, b, с, d). Например, если отцовская хромосома
содержит аллели A-B-C-D (такое линейное сочетание аллелей на одной
хромосоме называют гаплотипом), а материнская — гаплотип a-b-c-d, то
обмен в интервале от В до С приведёт к образованию новых сочетаний,
т. е. гаплотипов A-B-c-d и a-b-C-D (рис. 4-13).
Такой обмен участками хромосом называют кроссинговером или пе-
рекрёстом (от англ, crossing over— пересечение).
........> Практическое задание «КРОССИНГОВЕР»
Вам понадобятся по две полоски бумаги двух разных цветов и двух разных раз-
меров (примерно 10 х 2 и 5 х 2 см). У каждого участника должно быть всего во-
семь полосок бумаги. Хромосомы от матери будут из бумаги одного цвета, а от
отца — из бумаги другого цвета.
Изначально в клетке находятся четыре хромосомы — две большие и две малень-
кие разного цвета. На больших хромосомах напишите A-b-c-D-e (на папиной)
и a-B-C-d-e (на маминой), а на маленьких: F-g-H и f-g-h. Ведущий просит
участников начать с синтеза копий ДНК. Они должны взять чистые полоски и для
каждой хромосомы сделать её полную копию, а также соединить полученные ко-
пии центромерой (это может быть скотч или скрепка).
Следующий шаг — поиск гомологичных хромосом. После этого их нужно разло-
жить по парам (в каждой паре будет четыре полоски бумаги).
Теперь нужно провести кроссинговер: на любых двух полосках из одной пары го-
мологичных хромосом сделать разрез между одинаковыми генами, провести об-
мен участков и склеить вновь получившиеся хромосомы.
После этого участники должны понять, разные ли хромосомы у них получились
в результате кроссинговера (в некоторых вариантах разрезания изменения не бу-
дет). Дальше нужно развести пары гомологичных хромосом к полюсам клетки.
Обратите внимание. Центромеры до сих пор держат вместе копии ДНК, хотя они
уже формально могут и не быть копиями. <
113
Как этот обмен влияет на хромосомные танцы в мейозе?
Хромосомный перекрёст оказывается той силой, которая удержива-
ет вместе парные хромосомы, когда другие мостики разрушаются и ухо-
дят их склеивающие белки, а нити веретена начинают тянуть хромосомы
к разным полюсам клетки. Он позволяет парным хромосомам сориентиро-
ваться так, что к каждому полюсу уйдёт всегда только одна хромосома из
пары: одна первая, одна вторая, одна третья и т. д.
При этом материнские и отцовские хромосомы расходятся независи-
мо. Это значит, что каждая хромосома из пары с равной вероятностью
уходит либо к одному полюсу, либо к другому (иными словами, для ка-
ждой из них вероятность уйти к одному из полюсов равна !/2)-
На этом заканчивается первый тур мейоза, и пары хромосом рас-
ходятся в разные клетки. Второй тур мейоза очень сходен с митозом.
Главное отличие в том, что перед вступлением в него ДНК не удваива-
ется, она уже была удвоена, когда клетка вступала в первый тур мейоза.
Во втором туре в каждую дочернюю половую клетку уходит по одной
хроматиде каждой хромосомы. (Вы можете воспроизвести это с хромосо-
мами из задания «Кроссинговер» — во втором делении центромеры раз-
делятся и к полюсам разойдутся нити ДНК.) Когда половые клетки со-
льются при оплодотворении, в зиготе восстановится диплоидный набор
хромосом.
......•> Практическое задание «МАТЕРИНСКИЕ — НАЛЕВО,
ОТЦОВСКИЕ — НАПРАВО»
Представим, что у нас клетка с двумя парами хромосом (возьмите две пары объек-
тов из предыдущего задания). Сделайте на ваших «хромосомах» пометки: 1°, 1м,
2°, 2м. Давайте определим, какова вероятность, что к одному полюсу уйдут мате-
ринские хромосомы из первой пары и из второй пары.
Для этого возьмите две монетки, пометьте их цифрами 1 и 2 (для первой и для
второй пары) и бросайте их одновременно. Если выпадет орёл, то «хромосома»
сдвигается влево, если решка — то вправо. Проведите как минимум 10 опытов,
записывая результат каждого, а потом выведите из своего результата общую за-
кономерность.
На основе этой закономерности вычислите вероятность того, что все материн-
ские хромосомы уйдут к одному полюсу. А теперь вычислите вероятность, что
все материнские хромосомы уйдут к одному полюсу в клетке, где 23 пары хро-
мосом.
Так что же, неужели все эти хлопоты были только для того, чтобы
сократить число хромосом вдвое?! Не только для этого. О том, зачем надо
тасовать аллели и разрушать те их комбинации, которые неплохо срабо-
тали в прошлом поколении, мы поговорим в следующей главе.
114
........> Практическое задание «ТАНЕЦ МЕЙОЗ»
На краю сцены четыре пары танцоров. Каждая пара представляет собой хромо-
сому с двумя хроматидами. 1-я пара — это материнская хромосома № 1 с двумя
хроматидами. Оба партнёра одеты в белое, на рукавах номер 1. 2-я пара — от-
цовская хромосома № 1 с двумя хроматидами: оба в чёрном, на рукавах номер 1.
3-я пара — материнская хромосома № 2, опять же с двумя хроматидами. Они,
как вы уже догадались, одеты в белое, на рукавах у них номер 2. И наконец, 4-я
пара танцоров — это отцовская хромосома № 2, тоже с двумя хроматидами, оба
в белом с номером 2 на рукавах.
1. Бал начинается. Церемониймейстер командует: «Поиск гомологии». Пары
вальсируют по залу, случайно пересекаясь друг с другом, и делают жесты
«дай пять».
2. Церемониймейстер командует: «Образуются биваленты». При сближении пар
с одинаковыми номерами жест «дай пять» замещается рукопожатием, и пары
образуют кольцо из четырёх. Кольца кружатся по залу.
3. Церемониймейстер командует: «Первое деление начинается».
4. Кольца топчутся на месте в центре зала. Невидимые силы влекут пары разных
цветов в разные стороны сцены. Они сначала сопротивляются этому, продол-
жая держаться за руки с гомологами.
5. Церемониймейстер командует: «Гомологи расходятся».
6. Пары разных цветов пятятся в разные стороны сцены, каждая в ту, куда она
была ориентирована.
7. Церемониймейстер командует: «Второй тур».
8. Пары вальсируют, каждая на своей стороне сцены.
9. Церемониймейстер командует: «Второе деление начинается».
10. Пары топчутся на месте в центре своей стороны сцены. Невидимые силы вле-
кут партнёров в разные стороны — назад и вперёд сцены. Они сначала сопро-
тивляются этому, продолжая держать за руки друг друга.
11. Церемониймейстер командует: «Хроматиды расходятся».
12. Партнёры пятятся в разные стороны, каждый в ту, куда он был ориентирован.
13. Церемониймейстер командует: «Мейоз завершён».
14. Поклоны и аплодисменты.
Одна из вариаций этого балета показана здесь https://www.youtube.com/
watch?v=zLhTtVdDhlE <
| ПОДВОДЯ ИТОГИ. Процесс, который обеспечивает расхождение пар-
ных хромосом в дочерние клетки так, чтобы из каждой пары в каждую
половую клетку попала только одна хромосома, называют мейозом.
Главная функция мейоза состоит в том, что он обеспечивает перета-
совку аллелей. Независимое расхождение парных хромосом обеспечи-
вает независимую комбинацию аллелей генов, локализованных на раз-
ных хромосомах, а кроссинговер — перетасовку аллелей внутри каж-
.. дой хромосомы.
115
1, Аллели каких генов будут чаще оказываться на обменивающихся участках
хромосом — те, которые расположены рядом друг с другом, или те, кото-
рые находятся далеко друг от друга?
2. Зависит ли частота кроссинговера от длины хромосомы?
Глава 17
ЗАЧЕМ НУЖНА РЕКОМБИНАЦИЯ
Есть два способа размножения: бесполый и половой. При бесполом
размножении один организм производит как минимум двух потомков. Он
может поделиться надвое или отпочковать от себя много потомков. При
половом размножении два организма должны встретиться и, потратив мно-
го времени и энергии на поиски друг друга, выяснение отношений и наме-
рений, произвести как минимум одного потомка.
На самом деле неважно, сколько потомков производит организм.
Бесполые всё равно произведут вдвое больше, потому они все могут да-
вать потомков, а среди половых организмов на это способны толь-
ко самки, которые составляют всего половину. Из этого следует, что бес-
полое размножение как минимум вдвое эффективнее полового (рис. 4-14).
Давайте проверим, так ли это.
Рис. 4-14. Количество потомков при бесполом и половом размножении
116
.......> Практическое задание «ПОЛОВОЕ И БЕСПОЛОЕ
РАЗМНОЖЕНИЕ»
Пусть у нас есть два острова. На первом поселим пару бессмертных организмов,
которые размножаются делением, т. е. каждый организм каждый месяц делится
надвое. На втором острове поселим пару организмов, которые практикуют поло-
вое размножение: самку и самца, которые через месяц после рождения произво-
дят двух потомков и немедленно с острова улетают, причём для каждого из по-
томков вероятность родиться самкой или самцом — 50 на 50. Острова большие
и вмещают до миллиона особей. Сколько особей будет жить через год на первом
и сколько на втором острове? <
Мало того, что половое размножение вдвое менее эффективно, чем
бесполое, так оно ещё сопряжено со сложностями, возникающими во вре-
мя мейоза: нарезанием ДНК на куски, сшиванием этих кусков, ощупыва-
нием, слиянием и разделением хромосом. И на любом шаге могут возни-
кать фатальные ошибки.
Большая часть биомассы на Земле производится бесполым путём,
прекрасно обходясь без всех этих хлопот. Так размножаются все прокари-
оты и множество простейших, грибов и растений. Есть и животные, кото-
рые размножаются почкованием. Но многие грибы и растения, а также по-
давляющее большинство видов животных (включая и нас, людей) исполь-
зуют половое размножение.
Зачем? В чём состоит преимущество полового размножения, которое
перекрывает его досадно малую эффективность?
Дело в том, что при половом размножении, как правило, рождается
гораздо более разнообразное потомство, чем при бесполом. Дети одной па-
ры родителей оказываются гораздо менее похожими на родителей и друг
на друга, чем клоны бесполых организмов. Все потомки бесполого организ-
ма имеют одни и те же гаплотипы (за исключением редких мутаций),
идентичные тем, что были у их родителя. При половом размножении ро-
дители не просто передают потомкам свои аллели, но также предвари-
тельно их перетасовывают. Собственно, рекомбинация представляет со-
бой тот самый процесс перетасовки аллелей при образовании половых
клеток.
Впрочем, насчёт того, зачем нужна рекомбинация, существует не-
сколько гипотез. Давайте кратко рассмотрим самые основные из них.
Гипотеза 1. Рекомбинация нужна, чтобы очиститься от вредных му-
таций.
Вы помните о том, что мутации возникают постоянно, а носители
очень вредных мутаций погибают быстро. Не очень вредные мутации не
убивают своих носителей, но, накапливаясь одна за другой, они делают ге-
ном организма всё хуже и хуже, поскольку при бесполом размножении
потомки получают все аллели родителя.
117
fi)9
Рис. 4-15. Накопление мутаций при бесполом (а) и половом (б) размножении
Совсем не так обстоят дела у организмов, размножающихся половым
путём. Перетасовка (рекомбинация) аллелей в мейозе приводит к тому,
что одни гаметы оказываются перегружены вредными мутациями, а дру-
гие недогружены или вовсе свободны от них (рис. 4-15). Таким образом,
часть потомков успешно доживёт до следующего размножения (даже
в том случае, если большая часть погибнет).
Гипотеза 2. Рекомбинация нужна, чтобы свести вместе полезные
мутации.
Полезные мутации возникают редко. Предположим, что у нас есть
две группы глухих, медленно ползающих зайцев. В одной группе мутация
приводит к большой прыгучести, но что в ней толку, если зайцы глухие,
т. е. они не слышат, как подкрадывается хищник. В другой группе мута-
ция одаривает зайцев тонким слухом. Но какая в нём польза, если они не
могут убежать от хищника?
При бесполом размножении животные не могут свести эти мутации
вместе, и, например, прыгучим зайцам нужно ждать, когда у кого-то из
них возникнет мутация тонкого слуха. Тогда как зайцам, размножающим-
ся половым путём, достаточно одного скрещивания, чтобы свести эти му-
тации вместе (рис. 4-16).
Гипотеза 3. Рекомбинация нужна для того, чтобы жить в непред-
сказуемом мире.
Вы, может быть, этого ещё не заметили, а я все свои 70 с лишним лет
(когда с огорчением, но больше с радостью) наблюдаю, что мир, в котором
я живу, довольно быстро меняется. Причём никто не может предсказать,
что будет завтра. Одни говорят, что скоро наступит глобальное потепле-
ние, другие пугают похолоданием. Ясно одно: завтра будет не так, как вче-
ра. Соответственно, многое из того, что вчера было полезным, станет зав-
тра вредным — и наоборот.
118
Рис. 4-16. Возникновение новых комбинаций мутаций при бесполом
и половом размножении
Те комбинации аллелей, которые вчера давали очень выигрышные
фенотипы, завтра могут стать в лучшем случае бесполезными, а то и
вредными. И поскольку невозможно предсказать, какие комбинации будут
полезными завтра, то остаётся надеяться на удачу и наудачу рекомбини-
ровать аллели, полученные от родителей. Причём чем больше время сме-
ны поколений, тем выше должен быть уровень рекомбинации. У мыши по-
коления сменяются каждые 4 месяца, у человека время смены поколений
составляет около 25 лет. Мир, в котором живут мышата, не сильно отли-
чается от мира, в котором жили их родители. Мир, в котором живёте вы,
совсем не тот, что был 25 лет назад. Именно поэтому человек — это один
из чемпионов по уровню рекомбинации среди млекопитающих.
ПОДВОДЯ итоги. Толовое размножение в 2 раза менее эффективно,
чем бесполое. Тем не менее абсолютное большинство сложно устроен-
ных эукариот предпочитает половое размножение бесполому, по-види-
мому, потому, что при половом размножении рождается более разно-
образное потомство, чем при бесполом.
119
Для чего, по вашему мнению, нужна рекомбинация?
В ходе дискуссии в классе оцените достоинства и недостатки приведённых
выше гипотез. Найдите в Интернете и в книгах другие гипотезы, предложен-
ные для объяснения того, зачем нужна рекомбинация. Довольно много гипо-
тез описано в книге Мэтта Ридли «Секс и эволюция человеческой природы»
(М., 2011).
Придумайте свои гипотезы. Но помните, что достоинства гипотезы определя-
ются не громким голосом её сторонников, а тем, как она соотносится с уже
известными фактами. Найдите аргументы за и против этих гипотез. Придумай-
те свои эксперименты, которые позволят подтвердить или опровергнуть ту
или иную гипотезу.
Практикум
Работа 4-1. СОЗДАЁМ МУЛЬТФИЛЬМ
ПРО КЛЕТОЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ
Цель работы: закрепить знания стадий митоза и мейоза.
Продумайте и напишите сюжет мультфильма. Решите, какой он будет — рисован-
ный, пластилиновый или созданный с использованием техники перекладывания.
Подумайте о том, какие материалы вам понадобятся для создания мультфильма,
а после сделайте раскадровку (набросок для каждого кадра). Рисуйте или созда-
вайте кадры, фотографируйте их, затем в программе для создания видео распо-
ложите фотографии в правильном порядке (примерно 5 кадров в секунду). При-
думайте интересное озвучивание, сделайте запись и подключите звуковой файл
к созданному видео. Попробуйте сделать ролики в разных стилях (вестерн, ме-
лодрама, мюзикл, триллер).
После можно провести конкурс роликов и определить победителя.
Работа 4-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАДИИ МИТОЗА
Цель работы: научиться распознавать фазы митоза.
Оборудование: микроскоп, предметное и покровные стёкла, препаровальные
иглы, скальпель, фильтровальная бумага, ацетокармин (1—2 г кармина раство-
ряют в 100 мл 45%-ной уксусной кислоты (45 мл ледяной уксусной кислоты
и 55 мл дистиллированной воды)).
Ход работы
Прорастите корешки лука длиной до 8—10 мм. Положите корешок на предмет-
ное стекло. Скальпелем отделите кончик корешка с чехликом, остальное выбро-
120
сите. Размельчите кончик корешка как
можно тщательнее. Капните каплю ацето-
кармина и накройте получившийся препа-
рат покровным стеклом. Накройте покров-
ное стекло двумя слоями фильтровальной
бумаги и несколько раз надавите на по-
кровное стекло (но не слишком сильно). По-
сле изучите получившийся препарат под ми-
кроскопом.
Рис. 4-17. Схематическое
изображение клеток корешка
лука
Примечание: при отсутствии препаратов
или микроскопа воспользуйтесь распеча-
танными рисунками (рис. 4-17).
Рассмотрите препарат. Сделайте схематичные зарисовки клеток, находящихся
в разных стадиях митоза. Отметьте на рисунке характерные особенности, кото-
рые указывают именно на эту стадию.
Работа 4-3. МЕЙОЗ В ПЫЛЬНИКАХ
Цель работы: научиться распознавать фазы мейоза.
Оборудование: спиртовка, микроскоп, предметное и покровные стёкла, препа-
ровальные иглы, скальпель, фильтровальная бумага, ацетокармин (1—2 г кар-
мина растворяют в 100 мл 45%-ной уксусной кислоты (45 мл ледяной уксусной
кислоты и 55 мл дистиллированной воды)).
Ход работы
Найдите нераскрывшиеся бутоны цветков
(в идеале некрупных). Раскройте бутон и
достаньте тычинку. На предметном стекле
отрежьте часть пыльника, выдавите вну-
треннее содержимое, а оболочку удалите.
Для мелких пыльников можно готовить
препарат целиком. Капните каплю ацето-
кармина на пыльник, накройте покров-
ным стеклом, избыток жидкости удалите
фильтровальной бумагой.
Нагрейте препарат над пламенем спиртов-
ки, проведя несколько раз, но не доводите
до кипения. Положите препарат на стол,
накройте фильтровальной бумагой и нада-
вите пальцем, чтобы прижать покровное
стекло к предметному (не раздавите по-
кровное стекло). Исследуйте препарат под
микроскопом, зарисуйте пыльцевые зёрна
на разных стадиях мейоза (рис. 4-18).
Рис. 4-18. Препарат пыльника
пшеницы, окрашенный
ацетокармином.
MI — метафаза I, AI — анафаза I,
TI — телофаза I, ПП — профаза II
(фото О. Г. Силковой)
121
Задача «ОРГАНИЗМ ИЗ ЗИГОТЫ»
Известно, что организм взрослого человека состоит примерно из 1013 клеток
(десять триллионов), которые образуются из одной зиготы. Предположим, что все
потомки зиготы делятся равномерно, один раз в день. Вычислите, через сколько
дней после оплодотворения образуется взрослый организм. Объясните, почему
человеку для развития требуется значительно больше этого времени. <
Что читать
1. Ридли Мэтт. «Секс и эволюция человеческой природы». Из этой книги вы
узнаете, как и зачем возникло половое размножение, в чём его преимуще-
ства и недостатки по сравнению с бесполым, как и почему возникла раздель-
нополость, какую роль в эволюции играют самки и зачем вообще нужны сам-
цы. И наконец, вы узнаете, как правильно (с точки зрения эволюции) нужно
выбирать спутника (спутницу) жизни.
2. Дейвис Джейми. «Онтогенез. От клетки до человека». В книге рассказыва-
ется о том, как разворачивается программа развития человека, записанная
в нашем геноме. Этот процесс сильно отличается от того, как человек созда-
ёт свои творения. Благодаря небольшому числу нехитрых правил организм
буквально собирает себя сам.
3. Циммер Карл. «Она смеётся, как мать. Могущество и причуды наследствен-
ности». Книги рассказывает о том, как гены и хромосомы передаются из по-
коления в поколение и что с ними при этом происходит.
122
Модуль 5
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ
В этом модуле про законы Менделя и определе-
ние пола вам расскажет Татьяна Шнайдер, млад-
ший научный сотрудник сектора геномных меха-
низмов онтогенеза Института цитологии и генетики
СО РАН. Она написала свои главы так эмоциональ-
но, что у редактора не поднялась рука править их,
подводя под поучительный стиль учебника.
ТАТЬЯНА
ШНАЙДЕР
Глава 18
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ:
ОДИН ГЕН — ОДИН ПРИЗНАК
Безусловно, генетика — это наука про нас с вами. Но как показыва-
ет практика, человек как объект генетики весьма неудобный, поскольку
он — животное крупное, размножается не часто и, как правило, вынаши-
вает всего одного ребёнка за одну беременность (хотя встречаются исклю-
чения). Поэтому большого объёма статистических данных тут не набе-
рёшь, а без статистики в генетике ничего не сделаешь.
У каждого ли из вас под рукой прямо
сейчас найдётся грядка, да ещё и с горохом?
Скажу по секрету, не у каждого генетика
она найдётся. Кроме того, одной грядкой
сложно обойтись, тут нужен небольшой ого-
родик, какой был у отца-основателя генети-
ки Грегора Менделя (настоятельно вам реко-
мендуем самостоятельно познакомиться
с его удивительной биографией).
Но вот что у многих людей точно есть
под рукой, так это коты. Именно на приме-
рах братьев наших меньших мы будем зна-
комиться с закономерностями наследования
признаков, которые Грегор Мендель вывел
на горохе!
МЕНАЕ-АЬ
123
Как оформлять схемы скрещивания. Правильно записанная схема скре-*
щивания — половина успеха при решении разных генетических задач. Вот не-
сколько основных рекомендаций:
1. Обозначаем пол: самцы — С?, самки — Q.
2. Скрещивание или гибридизация (у человека — брак) — х.
3. Родительские особи — Р.
4. Гаметы — G (будьте внимательны и расписывайте все гаметы, даже у го-
мозигот, которые производят одинаковые типы гамет).
5. Потомки или гибриды — F, поколение указывается цифрами 1, 2, 3.
Пример: потомки первого поколения — Fv
При составлении генотипов потомков вни-
мательно составляйте все возможные комби-
нации гамет. Для этого удобнее всего пользо-
ваться решёткой Пеннета, где вы вписываете
в небольшую таблицу все гаметы самца и сам-
ки, а на пересечении строк и столбцов
ете все возможные комбинации.
Пример решётки Пеннета
Гаметы самца
Приступим к изучению генетики на примере котиков! Как вы догада-
лись, для начала нам будут нужны как минимум две кошки — самец и
самка. Они будут различаться по одному признаку, например окраске
шерсти. Итак, знакомьтесь: брутальный серый кот Леонид и изысканная
сиамская кошечка Зельда!
Серая окраска шерсти у кошек — доминантный признак, поэтому
обозначим доминантный аллель гена тирозиназы буквой А, а мутантный
рецессивный аллель, отвечающий за формирование сиамской окраски, —
буквой а. Поскольку наша Зельда имеет сиамскую окраску, с уверенно-
стью можно сказать, что она — гомозигота и её генотип аа. Про генотип
Леонида однозначный ответ дать не просто, понятно только то, что, если
он имеет серую окраску, доминантный аллель в его генотипе точно есть.
Но он может оказаться как гомозиготой (АА), так и гетерозиготой (Аа). Од-
нако нам с вами повезло: мы узнали, что наш серый кот — выходец из
благородной потомственной семьи серых котов, где абсолютно все коты
и кошки были серыми. Из этого мы можем предположить, что Леонид —
гомозигота (ЛА).
Теперь давайте запишем схему скрещивания (рис. 5-1).
Как мы видим, от чистой и светлой любви серого Леонида и сиамской
Зельды на свет появились четыре котёнка, все как один похожие на сво-
его серого отца. Так, довольно быстро и весьма неожиданно, мы открыли
первый закон Менделя.
124
Леонидовичи
мммм
Аа Аа Аа Аа
Рис. 5-1. Схема скрещивания Леонида и Зельды
Первый закон Менделя (закон единообразия гибридов первого поко-
ления): при скрещивании двух гомозиготных особей, различающихся по од-
ному наследуемому признаку, потомство первого поколения имеет одинако-
вый фенотип по этому признаку.
.......> Практическое задание «ЕДИНООБРАЗИЕ
ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ»
Для данной работы вам понадобятся мячики (в идеале двух цветов, но необяза-
тельно) для пинг-понга с липучками (похожие на мячики для безопасного дартса,
но липучки надо приклеить так, чтобы можно было любой шарик скрепить с лю-
бым). Можно выполнить это задание и с бумагой, но её придётся склеивать скот-
чем и разрезать ножницами. Можно также использовать неодимовые магниты
разной формы или цвета.
125
Будем исходить из того, что один шарик соответствует одному аллелю. Подпишите J
или как-то обозначьте признаки, которые кодируют данные аллели (например,
аллель А -» серый кот -> цветной шарик, аллель а -> сиамский кот -> белый ша- I
рик). Можно приклеить к шарику серые или белые ниточки для обозначения цвета.
Разделитесь на пары, в каждой паре один из участников получает шарики одного <
цвета, а другой — шарики другого цвета (на каждого желательно выделить 8—10
шариков; если шариков у вас мало, то лучше провести демонстрацию). Пусть |
каждый участник сложит свои шарики попарно (вспомните, что все клетки дипло-
идны и всегда содержат пару хромосом, т. е. пару аллелей). Участники должны
сказать, какого цвета у них получился «кот».
Приступаем к «рождению котят». Каждый участник берёт пару шариков, расце- 1
пляет их и любой из шариков отдаёт соседу, который скрепляет его с оставшим- I
ся у него шариком. Полученных «котят» складывайте отдельно от «родителей», г
Так можно продолжать до тех пор, пока не иссякнут шарики у «родителей». |
Теперь посмотрите, какие «котята» у вас получились. Обсудите, какого цвета они
получились (вспомните про доминантные и рецессивные признаки), и убедитесь, 1
что они все одинаковые. <
Но на этом наши приключения с котами (как и законы Менделя) не
заканчиваются. Далее между собой мы скрещиваем всех Леонидовичей со
всеми Леонидовнами из Fr (рис. 5-2).
Леонидович Леонидовна
Р <7 Аа ? Ла
/ \ / \
А а АО
G
F2 АА Аа Аа аа
Рис. 5-2. Схема скрещивания детей Леонида и Зельды
126
Каждый из этих родителей при мейозе может произвести гаметы
двух типов: первый тип составляют гаметы с доминантным аллелем А,
второй тип — с рецессивным аллелем а. Это приводит к тому, что в дан-
ном скрещивании среди возможных генотипов потомков F2 появляет-
ся гомозигота аа (второе поколение мы считаем относительно Леонида
и Зельды, т. е. это их внуки). В свою очередь, это приводит к тому, что
среди 16 любимых внуков серого Леонида 12 оказались серыми, а 4 —
сиамскими.
В данном случае мы имеем дело с так называемым расщеплением,
когда в потомстве появляются особи, у которых генотипы, а следователь-
но, и фенотипы отличаются от родительских. А теперь внимательно по-
смотрим на цифры: у нас есть 12 серых котят и 4 сиамских. Разделим обе
цифры на 4 и получим соотношение 3 : 1 (серые : сиамские). Это и есть
второй закон Менделя.
1 Второй закон Менделя (закон расщепления): при скрещивании двух ге-
9 терозиготных особей в их потомстве наблюдается расщепление по фенотипу
U1________________________________.
.......> Практическое задание «РАСЩЕПЛЕНИЕ
ВО ВТОРОМ ПОКОЛЕНИИ»
—
Используйте «котят», которых вы получили при выполнении предыдущего зада-
ния, для «скрещивания» между собой. Каждая пара участников распределяет
между собой «котят» поровну и снова начинает обмениваться шариками.
Главное, делать это не глядя, выбор шарика для обмена должен быть случайным.
Посмотрите, какие «котята» у вас получились во втором поколении, и подсчитай-
те, сколько в классе получилось серых, а сколько белых котят. Не всегда это со-
отношение будет точно 3 : 1, так что после окончания «скрещивания» попробуй- *
те обсудить, почему так происходит.
........> Задача «ОКРАСКА КРАКОЗЯБРОВ»
Две похожие по цвету пары удивительно умных кракозябров (кракозябр — пре-
красного небесно-голубого цвета, а кракозябриха — ярко-оранжевого цвета)
произвели потомство. У первой пары половина потомства похожа на маму, а вто-
рая половина — на папу. У второй же пары все кракозябрята — небесно-голубо-
го цвета.
1) Определите характер наследования окраски. Какой из признаков окраски яв-
ляется доминантным?
2) Предположите генотипы родителей и детей.
127
Обратите внимание. При решении задач вам всегда необходимо ввести обозна-
чение аллелей (аа — цвет кракозябра). Если вы знаете, какой аллель доминирует,
обозначьте его прописной буквой (А — голубой), а рецессивный обозначьте
строчной (а — оранжевый). Затем напишите в первой строчке генотипы родите-
лей, а под ними — фенотипы родителей. Во второй строчке запишите гаметы, ко-
торые могут получаться у родителей с такими генотипами. В третьей строчке —
возможные генотипы потомков, под которыми следует подписать фенотипы.
Если у вас есть несколько вариантов генотипов родителей, то стоит написать не-
сколько возможных вариантов скрещивания. <
ПОДВОДЯ итоги. Законы Менделя описывают закономерности пере-
дачи наследственных признаков, т. е. закономерности передачи генов
и их аллелей из поколения в поколение. При скрещивании гомозигот-
ных особей, различающихся по одному наследуемому признаку, появ-
ляется единообразное потомство — гетерозиготы с доминантным при-
знаком. В потомстве, полученном при скрещивании гетерозиготных
особей, наблюдается расщепление по фенотипу 3:1, где три части —
потомки с доминантным признаком, а одна часть — потомки с рецес-
сивным признаком.
1. Исходя из знаний, полученных в предыдущих главах, подумайте, может ли
один признак определяться одним геном.
2. Почему же мы иногда видим наследование, обусловленное одним геном?
Глава 19
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ:
НЕСКОЛЬКО ГЕНОВ —
НЕСКОЛЬКО ПРИЗНАКОВ
Рассматривая первые два закона, мы обращали внимание только
на различия в окраске шерсти у Леонида и Зельды и имели дело с
моногибридным скрещиванием (один изучаемый ген). Но стоило этой
сладкой кошачьей парочке повернуться к нам спиной, мы сразу же заме-
тили ещё один наследственный признак — хвост (вернее, его длину). Ока-
залось, что брутальный Леонид — короткохвостый кот (ВЬ), а изысканная
Зельда — обладательница не менее изысканного, чем она сама, хвоста
нормальной длины (bb). Давайте посмотрим, как будут наследоваться
одновременно эти два признака у их потомства.
Для этого нам нужно записать схему дигибридного скрещивания
(два изучаемых гена), но перед этим стоит вспомнить кое-что из главы 16
про мейоз. Например, то, что во время первого деления мейоза у Леонида
и у Зельды в разные клетки попадает по одной гомологичной хромосоме из
128
Зельда
Леонид
Р d* AABb
/I I
G AB AB Ab Ab
q aabb
* / v*
ab ab ab ab
Леонидовичи
AaBb AaBb Aabb Aabb
Puc. 5-3. Схема дигибридного скрещивания
пары. Ген окраски шерсти располагается у кошек на хромосоме, которую
называют D1, а ген короткохвостости — на хромосоме В2. Это означает,
что эти два гена лежат в разных парах хромосом, и, следовательно, они
будут расходиться по разным гаметам независимо друг от друга (рис. 5-5)!
Мы помним, что в гамету попадает одна из пары гомологичных хро-
мосом. Получается, что и у Леонида, и у Зельды возможны четыре комби-
нации расхождения гомологичных хромосом при образовании гамет. Да,
даже у Зельды их четыре, несмотря на то, что она гомозигота и все её га-
меты выглядят одинаково (ab).
Разобравшись с гаметами, мы смело можем записать схему скрещи-
вания (см. рис. 5-3).
Вы заметили этот удивительный факт? Среди потомков Зельды
и Леонида половина оказались похожи на отца окраской и хвостом, а дру-
гой половине котят досталось по одному признаку от каждого из родите-
лей. Наконец-то что-то и от Зельды передалось её детям! Вот так мы от-
крыли третий закон Менделя.
I Третий закон Менделя (закон независимого наследования): если в ди-
| гибридном скрещивании разные гены находятся в различных парах хромосом,
I то соответствующие признаки наследуются независимо друг от друга.
129
........> Практическое задание «РЕШЁТКА ПЕННЕТА»
Предсказываем наружность потомства драконов. Нарисуем папу и маму, которые
различаются по двум признакам: цвету тела (зелёный — красный) и числу голов
(одна — три). Решим для себя, какой вариант признака доминантный, а какой —
рецессивный. Запишем генотипы так, чтобы носители доминантных вариантов бы-
ли гетерозиготами по этим признакам. Пусть цвет определяется геном А с аллеля-
ми Л и а, а число голов — геном В с аллелями В и Ь. Определим, какие гаметы
произведёт каждый родитель, и запишем их в решётку Пеннета (см. с. 124). Опре-
делим генотипы и фенотипы потомков и узнаем, каким будет расщепление в по-
томстве наших драконов по интересующим нас признакам — цвету тела и числу
голов.
Когда мы это сделаем, усложним задачу. Давайте допустим, что гены А и В
находятся на одной и той же паре хромосом и кроссинговер между ними про-
ходит в одном мейозе из 10. Скрестим дракона, гетерозиготного по обоим ге-
нам (АаВв), с драконихой, гомозиготной по ним (aabb), и рассчитаем, что полу-
чится. <
А теперь рассмотрим противоположную ситуацию, когда два гена
располагаются на одной хромосоме. В таких случаях речь идёт о
сцепленном наследовании. Знаете, благодаря чему брутальный серый
Леонид завоевал сердце изящной сиамской Зельды? Благодаря своим ко-
шачьим серенадам! Кто бы что ни говорил, но даже у кошек дамы любят
ушами. Допустим, что у котов есть ещё ген мяуканья М (мяу). Доминант-
ный аллель М отвечает за мелодичное мяуканье, а его рецессивный ал-
лель т — за хриплое и неразборчивое.
Теперь давайте разберёмся, какие гаметы и сколько их будет произ-
водиться у каждого из них в этом случае (рис. 5-4). Поскольку оба гена
располагаются на одной хромосоме, при расхождении в мейозе гомоло-
гичных хромосом они будут уходить в одну гамету вместе, а не незави-
симо. Особенно хорошо это заметно у Леонида: у него образуется только
два типа гамет: AM и ат.
Однако на рисунке 5-4 мы видим ещё два типа гамет у каждого. От-
куда они взялись? Если мы вспомним информацию из главы 17, то сразу
правильно ответим на этот вопрос — рекомбинация. Из-за того, что гомо-
логичные хромосомы обменялись кусочками, аллели могли поменять своё
положение и оказаться на другой гомологичной хромосоме. Правда, коли-
чество таких рекомбинантных гамет, а значит, и потомков, образованных
из них, будет зависеть от того, насколько далеко друг от друга эти два ге-
на находятся.
Законы наследования, открытые Менделем, не теряют своей акту-
альности и по сей день. Они позволяют предсказывать наследование мно-
гих качественных признаков у человека, животных и растений. Наследо-
130
Леонидовичи
Рис. 5-4. Схема образования гамет при сцепленном наследовании признаков.
Аллели генов, расположенных на разных гомологичных хромосомах, обозначены
разным шрифтом. Гаметы, полученные в результате рекомбинации, обозначены
пунктирными стрелками
вание количественных признаков зависит от тысяч генов, и генетикам
пришлось разработать сложные методы для его анализа. Но и эти методы
базируются на законах Менделя.
ПОДВОДЯ итоги. 'ены, отвечающие за формирование разных при-
знаков, могут располагаться как на одной хромосоме, так и на разных.
Если гены расположены на разных хромосомах, то признаки наследу-
ются независимо: случайное расхождение во время мейоза материн-
ских и отцовских хромосом приводит к образованию гамет, которые
имеют разные комбинации этих генов. Сцепленное наследование при-
знаков наблюдается, если гены расположены на одной хромосоме. По-
явление при сцепленном наследовании потомков, отличающихся от ро-
а дительских особей по фенотипу, возможно в случае рекомбинации.
131
В 1913 г. студент Альфред Стертевант ставил эксперименты по частоте крос-
синговера между разными генами у мушки-дрозофилы. И заметил интерес-
ный факт: частота кроссинговера между генами А и В составляла 5%, между
В и С — 7%, а междуЛ и С — 12%. Какое предположение можно сделать из
данного наблюдения? Попробуйте прийти к догадке Стертеванта.
Глава 20
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА
Встретив на улице случайного человека, каждый из вас в подавляю-
щем большинстве случаев сможет без труда определить, мужчина перед
ним или женщина. Мы действительно довольно сильно различаемся: на-
личие или отсутствие бороды, низкий или высокий голос, особенности
строения фигуры и, конечно же, чувство юмора и умение готовить. Да, так
уж сложилось, что мужчины благодаря половому отбору «воспитали» в
женщинах умение готовить вкусный борщ, а женщины «взрастили» муж-
чин, с которыми приятно похихикать (мальчики и девочки, не благодари-
те, а берите сразу на вооружение).
Но как же происходит определение, кем должен стать конкретный
организм — самцом или самкой? В ходе эволюции у разных живых орга-
низмов выработались свои эффективные стратегии определения пола.
У всех крокодилов и некоторых видов черепах и ящериц пол особи опре-
деляется температурой, при которой происходило её развитие в яйце. Не
напрямую, естественно, а потому, что от температуры зависит активность
генов, вовлечённых в определение пола.
Примеров того, как разнообразные факторы окружающей среды
влияют на определение пола у разных живых организмов, достаточно
много. Но случаев, когда пол у живых существ определяется отсутствием
или наличием определённого генетического фактора, тоже не мало. Так
происходит, например, у нас.
Следует заметить, что у человека (как и у всех млекопитающих) пол
определяется в тот самый момент, когда сперматозоид-победитель опло-
дотворяет яйцеклетку, т. е. уже на стадии одноклеточного эмбриона (зиго-
ты). Пол ребёнка зависит от состава 23-й пары хромосом, которые назы-
вают половыми (хромосомы из остальных 22 пар называют аутосомами).
У женщин присутствуют две Х-хромосомы (генотип XX), а у мужчин на-
бор половых хромосом представлен одной Х-хромосомой и непарной
У-хромосомой (генотип XY).
Система определения пола с помощью хромосом XY — не единствен-
но возможная. У птиц, а также у некоторых рептилий, рыб и бабочек
встречаются другие половые хромосомы, которые называются W и Z.
Принципиальное различие этих двух систем заключается в том, какой пол
является гетерогаметным (наличие в клетках двух разных половых хро-
мосом), а какой — гомогаметным (наличие в клетках двух одинаковых по-
132
XY XX
ГЕНОТИПЫ
ZZ ZW
ГЕНОТИПЫ
Рис. 5-5. Половые хромосомы у людей (слева), а также птиц,
бабочек и некоторых змей (справа)
ловых хромосом). У людей же, как и у всех остальных «приверженцев»
ХУ-системы, гомогаметный пол — это самки (XX), а гетерогаметный —
самцы (ХУ). Птицы, некоторые змеи и бабочки распределили «обязанно-
сти» наоборот — у них гомогаметны самцы (ZZ), а самки гетерогаметны
(ZW) (рис. 5-5).
Давайте чуть подробнее поговорим о хромосомах X и У. Общее число
генов Х-хромосомы составляет больше 1500 тыс., что достаточно много по
меркам генома человека. Гены, расположенные на этой хромосоме, важны как
для мужчин, так и для женщин. У-хромосома гораздо меньше по размеру, и
на ней находится всего 231 ген, большинство из которых участвует в форми-
ровании признаков, характерных для мужского пола. Среди них есть самый
важный ген-включатель, который называется SRY (от англ. Sex-determining
Region У — «участок У-хромосомы, определяющий пол»). Именно он запу-
скает всю программу развития по мужскому типу.
Но если в Х-хромосоме человека 1500 тыс. генов, в У-хромосоме —
всего 231 ген, то у женщин (XX) оказывается гораздо больше генов, чем у
мужчин (ХУ). У других видов с хромосомным определением пола тот же
перекос (извините, дисбаланс).
Разные виды животных научились решать проблему этого дисбалан-
са по-разному. У большинства самок млекопитающих в процессе эволю-
ции нашлось изящное решение — инактивация одной Х-хромосомы.
Суть этого процесса заключается в следующем: в каждой клетке одна из
Х-хромосом упаковывается в специальный молекулярный чехол, после
чего расположенные на ней гены перестают работать. В результате гены,
локализованные в Х-хромосоме, производят примерно одинаковое коли-
чество белков у самцов и у самок.
133
КЛЕТКИ ТЕЛА
Рис. 5-6. Окраска трёхцветных кошек обусловлена Х-инактивацией
Следы такой инактивации может обнаружить в своих клетках каждая пред-
ставительница прекрасного пола: в интерфазных ядрах соматических клеток
неактивная Х-хромосома представляет собой небольшую плотную структуру,
получившую название тельце Барра.
Для того чтобы убедиться в этом, нам понадобится микроскоп и препа-
рат, а они не всегда находятся под рукой даже у генетиков. Зато часто под
рукой (и не только у генетиков) оказываются кошки. Правда, для наблюде-
ния за Х-инактивацией понадобятся не обычные кошки, а трёхцветные.
Сразу стоит сказать, что ген, отвечающий за развитие белой окра-
ски, никак не связан с половыми хромосомами. А вот рыжий и чёрный
цвет шерсти зависит от гена В, расположенного на Х-хромосоме (Xs —
рыжая окраска, Хь — чёрная). Получается, что у гетерозиготных кошек
ХВХЬ рыжий и чёрный цвет пятен на шерсти будет соответствовать ак-
тивной Х-хромосоме, которая не убрана в молекулярный чехол, а стара-
тельно работает (рис. 5-6).
........> Практическое задание «ДЕДУШКА У ПЧЁЛ»
Нечто похожее на сценарий индийского фильма с крутыми поворотами сюжетов
и неожиданным установлением отцовства или материнства можно обнаружить
у пчёл: сыновья, у которых есть дедушки, но нет отцов! Подумайте, как такое воз-
можно. Для этого вам надо найти информацию о том, как определяется пол
у пчёл. <
134
.......> Практическое задание «НАСЛЕДОВАНИЕ,
СЦЕПЛЕННОЕ С ПОЛОМ»
Для этой работы вам понадобятся разноцветные полоски бумаги (1 х 5—10 см),
которые будут моделировать хромосомы, и конверты. Принцип задания похож на
таковой в задании «Единообразие первого поколения» (с. 125).
На одном конверте сделайте рисунок или фотографию женщины, после чего по-
ложите в этот конверт две одинаковые большие полоски бумаги. На другом кон-
верте сделайте рисунок или фотографию мужчины и положите туда одну боль-
шую и одну маленькую полоску бумаги. Полоски бумаги должны быть одного
цвета, они символизируют половые хромосомы: большая полоска — это Х-хро-
мосома, а маленькая — это У-хромосома. На некоторых Х-хромосомах напиши-
те названия заболеваний, к которым приводят мутации в генах, находящихся
в Х-хромосоме, например дальтонизм или гемофилия типа А.
Раздайте конверты участникам — на каждую парту одну «женщину» и одного
«мужчину». В первую очередь пусть школьники посмотрят на хромосомы и опре-
делят, болеет ли их объект или нет (предложенные заболевания рецессивны).
Затем случайным образом каждый участник должен достать одну из хромосом
и определить, какой получился ребёнок у их «пары»: девочка или мальчик, боль-
ной, здоровый или носитель.
Повторите эту операцию несколько раз, после чего сделайте вывод — какие де-
ти могут получиться у предложенной пары «мужчина—женщина».
Обратите внимание! Вы можете значительно усложнить данное задание, доба-
вив в конверты разные аутосомы. <
ПОДВОДЯ итоги. Зсе хромосомы делят на две группы: аутосомы
и половые хромосомы. Последние служат одним из ключевых факторов
в генетическом определении пола — сложном биологическом процессе,
в ходе которого будущий организм приобретает половые характеристи-
ки. У человека и других млекопитающих хромосомная система опреде-
ления пола XX (самки)/ХУ (самцы). Большинство генов, расположен-
ных на Х-хромосоме, важно для жизнедеятельности обоих полов. Сре-
ди самцов не бывает гетерозигот по генам Х-хромосом, поскольку у них
имеется только один аллель каждого из этих генов. Инактивация Х-хро-
мосомы у самок млекопитающих позволяет компенсировать избыточ-
и ную продукцию белков с половых хромосом.
Подумайте, могут ли существовать трёхцветные коты, и если да, то в каком
случае. Дадим вам подсказку: могут, но очень-очень редко.
135
Л Практикум < -----1
Работа 5-1. ГРУППЫ КРОВИ И ИХ ПРИКЛЮЧЕНИЯ
До этого мы в основном говорили про кошек, а сейчас поговорим про каждого из
нас. Знаете ли вы, сколько систем групп крови выявлено у человека? Целых 36!
Когда речь идёт о системах групп крови, то под ними мы подразумеваем опреде-
лённые характеристики особых клеток крови — эритроцитов. Их основная зада-
ча — переносить кислород и углекислый газ внутри нашего организма.
Если посмотреть на фотографию эритроцита, то можно увидеть, что его поверх-
ность совершенно гладкая, но это впечатление обманчиво. На поверхности этих
клеток находится огромный «газон» из самых разных молекул. Там есть белки
и углеводы, которые выполняют важные функции, правда, некоторые из них до
сих пор не изучены.
Многие из этих молекул у людей одинаковые, но некоторые довольно сильно раз-
личаются. Как оказалось, эти различия критичны: например, если перелить кровь
одного человека другому, у которого эти молекулы другие, то иммунная система
незамедлительно отреагирует на это. Эритроциты-чужестранцы могут просто на-
чать «склеиваться» (агглютинировать) друг с другом при помощи специальных
белков иммунной системы, а это приведёт к тому, что они не смогут эффективно
выполнять свою работу в организме (через тонкие капилляры могут проходить
только единичные эритроциты, а группа этих клеток там просто застрянет).
Таким образом, во время переливания крови от человека к человеку необходи-
мо учитывать подобные различия в составе молекул на мембранах эритроцитов,
т. е. учитывать различия в группах крови людей. Самая известная и, пожалуй, са-
мая важная — это система АВО, которая была разработана в 1900 г.
Система АВО учитывает то, что в геноме человека существуют три аллеля: г°, 1А
и 1В. Чем же они занимаются? Ферменты, информация о строении которых зако-
дирована в этих аллелях, прикрепляют на специальные белки небольшие моле-
кулы сахаров, причём эти сахара между собой немного различаются. Аллель 1А
отвечает за присоединение сахара А, а аллель 1В — сахара В. И только аллель
г° не кодирует никакой фермент. Но самое удивительное, что внутри этой малень-
кой группы аллелей наблюдаются необычные взаимоотношения, которые назы-
вают кодоминированием. Что такое доминирование, вы уже знаете, но вот
с приставкой «ко» мы познакомимся сейчас. Эта приставка означает совместное
или общее участие в формировании чего-либо (в нашем случае — фенотипа).
Получается, что аллели 1А и 1В доминируют вместе? Именно так и происходит.
Когда аллели одного гена не могут поделить «господство», то они одновременно
проявляются в фенотипе. В случае групп крови аллели 1А и 1В кодоминируют по
отношению друг к другу, и при этом аллель i° рецессивен по отношению к пароч-
ке доминантов, т. е. он не принимает участия в кодоминировании.
Зная всё это, давайте теперь посмотрим, какие комбинации аллелей и какие фе-
нотипы получаются при сочетании различных аллелей (рис. 5-7).
Материалы и оборудование: карточки с рисунками реакций агглютинации с сы-
воротками для разных групп крови (рис. 5-8).
136
i° i° IAIA P P IA P
IAi° Pi°
Puc. 5-7. Группы крови и генотипы системы ЛВО человека
Цель работы: научиться определять
группу крови с помощью сывороток.
Ход работы
1. Участники должны рассказать
о способе определения группы
крови с помощью сывороток или
цоликлонов (информацию об
этом можно найти в Интернете).
2. На каждую парту нужно положить
набор карточек с рисунками ре-
акций агглютинации с сыворот-
ками для разных групп крови.
3. Участники должны определить,
какая группа крови использова-
лась для эксперимента на каж-
дой карточке.
4. В заключение необходимо сде-
лать вывод о группе крови и за-
писать этот вывод, а также его
обоснование в тетрадь.
Для закрепления материала предла-
гаем вам решить следующую задачу.
Рис. 5-8. Примеры карточек
с изображением определения
групп крови методом сывороток
Задача «Чей ребёнок?»
В одном роддоме с разницей в два часа на свет появились два малыша. У одно-
го из них оказалась I группа крови, а у другого — IV. Из-за случайного стечения
обстоятельств малышей перепутали. Сотрудники роддома решили не делать гене-
тический анализ, а для начала узнать группы крови всех четырёх родителей.
В итоге получилось, что в первой паре мама обладала III группой крови, а па-
па — II. Во второй паре мама была с I группой крови, а папа — с III.
Как вы думаете, удалось ли сотрудникам роддома устранить ошибку, зная только
группы крови родителей и малышей? Какой паре родителей вернули какого ма-
лыша?
137
ЗАДАЧИ
Задача 1. Чёрного кота скрещивали с серыми кошками. Все котята перво-
го поколения были серыми. Во втором поколении получено 17 серых котов
и 15 серых кошек, а также 6 чёрных котов и 5 чёрных кошек. Как наследует-
ся чёрная окраска? Запишите генотипы родителей.
Задача 2. Из Кошковской области запрещён вывоз кошковских рексов. Как,
не нарушая этого запрета, получить рецессивный аллель ге в распоряжение
Новосибирского клуба фелинологов им. Г. И. Котовского?
Задача 3. Сиамская кошка от скрещивания с неизвестным котом принесла
3 сиамских и 3 серых потомка. Определите генотип и фенотип их отца.
I Задача 4. При скрещивании бесхвостого кота с бесхвостой кошкой получено
8 бесхвостых и 4 хвостатых потомка. Определите генотипы родителей. Объяс-
ните причины отклонения от менделевского расщепления. Каким будет по-
томство от скрещивания бесхвостого кота и хвостатой кошки? Какие помёты
будут более многочисленными?
Задача 5. Черепаховая длинношёрстная кошка родила от неизвестного кота
четверых котят: серого короткошёрстного котёнка, черепаховую длинношёр-
стную кошечку, рыжего короткошёрстного котёнка и серую длинношёрстную
кошечку. Признак «короткая шерсть» доминантный. Определите генотип отца
котят.
Задача 6. Селекционер мечтает получить длинношёрстную породу кошек си-
амской окраски. У него в распоряжении есть сиамская короткошёрстная кош-
ка и белый длинношёрстный кот Уильберфорс. Известно, что белая окраска
доминирует над любой другой. Какие скрещивания селекционер должен по-
ставить, чтобы получить то, что хочет?
Что читать
1. Бородин Павел. «Кошки и гены». Почему о генетике в учебниках чаще всего
пишут про горох или дрозофил, когда есть такие милые создания, как коты?
Если вы любите кошек и вам интересно узнать побольше о законах генетики,
то эта книга для вас. Уверяем вас, вы посмотрите новым взглядом на шерсть
и окраску всех кошачьих, а также узнаете историю возникновения кошачьих
и их расселения по нашей планете.
2. Ридли Мэтт. «Геном: автобиография вида в 23 главах». Прочитав эту книгу,
вы лучше узнаете, как связаны между собой нуклеотидные последовательно-
сти генов и признаки человека. Очень увлекательно рассказано об истории
раскрытия тайн некоторых генетических заболеваний, особенно о болезни
Хантингтона, которая проявляется в возрасте 40—50 лет. Сейчас можно
предсказать, заболеет ли человек этой болезнью, но далеко не все люди хо-
тели бы знать об этом. Прочитайте — и вы задумаетесь над смыслом жизни.
А ещё вы узнаете, почему карий цвет глаз ассоциирован с умением пользо-
ваться палочками для еды и как женские гены «выживают» из генома муж-
ские и наоборот.
138
Модуль 6
ГЕНЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ:
КАК УВИДЕТЬ ЭВОЛЮЦИЮ
Эволюция не закончилась во времена дино-
завров. Мы можем наблюдать процесс эволю-
ции, регистрируя изменения частот аллелей в
популяциях.
О том, как и зачем это делать, расскажу вам
я, Павел Бородин, редактор этой книги. Я уже
40 лет объясняю своим студентам, что такое
эволюция. Расскажу теперь и вам.
Глава 21
ГЕНЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ:
ВЕЛИКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Благодаря законам Менделя мы знаем, как предсказать фенотипы по-
томков в каждой конкретной семье. А можем ли мы предсказать, как будет
выглядеть население (популяция) нашей деревни, города или даже целой
страны в следующем поколении или через тысячу лет? Сколько в нашем
городе будет рыжих, а сколько блондинок? Кого наши внуки будут чаще
встречать на улицах — голубоглазых или кареглазых людей? Такого рода
анализом занимается наука под названием популяционная генетика. Она
изучает частоты аллелей в популяциях и на основании этих данных рекон-
струирует прошлое этих популяций и пытается предсказать их будущее.
Давайте посмотрим, как популяционные генетики это делают, а по-
том попробуем сделать это сами. Для начала введём определение.
Популяция — это группа особей одного вида, населяющих определённую
территорию в течение нескольких поколений.
Территории популяций одного вида могут перекрываться, но скре-
щивания между особями из разных популяций происходят гораздо реже,
чем между особями из одной популяции. Это определение подходит для
всех организмов, практикующих половое размножение.
139
ЧЁРНЫЕ
ВВ
СИВОДУШКИ
вь
РЫЖИЕ
ьь
Рис. 6-1. Лисицы разных окрасок и их генотипы
Изучением человеческих популяций мы займёмся в конце книги, а
пока потренируемся на лисицах.
В природных популяциях лисиц встречаются животные разной окра-
ски: рыжие, чёрные и так называемые сиводушки (рис. 6-1). Мы знаем,
как эти окраски наследуются. Чёрные — это гомозиготы ВВ, рыжие — го-
мозиготы ЬЬ, а сиводушки — это гетерозиготы ВЬ. Мы знаем механизм на-
следования окраски лисиц, потому что уже более 100 лет их разводят
в неволе ради красивого меха.
Но до того как лисиц начали разводить в неволе, охотники добывали
их в природе. Промысел лисиц и других пушных зверей был главным
источником дохода Российско-Американской компании, которая с конца
XVIII до середины XIX в. базировалась на Аляске и Алеутских островах.
Кругосветные экспедиции великих русских мореплавателей И. Ф. Крузен-
штерна и Ю. Ф. Лисянского, а также М. П. Лазарева и О. Е. Коцебу, о кото-
рых вы узнали на уроках географии, имели целью посещение колоний этой
компании. И кстати, граф Н. П. Резанов, о котором вы знаете из поэмы
Андрея Вознесенского «Юнона и Авось» и одноимённой рок-оперы, совер-
шил своё почти кругосветное путешествие не ради знакомства с прекрас-
ной Кончитой Аргуэльо, а для ревизии дел Российско-Американской ком-
пании, в правлении которой он состоял.
Что же увидел граф Резанов, приплыв два века назад на остров Сит-
ха (ныне остров Баранова)? Скорее всего, первым делом он увидел бухгал-
терские книги, в которых подробно было записано, сколько каждой охот-
ничьей артелью было добыто лисиц за каждый год. И не общей суммой,
а с раскладкой по генотипам: сколько рыжих, сколько чёрных и сколько
сиводушек.
Но зачем нужно было всё так подробно записывать? Затем, что за од-
ну чёрную лисицу охотнику выдавали «одно одеяло и, смотря по доброте,
прибавляли табаку». Такое же одно одеяло давали не за одну, а за две си-
водушки и без всякого табака. А за одну рыжую лисицу охотник получал
всего-то семь с половиной аршин ситца. В рублях это было 6, 4 и 2 соот-
ветственно (рис. 6-2).
140
Рис. 6-2. Разница в стоимости шкур лисиц разной окраски
Если мы откроем отчёт компании за 1824 г., то прочитаем следую-
щее: «...на острове Уналашка добыто чёрных — 10, сиводушек — 69, ры-
жих лисиц — 70». Зная механизмы наследования окраски и допустив, что
добыча была не избирательной (лисиц ловили капканами вне зависимости
от их окраски), мы можем на основе численности лисиц каждого генотипа
в этой выборке оценить частоты аллелей В и b в популяции лисиц остро-
ва Уналашка.
Поскольку каждая особь имела по два аллеля (одинаковых или раз-
ных), а общее число обоих аллелей равно удвоенному числу особей в вы-
борке, то частота аллеля В, обозначаемая р(В), будет равна:
= 2ВВ + ВЬ
Р( ’ 2(ВВ + Bb + bb)
Каждая чернобурая лисица (ВВ) имела два аллеля В, сиводуш-
ка (ВЬ) — один аллель В и один Ь, красные лисицы (bb) имели два аллеля
Ъ.
По этой формуле мы можем рассчитать частоту аллеля В на Уна-
лашке:
- 2-10 + 69 _ п 9
) 2 • (10 + 69 + 70) 0,3
По той же формуле мы сможем рассчитать частоту аллеля Ь, т. е.
q(b), и получить q(b) = 0,7. В том, что сумма частот аллелей равна едини-
це, нет ничего удивительного, поскольку в популяции всего два аллеля.
Итак, мы определили частоты аллелей окраски в популяции лисиц, насе-
лявших остров Уналашка в 1824 г.
141
МАТЕРИ
ВВ Bb bb
-Й -Й
р(В) = 0,3 q(b) = 0,7
ПОТОМКИ
Рис. 6-3. Частоты аллелей в популяции родителей определяют частоты генотипов
и фенотипов в популяции потомков
Давайте попробуем предсказать, сколько каких лисиц должно было
родиться через год на острове Уналашка от скрещивания непойманных в
1824 г. лисиц. Но что мы в данном случае подразумеваем под скрещивани-
ем? Будем считать, что скрещивание у лисиц, как и у всех размножаю-
щихся половым путём организмов, если отвлечься от обнюхиваний и дру-
гих брачных ритуалов, сводится к слиянию гамет.
Очевидно, что частоты гамет, несущих тот или иной аллель, равны
частотам этих аллелей в популяции, которые мы только что вычислили.
Мы знаем, что браки у лисиц заключаются безотносительно к их окраске,
или, иными словами, сперматозоид не выбирает яйцеклетку, а оплодотво-
ряет первую попавшуюся. В таком случае вероятность образования тех
или иных зигот равна произведению частот этих гамет (сперматозоидов и
яйцеклеток) {рис. 6-3).
........> Это соотношение можно выразить в общем виде:
[р(В) + q(b)} х [р(В) + <?(£>)] = р2(ВВ) + 2pq(Bb) + q2{bb),
vp,e в левой части уравнения — частоты аллелей в пуле сперматозоидов и яйце-
клеток, а в правой — частоты генотипов потомков. <
142
По именам учёных, которые вывели это соотношение, оно было на-
звано уравнением Харди—Вайнберга.
Это уравнение базируется на двух следствиях законов Менделя:
1) гомозиготы производят гаметы, несущие только один аллель;
2) гетерозиготы производят гаметы, несущие тот или иной аллель,
в равных количествах.
Кроме того, в основе этого уравнения лежит допущение, что гаметы
встречаются случайно, т. е. браки в популяции заключаются безотноси-
тельно к тому признаку, который мы анализируем.
.......> Практическое задание «ЧАСТОТЫ АЛЛЕЛЕЙ,
ГЕНОТИПОВ И ФЕНОТИПОВ»
Для данного задания вам потребуются два непрозрачных мешка и два набора
шашек (можно использовать любые другие предметы одинакового размера, двух
цветов, которые можно ставить друг на друга, — фишки, монеты, кубики). Два
экспериментатора загружают шашки в два разных мешка, которые моделируют
два набора гамет. Чёрные шашки обозначают гаметы, несущие доминантный ал-
лель, белые — рецессивный.
Одновременно вслепую вынимая шашки из мешков по одной, исследователи
должны составить диплоидные организмы (из двух шашек, при этом доминантная
должна быть сверху). Затем им необходимо подсчитать частоту встречаемости
фенотипов (только верхние шашки), генотипов (гомозигот обоих классов и гете-
розигот) и аллелей.
Сравните полученные результаты в последовательных экспериментах. Сделайте
вывод: может ли при одинаковой частоте встречаемости аллелей быть разная ча-
стота встречаемости фенотипов?
Затем перегруппируйте шашки так, чтобы у кого-то было больше белых, у ко-
го-то больше чёрных шашек, и повторите подсчёт. Обсудите, всегда ли носители
доминантного признака чаще встречаются в популяции. <
Из уравнения Харди—Вайнберга следует, что частоты аллелей и генотипов
в популяции остаются неизменными из поколения в поколение (из века в век)
при соблюдении следующих условий:
1) популяция достаточно многочисленна;
2) один аллель не мутирует в другой;
3) браки в популяции заключаются безотносительно к генотипам брачую-
щихся;
4) нет существенного притока мигрантов из популяций, имеющих иные ча-
стоты аллелей;
5) на признак, контролируемый данным геном, не действует естественный
(или искусственный) отбор.
143
Популяции, в которых выполняются все эти условия, называют иде-
альными или равновесными.
Обратите внимание, что для дочерней популяции лисиц острова Уна-
лашка мы получили по уравнению Харди—Вайнберга почти то же соотно-
шение генотипов, какое было в родительской популяции: 7% ВВ, 46% Bb
и 47% bb. Небольшие отклонения в 2—3% можно объяснить ошибкой вы-
борки.
Более того, если перечисленные выше условия справедливы для на-
шей популяции лисиц, то и сейчас, через два века после того, как первые
данные о её генотипах были занесены в бухгалтерские книги Россий-
ско-Американской компании, в ней сохраняются те же частоты аллелей
и те же соотношения генотипов, которые были в 1824 г. И даже через ты-
сячу лет они не изменятся.
Что же происходит, когда эти условия нарушаются? Об этом мы по-
говорим в следующей главе.
.......> Задача «ГЕТЕРОЗИГОТНОСТЬ»
Задание 1. В популяции существуют только два аллеля одного гена, Айа.
Постройте график зависимости частоты гетерозигот Аа от q(a) (частоты алле-
ля а). Для этого рассчитайте значения частоты гетерозигот в точках q от О
до 1 с шагом 0,1. При каком q наблюдается максимальное значение частоты
гетерозигот?
Задание 2. Пусть в популяции имеется п аллелей некоего гена и известно, что ча-
стоты аллелей будут одинаковы. Какую долю в популяции будут занимать гетеро-
зиготные особи? <
ПОДВОДЯ итоги. Многочисленные изолированные популяции, в ко-
торых скрещивания между особями равновероятны и приспособлен-
ность особей одинакова, называют равновесными. В таких популяциях
частоты генотипов однозначно определяются частотами аллелей соглас-
но уравнению Харди—Вайнберга и не меняются из поколения в поко-
и ление.
1. Мы разобрали пример промежуточного наследования, когда все три гено-
типа по-разному проявляются в фенотипах. Какими должны быть соотно-
шения фенотипов при полном доминировании?
2. Можно ли, зная частоту рецессивных гомозигот, определить частоту алле-
лей в равновесной популяции и долю гетерозигот?
144
Глава 22
ПОПУЛЯЦИИ МЕНЯЮТСЯ:
ЧИСЛЕННОСТЬ, МИГРАЦИЯ
И ВЫБОР СУПРУГА
В предыдущей главе мы ввели несколько условий, при которых по-
пуляция находится в равновесии. Именно в этом случае в ней:
1) частота аллелей остаётся постоянной в ряду поколений;
2) в каждом поколении соотношение частот генотипов соответствует
уравнению Харди—Вайнберга.
Если одно или несколько условий нарушаются, популяция выходит
из состояния равновесия. Когда это происходит, то мы сразу замечаем не-
соответствие между наблюдаемыми частотами генотипов и ожидаемыми
по уравнению Харди—Вайнберга, и частота аллелей начинает меняться в
ряду поколений.
Первое условие равновесия — большая численность популяции. При
этом условии лучше всего срабатывают статистические закономерности,
на которых базируется уравнение. Мы с вами уже говорили (модуль 5)
о том, что чем больше число потомков, тем ближе к ожидаемому 3 : 1 ока-
зывается расщепление в потомстве от скрещивания гетерозигот. Если же
потомков немного, то в силу случайных причин наблюдаемое расщепление
может отличаться от того, которое должно быть по закону Менделя.
Представим такую ситуацию: на весенний лёд острова Уналашка вы-
бегает пара лисиц — самец гонится за самкой. Раздаётся громкий треск,
льдина откалывается, и её несёт в море. Поскольку наиболее часто встре-
чались на этом острове сиводушки и рыжие лисицы, то, скорее всего, они
случайно оказались на этой льдине: например, оба рыжие. Льдину приби-
вает течением к необитаемому острову, лисицы сходят на берег и размно-
жаются. Какова частота аллеля b в этой популяции? Верно, 100%. И она
будет оставаться такой из поколения в поколение, пока в ней не возникнет
мутация, в результате которой b превратится в В, или пока на остров не
приплывёт отважная сиводушка или отчаянный чёрный лис, которые
принесут в популяцию аллель В.
Это явление, т. е. различие в частотах аллелей между родительской
и дочерней популяциями, обусловленное малым числом основателей, на-
зывают эффектом основателя (рис. 6-4).
Эффект основателя представляет собой частный случай более обще-
го явления, которое известно как дрейф генов.
Дрейфом генов называют случайные, ненаправленные изменения частот
I аллелей в популяциях. В результате дрейфа генов происходит уменьшение ге-
I нетического разнообразия внутри популяций и соответственно усиливаются
I различия между соседними популяциями.
145
Рис. 6-4. Эффект основателя
Чем меньше популяция, тем большую роль в её истории играют слу-
чайные события и тем сильнее выражается эффект дрейфа генов. Резкие
падения численности приводят к сильным изменениям частот аллелей,
а когда численность восстанавливается, в популяции сохраняются и под-
держиваются (согласно закону Харди—Вайнберга) именно те частоты ал-
лелей, которые сложились в момент минимальной численности (рис. 6-5).
146
Рис. 6-5. Эффект бутылочного горлышка
Изменение частот аллелей из-за резких колебаний численности на-
зывают эффектом бутылочного горлышка. Этот эффект является ещё
одним частным случаем дрейфа генов. Он сыграл очень важную роль в
эволюции человеческих популяций.
........> Ролевая игра «ЭФФЕКТ ОСНОВАТЕЛЯ »
Вам понадобятся желейные мишки разных цветов или любые другие разноцвет-
ные объекты небольших размеров (кубики, конфеты, помпончики). Начните
жизнь популяции мишек с набора по одному каждого цвета на одной из парт ва-
шего класса. Позвольте им там размножиться (увеличьте число мишек каждого
цвета до 4—5), а затем соберите из мишек команду первооткрывателей соседней
парты. Сбор команды должен проходить случайным образом, желательно с за-
крытыми глазами.
Дальше мишки, уехавшие на соседнюю парту, размножаются. Вы можете сделать
несколько раундов переселения — как из первоначальной популяции, так и по-
следовательно с первой парты на вторую, со второй на третью и т. д.
После того как все мишки расселятся, подсчитайте частоты встречаемости геноти-
пов (цветов) и сравните их с начальными. Подумайте, каким образом на парте
могли появиться мишки того цвета, который изначально на эту парту не попал 1
(вспомните, в результате чего появляются новые признаки). <
Ролевая игра «ЭФФЕКТ БУТЫЛОЧНОГО ГОРЛЫШКА
В непрозрачный мешок насыпьте одинаковые бумажки двух (или более) разных
цветов (например, это может быть бумага для записей или стикеры) — около
30—50 штук. Необходимо предварительно записать, сколько бумажек какого
цвета вы насыпали в мешок.
Насыпанные в мешок бумажки нужно хорошо перемешать, а затем вытащить не-
сколько (3—10) штук. Далее участники игры подсчитывают частоту встречаемо-
сти для каждого цвета, и на основе этих данных формируют следующий набор
147
бумажек (30—50 штук), который будет помещён в следующий непрозрачный ме-
шок. Эту процедуру необходимо повторить 3—5 раз, получив таким образом
3—5 мешков с бумажками.
После этого все бумажки нужно извлечь из мешков, рассортировать и наклеить
на лист ватмана (по поколениям: в одну строчку клеятся бумажки из первого ;
мешка, в другую — из второго и т. п.), чтобы визуализировать процессы, проис-
ходящие при прохождении вида через бутылочное горлышко.
Использование большого количества цветов бумаги позволит намного лучше про-
демонстрировать идею потери генетического разнообразия в ходе резких сниже-
ний численности популяции. Каждый раз можно варьировать количество извлека-
емых бумажек, чтобы смоделировать снижение численности до разных значений.
Можно также вместо бумажек использовать другие неотличимые друг от друга на
ощупь, но различающиеся по внешнему виду объекты — например, цветные ка-
рандаши. <
Рис. 6-6. Выравнивание
генетических частот при
миграции
Второе условие равновесия — один аллель не мутирует в другой.
Вы помните, что мутации — это довольно редкие события. Средняя
частота таких событий у млекопитающих составляет одну мутацию на
100 000 гамет на ген за поколение. В принципе, если никакие другие
факторы на данную популяцию не действуют, то только за счёт мутаций
частоты аллелей в ней могут меняться из поколения в поколение, но
очень-очень медленно. Настолько медленно, что этим фактором в обыч-
ных расчётах можно спокойно пренебречь.
Третье условие равновесия — слу-
чайные скрещивания. Вероятностные за-
коны образования зигот действуют только
в том случае, когда брачные пары образу-
ются случайным образом.
Четвёртое условие равновесия — изо-
ляция. Популяция способна воспроизводить
свой генетический состав из поколения
в поколение только в том случае, если она
изолирована от популяций с иными, чем
у неё самой, генными частотами. Если раз-
ные популяции обмениваются мигрантами,
то работает принцип диффузии. Когда меж-
ду двумя бассейнами с разной концентра-
цией соли открывают шлюз, солёность по-
степенно выравнивается: её значение пада-
ет в солёном бассейне и растёт в пресном.
То же происходит и при смешивании по-
пуляций с разными генными частотами
(рис. 6-6).
148
.....•••> Задача
Определите частоты аллелей В и Ь и частоты генотипов ВВ, ВЬ и ЬЬ в популя-
ции лисиц на острове Уналашка через поколение после прибытия на него отваж-
ного чёрного лиса (ВВ), если до его прибытия на острове жило 500 рыжих ли-
сиц (ЬЬ). <
Скорость выравнивания концентраций сильно зависит от объёма во-
ды, перемещающейся из одного бассейна в другой. Если вы выливаете
в море бутылку лимонада, трудно надеяться, что концентрация сахара
в морской воде резко и быстро возрастёт. Если между многомиллионными
популяциями людей поток мигрантов составляет даже несколько тысяч
человек за поколение, это вряд ли приведёт к существенному изменению
генных частот в них. И тем не менее обмен мигрантами очень важен для
эволюционного будущего популяций. Он обеспечивает поддержание гене-
тического разнообразия популяции и, стало быть, её способность адаптив-
но реагировать на изменения внешней среды. О том, как популяции это де-
лают, мы поговорим в следующей главе.
Итак, мы рассмотрели, к чему приводят нарушения первых трёх ус-
ловий равновесия: они приводят к изменению частот аллелей в популяци-
ях. Как следствие, меняется генетический состав этих популяций, т. е. они
эволюционируют. Эта эволюция может в конечном счёте привести к обра-
зованию новых видов.
Но эволюция, вызванная нарушениями первых четырёх условий, не
является адаптивной, не повышает приспособленность представителей
популяции к среде обитания. К приспособительной эволюции ведёт отбор.
О нём мы поговорим с следующей главе.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. В результате дрейфа генов происходит уменьше-
ние генетического разнообразия внутри популяций и усиливают-
ся различия между популяциями. Избирательные скрещивания ведут
к нарушению равновесного соотношения генотипов в популяции —
к избытку или недостатку гетерозигот, но частоты аллелей в популя-
ции остаются постоянными из поколения в поколение. Миграция ниве-
лирует различия в аллельных частотах между изолированными попу-
ляциями и обогащает их генетический состав.
В качестве способа восстановления численности редких и исчезающих видов
животных предлагается разводить их в зоопарках и затем выпускать на волю.
Обсудите стратегию такой работы в свете того, что вы узнали о поведении
генов в популяциях. Нужно ли секвенировать геномы животных в природе
и в зоопарках? Как использовать данные секвенирования? Как скрещивать
животных в зоопарке? Где, как и сколько животных следует выпускать в при-
родные популяции?
149
Глава 23
ПОПУЛЯЦИИ МЕНЯЮТСЯ:
ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР
За нашу удивительную приспособлен-
ность к жизни в этом мире, за красоту этого
мира, за чудо жизни вокруг нас — за всё это
мы должны быть благодарны естественному
отбору. Это он, по словам его первооткрыва-
теля Чарлза Дарвина, «ежедневно и еже-
часно расследует по всему свету мельчай-
шие вариации, отбрасывая дурные, сохра-
няя и слагая хорошие, работая неслышно
и незаметно, где бы и когда бы ни предста-
вился к тому случай, над усовершенство-
ванием каждого органического существа по
отношению к условиям его жизни».
Рассмотрим, как может действовать
естественный отбор, на примере популяций
ДАРВИН
лисиц, о которых мы говорили выше.
Допустим, на популяцию напал страшный вирус, который истребля-
ет всех рыжих лисиц, не трогая чёрных и сиводушек. Это может произой-
ти, например, из-за того, что на хромосоме рядом с аллелем рыжей окра-
ски находится ген устойчивости к вирусу, в котором произошла мутация,
эту устойчивость нарушающая. Пока вируса не было, эта мутация ни на
что не влияла и спокойно распространялась в популяции, наследуясь вме-
сте с аллелем Ь.
Немедленно после мора, вызванного вирусной инфекцией, соотноше-
ние генотипов уже не будет соответствовать уравнению Харди—Вайнбер-
га. Изменятся и частоты аллелей (рис. 6-7).
Итак, мы видим, что частота аллеля b упала, а частота аллеля В вы-
росла. Кроме того, резко нарушилось соотношение генотипов — в популя-
ции стало больше гетерозигот, чем должно быть при новых частотах.
Однако не волнуйтесь за уравнение — уже в следующем поколении
равновесие восстановится. Оставшиеся лисицы произведут гаметы по за-
конам Менделя, гаметы встретятся по законам вероятности, и, вновь по-
считав родившихся лисят, мы обнаружим и рыжих лисиц, и полное соот-
ветствие с формулой Харди—Вайнберга — до следующей эпидемии этого
вируса.
Если такой движущий отбор будет действовать из поколения в поко-
ление, то частота аллеля b в популяции лисиц будет постепенно снижать-
ся. Популяция в целом будет становиться всё более и более устойчивой
к вирусу, и в ней будет всё больший и больший процент чёрных лисиц.
И тем не менее аллель Ь будет очень долго сохраняться в популяции в
скрытом гетерозиготном состоянии, поэтому в ней ещё долго будут появ-
ляться рыжие лисицы.
150
МАТЕРИНСКАЯ
ПОПУЛЯЦИЯ
ДО ОТБОРА
ЧлА^
«г£кг»>-й
ДОЧЕРНЯЯ
ПОПУЛЯЦИЯ
ПОСЛЕ ОТБОРА
Ч4^ ЧЧ %
Ч^Ч
й-^Г <«ччЧ
<2^
mJ v^J ИгД
Рис. 6-7. Движущий отбор против генотипа ЬЬ
Может показаться, что популяция боится расстаться даже с явно
снижающим приспособленность аллелем. Хорошо это или плохо? Одно-
значного ответа на этот вопрос не существует. С одной стороны, такое со-
противление генофонда популяции очищающему действию естественного
отбора идёт ей во вред, поскольку в каждом поколении вновь и вновь по-
являются особи с пониженной приспособленностью. Но с другой стороны,
в таком поведении популяции есть известная мудрость и дальновидность.
Отбор приспосабливает популяции к тем конкретным условиям, ко-
торые имеют место быть исключительно здесь и сейчас. Но он не помнит
о том, что было в прошлом, хотя, честно говоря, это ещё полбеды — беда
151
в том, что он не заботится о будущем. Да и как о нём позаботишься — его
ведь нет, и неизвестно, каким оно будет. Вдруг потом вирус исчезнет и для
выживания лисиц опять станет критически важным наличие аллеля ры-
жей (покровительственной) окраски?
........> Ролевая игра «ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР»
Приготовьте большое блюдо (коробку) и разное печенье (можно использовать
конфеты). Печенье должно значительно различаться и иметь разную вкусовую
привлекательность (например, добавьте в блюдо сухари).
1) Необходимо рассмотреть ассортимент печенья и выявить у него важные при-
знаки, которые делают печенье привлекательным или непривлекательным для
выбора (большое, шоколадное, кокосовое, с начинкой и т. д.).
2) После этого нужно составить перечень видов печенья с указанием количества
каждого вида.
3) Дальше нужно смешать по 3—4 экземпляра каждого вида печенья на блюде
(у вас должно получиться не менее 30 экземпляров печенья при группе 10 че-
ловек).
4) Предложите экспериментаторам по очереди выбрать для себя по два печенья
(в два круга — после того, как все возьмут по одному, выбрать по второму).
5) Затем нужно провести инвентаризацию блюда и обсудить, какие признаки пе-
ченья благоприятны для его «выживания».
Для усиления эффекта можно «размножить» оставшееся в блюде печенье и по-
вторить стадию выбора. Так вы сможете оценить изменение структуры популяции
при естественном отборе. Обсудите, всегда ли критерии отбора печенья будут
одинаковыми и при каких условиях они могут измениться. <
Что же будет, если отбор прекратится? Согласно правилу Харди—
Вайнберга, популяция будет бесконечно долго поддерживать ту генетиче-
Рис. 6-8. Миграции нарушают
равновесие популяции
скую структуру, которую она приоб-
рела в результате отбора, если в ней
будут выполняться те самые пять ус-
ловий, о которых мы писали выше.
Но как вы понимаете, полностью
эти условия не выполняются никогда.
Численность популяции не может
быть бесконечной, а в любой популя-
ции конечной численности происходит
дрейф генов. Мутации хоть и редко,
но всё-таки происходят. Изоляция
редко бывает абсолютной — разве что
на океанических островах. Да и к ним
иногда прибивает льдины, а на них
приплывают отважные лисы (рис. 6-8).
Скрещивание никогда не бывает абсо-
152
лютно случайным. Например, лисицы, которые живут в одной долине, скре-
щиваются друг с другом чаще, чем с лисицами из-за горного хребта.
И конечно же, Дарвин был прав: отбор действует ежедневно и еже-
часно на всех стадиях жизни организмов. Носители разных аллелей раз-
личаются по плодовитости — кто-то производит много потомков, кто-то
мало, а кто-то вообще не оставляет потомства. Они также различаются по
жизнеспособности — устойчивости к жаре и холоду, к вирусам и бактери-
ям, по способности уходить от хищников и находить себе пропитание...
Идеальных популяций не существует, равновесие им только снится. Ал-
лельный состав популяций постоянно меняется. Вместе с ним меняются при-
знаки лисиц, воробьёв, инфузорий, людей, составляющих эти популяции. Эти
изменения и называют эволюцией.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Отбор — это неравновероятное выживание и раз-
множение отдельных особей в популяции. Успешно выживают и размно-
жаются в конкретных условиях обладатели таких генотипов, которые
обеспечивают наилучшую приспособленность своих владельцев здесь
и сейчас. Выжив и размножившись, они передают своим потомкам те
аллели, которые позволили им выжить и размножиться. В результате из
поколения в поколение направленно меняются частоты аллелей в попу-
и ляции.
Возможна ли такая ситуация, когда в одной части популяции отбор будет дей-
ствовать против доминантного аллеля, а в другой — поддерживать его? Если
да, то что получится в итоге?
Практикум
Работа 6-1. МОДЕЛИ ОТБОРА
Цель работы: наблюдать процесс естественного отбора, используя интерактив-
ную модель на базе таблицы Excel.
Загрузите её с сайта Института цитологии и генетики СОРАН: http://sites.icgbio.
ru/tutorial/.
Меняя параметры модели, реализованной в этой таблице, мы сможем модели-
ровать эволюцию виртуальных популяций.
Пусть в нашей модели выполняются все условия уравнения Харди—Вайнберга
за исключением одного: разные генотипы будут иметь разную приспособлен-
ность — разные шансы дожить до следующего размножения.
153
Чтобы оценить приспособленность, нужно разделить число особей, выживших
после отбора, на число особей до отбора. Генетики обозначают приспособлен-
ность буквой ш.
Рассмотрим параметры модели. В ней два аллеля одного гена: А отвечает за
развитие доминантного признака и а — за развитие рецессивного, параметр
р — это частота аллеля А, а параметр q — частота аллеля а. Сумма частот/? и q
всегда равна 1.
Для каждого генотипа {АА, Аа, аа) можно задать приспособленность w, которая
принимает значения от 0 (если отбор приводит к полной гибели всех особей с та-
ким генотипом) до 1 (если отбор никак не влияет на особей с этим генотипом).
Параметр <w> обозначает среднюю приспособленность случайной особи в по-
пуляции, т. е. представляет собой среднее арифметическое приспособленности
всех особей.
В таблице рассчитываются параметры для каждого поколения. На основе этих
расчётов формируется график, на котором мы можем наблюдать четыре параме-
тра — частоты р, q, среднюю приспособленность <w> и общую численность по-
пуляции. Есть ещё и дополнительные параметры: d — рождаемость, т. е. число
потомков, которое в среднем оставляет одна особь, N — число особей в изна-
чальной популяции. Но эти параметры нам пока не требуется менять.
1. Для начала давайте посмотрим, как выглядит наша модель в условиях равно-
весия Харди—Вайнберга. Выставим 1 напротив w для всех генотипов. Если
вы попробуете подставить разные начальные значения р, то увидите, что
в любом случае р, q, <w> не меняются от поколения к поколению.
Попробуйте поставить напротив w для всех генотипов 0,5. Что в итоге получится?
Объясните результат, а затем попробуйте найти значение w, при котором чис-
ленность популяции оставалась неизменной {рис. 6-9).
2. Что будет происходить, если в популяции идёт отбор против рецессивного
признака? Рассмотрим самый крайний случай такого отбора, при котором
Значения р, q, п, <w>
Рис. 6-9. Сохранение частот аллелей
(р, q), относительной численности {п)
и средней приспособленности {<w>)
в ряду поколений в условиях
равновесия Харди—Вайнберга
Рис. 6-10. Изменение частот аллелей
{р, q), относительной численности {п)
и средней приспособленности (<w>)
в ходе отбора против рецессивного
признака
154
<w>
Рис. 6-11. Изменение частот аллелей
(р, q), относительной численности (п)
и средней приспособленности (<да>)
в ходе отбора против доминантного
признака
Значения р, q, п,
Рис. 6-12. Изменение частот аллелей
(р, q), относительной численности (п)
и средней приспособленности (<да>)
в ходе отбора против гетерозигот
все особи с рецессивным признаком не доживают до размножения. Устано-
вим w{AA) = w{Aa) = 1, w(aa) = 0. Обратите внимание на изменения частоты
q\ она уменьшается, но не достигает нуля.
Если популяция достаточно большая, то q никогда не достигнет нулевого значе-
ния, поскольку рецессивные аллели а продолжают себя хорошо чувствовать
в составе гетерозигот Аа {рис. 6-10}. Попробуйте поварьировать параметром
w{aa) в пределах от 0 до 1. Что произойдёт?
3. Попробуем провести отбор против доминантного признака. Чтобы было инте-
реснее, сделаем отбор не таким сильным, как для рецессивных гомозигот.
Поставим w{AA) = w{Aa) = 0,7, w{aa) = 1. Доминантный аллель А исчезает из
популяции очень быстро. Чем сильнее отбор, тем меньшее число поколений
для этого потребуется {рис. 6-11).
4. А если вести отбор против гетерозигот? Давайте установим р = 0,4, w{AA) =
= w{aa) = 1, w{Aa) = 0,5. Аллель А встречался в популяции реже, и в ходе от-
бора его частота резко уменьшается. В конце концов этот аллель исчезает из
популяции. Выясните, что произойдёт, если поставить р > 0,5. Также посмо-
трите, что произойдёт, если выставить р = q = 0,5 и несколько раз установить
новое значение w{Aa). Какой из аллелей в данном случае будет исчезать и от
чего это зависит {рис. 6-12)?
5. Очень интересен вариант отбора, когда гетерозиготы получают преимуще-
ство. Примером его является отбор по аллелю 5 серповидноклеточной ане-
мии в районах распространения малярии. Доминантные гомозиготы 55 не
могут сформировать нормальные клетки крови и тяжело болеют, у гомозигот
ssтаких нарушений нет, но такие особи погибают от малярии. Гетерозиготы Ss
могут формировать нормальные клетки крови и более устойчивы к малярии,
поэтому имеют больший шанс на выживание.
Установите р = 0,4, w{AA) = 0,6, w{Aa) = 1, w{aa) = 0,3. Частоты р и q меняют-
ся до тех пор, пока в популяции не устанавливается равновесие. Кстати, попро-
155
Рис. 6-13. Изменение частот аллелей
(р, q), относительной численности (и)
и средней приспособленности (<w>)
в ходе отбора против гомозигот
буйте варьировать приспособленностью
w(AA) и w(aa) и выяснить, как при этом
будут изменяться частоты pwq (рис. 6-13).
Подумайте, часто ли встречается аллель
серповидноклеточной анемии s в популя-
циях, обитающих там, где нет высокой за-
болеваемости малярией. Может ли такая
популяция полностью избавиться от этого
аллеля?
6. Давайте наконец обратим внимание
на зелёные графики для всех предыдущих
случаев. Это графики средней приспособ-
ленности. Подумайте и обсудите, что про-
исходит со средней приспособленностью
в ходе отбора.
Работа 6-2. ЧАСТОТЫ АЛЛЕЛЯ ЧЁРНОЙ ОКРАСКИ
В ЛОКАЛЬНОЙ ПОПУЛЯЦИИ КОШЕК
Цель проектной работы: оценить частоту аллеля чёрной (не-агути) окраски в по-
пуляции бродячих кошек, обитающих в вашей местности, и сравнить полученные
данные с опубликованными результатами таких же исследований, проведённых
в разных точках Земли.
Типичная для кошек серая полосатая или пятнистая окраска (агути) возникает за
счёт последовательного распределения двух форм пигмента по длине волоса. Ос-
нование и кончик нормального волоса содержат чёрный пигмент, а в его сред-
ней части чёрные пигментные кольца чередуются с зонами, наполненными оран-
жевым пигментом.
Рецессивная мутация не-агути, Non-agouti (символ а), приводит к удалению из
волоса жёлтых колец, и весь волос оказывается заполненным чёрным пигмен-
том. Этот аллель широко распространён в кошачьих популяциях. Интересно, что
в городах чёрных кошек, как правило, гораздо больше, чем в сельской местно-
сти, по крайней мере в Великобритании, где было проведено специальное ис-
следование, это именно так.
Наша задача состоит в том, чтобы проверить данные, полученные британскими
зоологами, сравнив частоты чёрных кошек в районах города, различающихся по
степени урбанизации: плотности, высотности застройки, напряжённости движе-
ния, наличию парков, скверов, подворотен, подвалов, укрытий и т. д.
Научная работа начинается со сбора экспериментального материала. Для этого
нужно просто ходить по улицам и фотографировать всех встреченных беспород-
ных кошек. Породистых кошек: сиамских, бирманских, ангорских и прочих краса-
виц — следует игнорировать, поскольку они лишены свободы, а часто и вообще
возможности скрещивания и поэтому не могут считаться представителями дикой
популяции. Итак, вас должны интересовать только бродячие кошки — точнее,
число чёрных кошек среди них.
156
W-*-'
Рис. 6-14. Гомозиготы по аллелю а: чёрная (аа), разбавленная чёрная (aadd)
и черепаховая чёрная с белым пятном (aaSOo)
Ваши фотографии будут не просто песчинками в Сахаре триллионов мимишных
фотографий котиков, заполнивших Интернет. Они будут научным материалом.
Всякий научный материал должен быть научно документирован. Каждая ваша
фотография должна иметь отметки о времени и месте съёмки. Эти метки сохра-
няются автоматически в метаданных каждой фотографии, сделанной смартфо-
ном или цифровым фотоаппаратом. Не забудьте их перенести в сводную табли-
цу кошачьих генотипов, которую вы составите в конце вашей экспедиции.
Кого мы считаем чёрной кошкой, т. е. носителем генотипа аа? Таковой следует
считать любую кошку, которая либо полностью чёрная, либо голубая (без тёмных
полос и пятен), либо имеет чёрные или голубые пятна на любом другом фоне —
белом, рыжем или кремовом (рис. 6-14).
Всех остальных кошек (рис. 6-15), кроме чисто рыжих или абсолютно белых, мы
классифицируем как носителей нормального доминантного аллеля А.
Рыжих и белых кошек следует исключить из всех подсчётов потому, что эти окра-
ски эпистатичны по отношению к чёрной и агути, т. е., глядя на рыжую кошку, вы
не можете сказать, чёрная она или серая, потому что она рыжая (так же и с аб-
солютно белыми). А глядя на черепаховую, можете, потому что у неё, кроме ры-
жих пятен на шкурке, есть либо серые (агути), либо чёрные пятна (см. рис. 6-15).
После того как вы сфотографируете достаточное количество кошек (ну уж точно
не меньше сотни), можно переходить к анализу.
Первое, что следует сделать, — это определить частоту аллеля а в вашей популя-
ции. Мы знаем, что генотипы в равновесной популяции распределены согласно
уравнению Харди—Вайнберга:
р2(АА) + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1
Рис. 6-15. Гетерозиготы или гомозиготы по аллелю А: агути (Л_), разбавленная агути
(Add) и черепаховая агути с белым пятном (A ddS )
157
Следовательно, допустив, что наша популяция находится в равновесии, мы мо-
жем оценить частоту аллеля а как квадратный корень из частоты гомозигот по
этому аллелю.
И что же делать дальше?
Первое, что приходит в голову, — это сравнить вашу популяцию по частоте алле-
ля а с другими. В научных журналах опубликованы десятки статей по частотам
аллелей окраски кошек из сотен разных городов и деревень. Найти эти данные
можно в поисковой системе «Академия Google»: https://scholar.google.com/ (клю-
чевые слова: cat, population, allele frequency). Так что материала для сравнения
более чем достаточно.
Но гораздо интереснее провести микрогеографический анализ: сравнить разные
районы вашего города. Почему носителей аллеля а мало в одних районах и мно-
го в других? Чем обусловлены эти различия: отбором или дрейфом генов? Как
сделать выбор между этими гипотезами?
Как только вы начнёте над этим думать, вы быстро поймёте, что для микрогео-
графии у вас данных маловато. Чтобы провести надёжные сравнения, вам нуж-
но не сто кошек на город, а сто кошек на район.
Когда вы наберёте сто кошек на район, вы обнаружите, что районы различаются
(или нет, что тоже будет важным результатом) по частоте не только чёрных, но
ещё и рыжих кошек — или тех, что с белыми пятнами. И тогда вы поймёте, что ал-
лели генов, которые контролируют эти признаки, тоже стоит исследовать. Тогда
вам придётся обратиться к статьям, где описано наследование этих признаков.
Чтобы облегчить вам жизнь, я собрал все эти сведения в своей книжке (Боро-
дин П. М. Кошки и гены: Современная генетика в популярном изложении) и на
сайте: https://sites.google.com/site/catsandgenes/.
А разобравшись с окрасками, вы поймёте, что гораздо больше данных можно по-
лучить из индивидуальных сиквенсов кошек. Тут-то вы и попались. Наука — дело
азартное!
Что читать
1. Докинз Ричард. «Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие
замысла во Вселенной». Классика научно-популярной литературы про есте-
ственный отбор. Например, здесь вы найдёте ответ на вопрос,-который часто
задают противники теории естественного отбора: «Как мог сформироваться
такой сложный орган, как глаз?» У Докинза есть ещё несколько замечатель-
ных книг: «Эгоистичный ген», «Расширенный фенотип», «Рассказ предка» и «Са-
мое грандиозное шоу на Земле».
2. Жуков Борис. «Дарвинизм в XXI веке». Ещё одна отличная книга, посвящён-
ная теории эволюции. В ней увлекательно рассказывается о непростом пути
эволюционной теории, её трансформации, обогащении новыми идеями, о том,
с какими вызовами ей приходилось и приходится сталкиваться, и какое место
в двадцать первом веке теория эволюции заняла в науке и человеческом ми-
ровоззрении.
3. Посух Ольга. Серия «Микросупергерои». В 3 книгах. Это серия научно-попу-
лярных книг-комиксов о реально существующих в природе животных, которые
обладают самыми настоящими суперспособностями.
158
Модуль 7
ГЕНЕТИКА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ
ПРИЗНАКОВ
В этом модуле мы рассмотрим, как наследуются количественные призна-
ки, такие, например, как рост и вес тела.
Написали об этом Юрий Аульченко,
доктор биологических наук, профессор Мо-
сковского физико-технического института и
почётный профессор Эдинбургского уни-
верситета, заведующий лабораторией тео-
ретической и прикладной функциональной
геномики Новосибирского государственно-
го университета и лабораторией гликогено-
мики Курчатовского геномного центра в Ин-
ституте цитологии и генетики СО РАН, и я,
уже известный вам Павел Бородин.
ЮРИИ
аульченко
Антон
ЦИС^О
Глава 24
К количественным признакам относятся многие ха-
рактеристики поведения человека и животных (эмоцио-
нальность, скорость реакции и др.). О том, как насле-
дуются и развиваются особенности поведения, вам
расскажет Антон Цыбко, кандидат биологических на-
ук и научный сотрудник лаборатории нейрогеномики
поведения Института цитологии и генетики СО РАН.
НАСЛЕДОВАНИЕ
КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ
Количественными признаками называют такие признаки, которые
можно измерить, например, рост и вес тела, уровень интеллекта, артери-
альное давление крови, уровень глюкозы и холестерина в крови и многие
другие. Проявление количественных признаков зависит от множества ге-
нов, поэтому их часто называют полигенными (от греч. poly — много).
159
Каждый из множества этих генов оказывает, как правило, очень слабое
влияние на конечное значение признака.
Путь от гена к количественному признаку сложен и извилист. Он
в сильной степени зависит от разных факторов среды, в которой живёт
и развивается организм. Огромное разнообразие популяций живых орга-
низмов по количественным признакам складывается из генетического
разнообразия особей и разнообразия условий среды.
Что такое генетическое разнообразие особей по количественному при-
знаку*! Это совокупность комбинаций аллелей по всем генам, которые этот
признак контролируют. Для окраски лисиц у нас было три комбинации из
двух аллелей одного гена: гомозиготы ВВ, гетерозиготы ВЬ и гомозиготы
bb. Для двух генов с двумя аллелями уже будет девять комбинаций. Под-
считайте на досуге число комбинаций из двух аллелей 3000 генов, контро-
лирующих рост человека.
Что такое разнообразие условий*! Это неисчислимое множество жизнен-
ных обстоятельств: где росли организмы, которые мы изучаем, что, сколько,
когда и как они ели, какими болезнями и как тяжело они болели и т. д.
Задача генетика, изучающего количественные признаки, заключает-
ся в том, чтобы, во-первых, оценить, какой вклад в разнообразие количе-
ственного признака вносит разнообразие генотипов, а какой — разнообра-
зие средовых условий, и, во-вторых, найти гены, которые влияют на этот
признак, и оценить их вклад.
В этой главе мы попробуем решить первую задачу, а поиском генов
займёмся в следующей главе.
*’
Генетики разработали статистические методы, которые позволяют количе-
ственно измерить относительный вклад наследственной изменчивости в об-
щую изменчивость по количественному признаку, — коэффициент наследу-
емости (А2). Значение этого коэффициента варьирует от нуля (изменчивость
признака полностью определяется изменчивостью факторов среды) до едини-
цы (изменчивость признака зависит только и исключительно от генетической
l изменчивости).
Для определения коэффициента наследуемости признаков у сель-
скохозяйственных животных и растений разработан подход, основанный
на оценке результатов отбора.
Рассмотрим пример из практики мышеводства. Селекционер хочет
создать породу толстых мышей. В его популяции средняя масса тела мы-
шей составляет 10 г, при индивидуальной изменчивости от 6 до 14 г
(рис. 7- 7). Очень худых и очень толстых мышей мало, большинство мышей
имеют средний вес. Селекционер отбирает для размножения мышей, мас-
са тела которых 12 г и больше (на рисунке они отмечены зелёным). Сред-
няя масса тела отобранных мышей составляет 12,5 г, т. е. они в среднем на
2,5 г тяжелее, чем мыши исходной популяции. Эту разницу между сред-
ними значениями признака в исходной популяции и в группе, отобранной
для размножения, называют селекционным дифференциалом (5).
160
Рис. 7.1. Отбор мышей по массе тела и определение коэффициента
наследуемости (Л2)
Селекционер получает потомство от отобранных мышей. Среди по-
томков толстых стало больше, чем в исходной популяция. Распределение
мышей по массе сдвинулось вправо, но не настолько, насколько хотелось
бы. Разницу между средними значениями признака в исходной популяции
и у потомков отобранных родителей называют ответом на отбор (/?). В на-
шем случае он был равен 1 г.
Почему ответ на отбор меньше селекционного дифференциала? По-
тому что масса каждой конкретной мыши зависит как от её генотипа, так
и от условий, в которых она росла. Одни получают от родителей аллели
быстрого набора массы, а другие — медленного. Одним мышам достаётся
больше еды, а другим меньше. Но селекционер не знает, почему отобран-
ная им мышь оказалась толстой — потому, что ей достались аллели бы-
строго роста, или потому, что ей досталось больше пищи. Он отбирает тол-
161
стых мышей. Эти мыши передают потомкам свои аллели, а вовсе не свою
массу. Потомки генетически толстых мышей будут в среднем тяжелее ге-
нетически худых. А вот потомки мышей, которым повезло с едой, будут
ничуть не тяжелее тех, кому не повезло.
Отношение ответа на отбор к селекционному дифференциалу отра-
жает относительный вклад наследственной изменчивости в общую измен-
чивость по количественному признаку и служит для определения коэф-
фициента наследуемости.
Зачем нам нужен этот коэффициент? Селекционерам он нужен для
того, чтобы предсказать возможности улучшения пород. Если в данной по-
роде для признака, который нужно улучшать, коэффициент наследуемо-
сти высок, значит, перспективы селекции довольно хорошие. Можно будет
быстро и с малыми затратами достичь желаемого результата. Если он ни-
зок, то не стоит тратить время и деньги на эту работу.
Нам с вами тоже было полезно знать коэффициенты наследуемости
для количественных признаков человека, чтобы предсказывать признаки
детей на основе признаков родителей. Вот только как эти коэффициенты
определить? Селекционный метод здесь неприменим. Зато люди, в отли-
чие от других животных, хорошо знают своих родственников. Поэтому ме-
тоды оценки коэффициента наследуемости для признаков человека бази-
руются на анализе парного сходства (корреляции) между родственниками:
родителями и потомками, братьями и сёстрами, идентичными и неиден-
тичными близнецами.
Попробуем решить эту задачу на примере роста человека. Для этого
мы сначала соберём данные по росту 100 пар взрослых родных сестёр
(или братьев) (рис. 7.2). Почему взрослых? Потому что у детей и подрост-
ков рост сильно меняется с возрастом, а у взрослых нет. Почему либо се-
стёр, либо братьев? Потому что мужчины в среднем выше женщин. Поче-
му сестёр, а не других родственников? Потому что у них одни и те же ро-
дители, и значит, в среднем они имеют 50% одинаковых аллелей.
Если изменчивость по нашему признаку сильно зависит от генов, сё-
стры должны отличаться друг от друга гораздо меньше, чем от неродствен-
Рис. 7-2. Измерение роста
162
Соседки
Родные сёстры
Близнецы
Рис. 7-3. Парные сравнения роста соседок, сестёр и близнецов
ных им женщин. А однояйцевые близнецы, у которых все 100% аллелей
одинаковы, в таком случае должны быть попросту идентичны. Если же
вклад генетических различий мал, а вся изменчивость признака зависит от
средовых различий, то сёстры будут сходны друг с другом не больше, чем
каждая из них с любой другой женщиной
из популяции (например, с соседкой по до-
му). На рисунке 7-3 показаны результаты
такого парного сравнения по росту: сосе-
док по дому, родных сестёр и идентичных
близнецов. Коэффициент наследуемости
по этому признаку в большинстве челове-
ческих популяций равен примерно 0,8.
Вы можете использовать коэффици-
ент наследуемости роста человека, чтобы
заглянуть в будущее и попытаться пред-
сказать ваш собственный рост. Пока вы
ещё растёте, поэтому сейчас нельзя ска-
зать наверняка, какой рост будет у вас
через 10 лет (рис. 7-4).
Одну половину ваших аллелей вы
получили от папы, а другую половину —
от мамы. Но и рост родителей, и ваш за-
висят не только от аллелей, но и от осо-
бенностей среды. Значит, ваш рост дол-
жен складываться из двух составляющих.
Рис. 7-4. Предсказание роста
.........> Генетическая составляющая роста оценивается как среднее значе-
ние роста ваших родителей, умноженное на коэффициент наследуемости. Следу-
ет учесть, что рост мужчин выше роста женщин. Средовая составляющая оцени-
вается как среднепопуляционное значение, умноженное на коэффициент средо-
вых влияний (1 - /г2). Кроме того, надо учесть, что каждое поколение в среднем
на 2 см выше предыдущего.
163
Попробуем предсказать рост девочки, у которой мама имеет рост
162 см, а папа — 185 см. Согласно международной базе данных (https://
www.worlddata.info/average-bodyheight.php) средний рост женщин в Рос-
сии составляет 164 см, а мужчин — 176 см. Для того чтобы узнать генети-
ческую компоненту роста, вам нужно прибавить рост мамы к росту папы
и отнять 12 см (разница между ростом российских мужчин и женщин), по-
лученный результат необходимо поделить пополам и умножить на коэф-
фициент наследуемости (0,8). Получаем 134 см. Средовая компонента рав-
на среднему значению роста женщин (164 см), умноженному на (1 - 0,8),
т. е. 32,8 см. Прибавив к сумме средовой и генетической компонент ещё
2 см прироста за поколение, получаем, что ожидаемый рост девочки будет
168,8 см. Это не значит, что рост этой девочки обязательно и точно будет
равен 168,8 см. В действительности её реальный рост может отклониться
от предсказанного на 10—12 см в любую сторону. Однако, если мы просле-
дим за судьбой многих девочек, у которых родители имеют рост 162 и
185 см, их средний рост будет около 169 см!
Большинство признаков человека имеет коэффициент наследуемо-
сти от 0,3 до 0,6 — таковы, например, масса тела и артериальное давление
крови. Изменчивость роста зависит от генетического разнообразия наибо-
лее сильно (Л1 2 = 0,8), а изменчивость продолжительности жизни — до-
вольно слабо, здесь гораздо большую роль играет разнообразие жизнен-
ных обстоятельств (h2 = 0,2). В главе 26 вы узнаете, что генетики вычис-
лили коэффициент наследуемости даже для такого признака человека,
как уровень образования!
ПОДВОДЯ итоги. ] количественные признаки контролируются многи-
ми генами. Популяционное разнообразие таких признаков возникает
как вследствие наличия в популяции большого числа аллелей, влияю-
щих на них, так и за счёт множества средовых влияний — как извест-
ных нам, так и неизвестных, как измеримых, так и неизмеримых.
Сравнивая значения количественных признаков у родственников,
можно оценить коэффициент наследуемости — относительный вклад
генетического и средового разнообразия в популяционную изменчи-
вость признака. Зная значения этого коэффициента и значения при-
знака у родителей, можно предсказать ожидаемое значение признака
у потомков. Однако важно понимать, что это предсказание не будет аб-
и солютно точным.
1. Учёные определили коэффициент наследуемости массы тела у мышей,
разводимых в лаборатории, и обнаружили, что он был разным (от 0,0 до
0,5) у разных пород, хотя их содержали в одинаковых условиях. Объясни-
те эти результаты.
164
2. Вам предложили заняться селекцией овец на увеличение массы тела. Ка-
кие эксперименты вы будете проводить, какие данные будете собирать,
как будете анализировать эти данные и какое решение примете на осно-
ве анализа?
3. Предположим, что в некоторой популяции белых медведей, проживающих
в естественных условиях, зависимость средней длины тела медведя от
длины тела его родителей определяется формулой
L = 212 • (1 - 0,34) + 0,34 • (L мамы + L отца): 2 (см)
Пусть большое число медвежат из этой популяции поселили в зоопарке. Как
и почему могут измениться различные части этой формулы для такой колонии
белых медведей, проживающих и размножающихся в зоопарке?
Глава 25
ПОИСК ГЕНОВ
КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ
В предыдущей главе мы научились оценивать относительный вклад
генотипа и среды в разнообразие по количественным признакам. Теперь
мы попробуем разложить генотип на отдельные гены, оценить их эффек-
ты и, наконец, найти их в геноме. Когда мы это сделаем, мы сможем пред-
сказывать значения количественных признаков и тем самым судьбу носи-
телей этих генов гораздо точнее, чем мы это делали раньше на основе
среднеродительских значений и среднепопуляционного коэффициента
наследуемости.
Метод, с помощью которого это делается, называют полногеномным
анализом ассоциаций. Принцип его применения для поиска генов заболе-
ваний показан на рисунке 7-5. Генетики определяют последовательность
ДНК в нескольких сотнях вариабельных районов — эту процедуру назы-
вают генотипированием — у больших групп (включающих тысячи и даже
сотни тысяч!) больных и здоровых людей. Учёные фокусируют своё вни-
мание на тех районах, где обнаруживаются различия по единственному
нуклеотиду — однонуклеотидные замены. На рисунке 7-5 показан такой
район, где один аллель содержит нуклеотид Ц, а другой — Т. Сравнивая
сотни тысяч таких районов, генетики находят несколько, где наблюдаются
резкие различия в частотах аллелей между группами здоровых и больных
людей. На примере, показанном на рисунке, частота аллеля Ц была выше
в группе больных, чем в группе здоровых. При этом у здоровых людей
этот аллель тоже встречается, хотя и реже. Такой «ассоциированный»
аллель маркирует район генома, где может находиться ген, вовлечённый
в предрасположенность к заболеванию. Как правило, предрасположен-
ность к заболеваниям контролируется многими генами, и найденный в об-
наруженном нами районе ген предрасположенности не единственный,
а один из множества.
165
АТТЦЦГЦГТТГГЦАТГЦ
АТТЦЦГТГТТГГЦАТГЦ
19 % 81 % 62 % 38 %
Частоты аллелей
Рис. 7-5. Анализ ассоциаций между аллелями одного из генов
и предрасположенностью к заболеванию на основе сравнения частот
его аллелей между группами здоровых и больных людей
Полногеномный анализ ассоциаций позволяет подойти к картирова-
нию генов количественных признаков. Пример такого картирования пока-
зан на рисунке 7-6. Опять генетики генотипируют сотни тысяч людей,
у которых измерен рост. Теперь они ищут те районы генома, которые раз-
личаются у людей разного роста. В нашем примере носители генотипа ТТ
были самыми высокими, гетерозиготы ЦТ были поменьше ростом, а гомо-
зиготы ЦЦ — ещё меньше. Здесь надо честно сознаться, что на этом ри-
сунке мы сильно преувеличили различия в росте. На самом деле (если мы
не говорим о редких мутациях, вызывающих карликовость и гигантизм)
даже самые сильные гены редко изменяют рост больше чем на несколько
миллиметров. Но помните, что уже сейчас найдено и картировано более
166
АТТЦЦГТГТТГГЦАТГЦ
Генотипы
Эффекты
аллелей (см)
Рис. 7-6. Оценка воздействия аллелей одного из генов на изменение роста
3000 районов генома, вовлечённых в контроль роста. Точность прогноза
роста каждого конкретного человека на основе данных его полногеномного
анализа пока невысока, но с каждым новым исследованием она повыша-
ется.
В результате появления полногеномного анализа ассоциаций был
сделан прорыв в изучении полигенных признаков. До 2005 г. было извест-
но всего несколько генов, аллели которых влияют на популяционную из-
менчивость роста, артериального давления, на уровень липидов крови,
а также на риск возникновения диабета второго типа. Можно сказать, что
то, что мы знали в тот момент о генетике полигенных признаков человека,
можно было пересчитать по пальцам! В настоящий момент, т. е. через
15 лет после того, как мы научились быстро прочитывать индивидуальные
геномы, число участков генома (локусов), для которых установлена ассо-
циация с ростом, превысило несколько тысяч. Для огромного числа коли-
чественных признаков и распространённых заболеваний известны десят-
ки и сотни локусов. Это произошло за счёт того, что в рамках полноге-
номных исследований ассоциаций была изучена связь между геномной
и фенотипической изменчивостью миллионов людей. Зная эти локусы
и аллели, мы можем строить предсказательные модели, например модели
рисков развития заболеваний.
Когда наконец мы нашли локус, связанный с интересующим нас при-
знаком, мы можем использовать это знание как начальную точку для
дальнейшего исследования структуры и функции данного района генома.
Например, мы можем проследить, с уровнем каких транскриптов, белков,
метаболитов связаны аллели этого локуса или в каких тканях транскри-
бируются гены, находящиеся в этому районе генома. Мы можем узнать,
167
под контролем каких транскрипционных факторов находятся аллели это-
го локуса и какие сигналы из внешней среды включают и выключают эти
факторы. Такие функционально-геномные исследования позволяют по-
нять, каким именно образом изменение последовательности ДНК приво-
дит к изменению признака.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Исследования связей между аллелями сотен ты-
сяч вариабельных районов генома и изменчивостью по количествен-
ным признакам у миллионов людей позволили найти тысячи локусов
генома, которые вносят свой вклад в формирование этих признаков.
Эти результаты используют для разработки методов ранней диагно-
стики, профилактики и лечения распространённых заболеваний чело-
в века.
Сейчас многие фирмы предлагают за умеренную плату провести анализ гено-
ма. Почти все они на основании такого анализа дают клиенту сведения о его
или её происхождении из того иного района Земли. О том, как это делается,
вы узнаете из главы 29. Некоторые из этих фирм дают предсказания пред-
расположенности к заболеваниям. Например: «Риск подагры (заболевание,
вызываемое отложением кристаллов мочевой кислоты или её солей в раз-
личных тканях организма, в частности в суставах) для вас составляет 17%.
Средний риск заболевания 2%». Обсудите, на чём может базироваться это
предсказание. Какие меры должен принять клиент компании, который полу-
чил такое предсказание?
Глава 26
ОТ ПОВЕДЕНИЯ К ГЕНАМ
Схожесть черт поведения у родителей и их детей часто бросается
в глаза, и это заставляет сделать предположение об их наследственной
природе.
В этом есть рациональное зерно. Но бывает, что поведение потомства
сильно отличается от родительского — яблочко от яблони временами па-
дает очень далеко. Тут уже хочется свалить всё на влияние среды, сфор-
мировавшей индивида ни на кого не похожим.
Генетика поведения, стремясь понять природу индивидуальных раз-
личий в поведении и оценить вклад в них как генов, так и среды, многое
расставила на свои места. Некоторые исследования проводились на лю-
дях — близнецах, детях и их родителях, — и часто это были работы на
стыке с психологией. При изучении таких тонких вещей, как человече-
ская психология и поведение, очень важна воспроизводимость результа-
168
Сходство интеллекта
85%
Сходство интеллекта
85%
Рис. 7-7. Конкордантность признака «интеллект» у монозиготных близнецов
тов, поэтому далее мы рассмотрим те важные выводы генетики поведе-
ния, которые были многократно проверены и достоверность которых не
вызывает сомнения.
Первый и важнейший вывод, к которому пришли специалисты по генетике
поведения, заключается в том, что все психологические черты находятся под
существенным влиянием генетических факторов.
К примеру, исследование десятков тысяч пар близнецов по всему
свету показало, что чем больше генетическое родство, тем выше и сход-
ство в показателях интеллекта (у монозиготных близнецов оно составля-
ет 85%, а у обычных двойняшек — «всего» 60%). В меньшей степени на-
следуемость характерна для персональных1 черт, тут уже показатели
колеблются между 30 и 50%. Более того, оказалось, что политические
взгляды, религиозность и пищевые предпочтения тоже находятся под
значительным влиянием генетических факторов. Думаю, вы уже обрати-
ли внимание на то, что как бы не впечатлял процент наследуемости, ни
одна черта не наследуется на 100%. И это — второй важный вывод гене-
тики поведения.
Для расчёта коэффициента наследуемости признака в генетике чело-
века применяется близнецовый метод. Если признак проявляется у обоих
близнецов, то такую пару близнецов называют конкордантной (рис. 7-7),
если у одного из близнецов — дискордантной.
1 Под персональными чертами обычно понимается то, что в психологии получило
название «большая пятёрка»: 1) открытость опыту (воображение, любознатель-
ность, эстетическое чувство); 2) добросовестность; 3) доброжелательность; 4) экс-
траверсия (общительность, живой эмоциональный отклик на внешние явления);
5) нейротизм (неспособность эффективно регулировать негативные эмоции).
169
•.......> Коэффициент конкордантности (Л) указывает долю близнецовых
пар, в которых изучаемый признак проявился у обоих членов пары:
К = С/(С + Д),
где С — число конкордантных пар, Д — число дискордантных пар.
Для количественной оценки роли наследственности и среды в развитии того или
иного признака используют коэффициент наследуемости (И) и коэффициент вли-
яния среды (£). Влияние наследственности на заболевания определяют по фор-
муле Хольцингера:
Н+Е = 1
При этом:
Н= (КМБ - КДБ)/(100 - КДБ) (в процентах),
где: КМБ — коэффициент парной конкордантности для монозиготных близнецов
(они всегда одного пола и сильно похожи, происходят из одной яйцеклетки и од-
ного сперматозоида);
КДБ — коэффициент парной конкордантности для дизиготных близнецов (двой-
няшки, могут быть разного пола и значительно отличаться друг от друга, про-
исходят от двух разных яйцеклеток, оплодотворённых разными сперматозоида-
ми). <
........> Практическое задание «РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТА
НАСЛЕДУЕМОСТИ ПРИЗНАКА»
Изучены 30 пар монозиготных и 60 пар дизиготных близнецов. Во всех этих па-
рах хотя бы у одного из близнецов имелся изучаемый признак. При этом в 24 па-
рах монозиготных близнецов и в 12 парах дизиготных близнецов этот признак
имелся и у второго близнеца. Определите коэффициент наследуемости изучаемо-
го признака. <
Как много генов вовлечено в наследование того или иного поведенче-
ского признака? В сенсационных заявлениях СМИ вроде «Найден ген, от-
вечающий за склонность к алкоголизму!» обычно подразумевается вклад
той или иной мутации в активность гена и кодируемого им белка. Увы, по-
веденческие черты, как и любые сложные признаки, контролируются
множеством генов (см. главу 25).
Используя классические селекционные эксперименты — скрещивая
мышей по сложным признакам (например, по величине исследователь-
ской активности в закрытой арене), исследователи установили, что с каж-
дым новым поколением две линии животных расходятся всё больше и
больше и это может продолжаться на протяжении жизни десятков поко-
лений. Если бы признак кодировался всего парой генов, такого бы не про-
исходило — две линии быстро разошлись бы по выраженности признака
и перестали удаляться друг от друга.
170
Рис. 7-8. Влияние однонуклеотидных мутаций на формирование
признака «срок обучения»
Это свидетельствует о том, что сложные поведенческие признаки
имеют полигенную природу. Полногеномный анализ ассоциаций (ПГАА),
с которым вы познакомились в предыдущей главе, действительно показал
связь между различными однонуклеотидными мутациями и чертами в по-
ведении, но основной сюрприз состоит в том, что влияние аллелей на по-
веденческие признаки оказалось совсем небольшим.
Поясню на конкретном примере: при анализе ассоциации трёх алле-
лей с продолжительностью обучения в школе у 120000 людей выяснилось,
что эффект каждого аллеля обусловливает отклонение от срока обучения
всего на 0,02% (это около месяца). Так что если кто-то из ваших знакомых
бросил школу, не спешите винить какие-либо мутации (рис. 7-8).
Анализ большого числа результатов ПГАА убедительно показывает,
что не существует ни одной ассоциации, размер эффекта которой объясня-
ет больше 1% дисперсии по признаку в популяции. Деятельность некото-
рых редких аллелей может сильно повлиять на жизнь конкретного индиви-
да, но из-за своей редкости их эффект на уровне популяции будет сопоста-
вим с эффектом капли пресной воды, попавшей в море. Из этого следует
ещё один важный вывод генетики поведения: наследуемость поведенческих
признаков обусловлена множеством генов с незначительным эффектом.
Влияние среды, в которой развивается индивид, кажется весьма
и весьма существенным. В самом деле, если ребёнок А с малых лет окру-
жён заботой и вниманием, а ребёнок Б испытывает пренебрежение и ни-
когда не ведал родительской любви, логичен вывод, что из ребёнка Б ни-
чего путного не вырастет, так как его поведение сформировалось в нега-
тивной среде. Генетика поведения, однако, развеивает любые иллюзии на
этот счёт, поскольку большинство ассоциаций между факторами внешней
171
Разные Общие
факторы средовые Генетические
среды эффекты эффекты
Рис. 7-9. Результаты многовариантного генетического анализа между отсутствием
материнской заботы и подростковым антисоциальным поведением. Рядом со
стрелками, отображающими ассоциацию, подписан коэффициент корреляции
среды и психологическими чертами в значительной степени обусловлено
генетически.
Задумайтесь, если мы виним родителя в плохом воспитании ребёнка,
не обусловлено ли само родительское поведение генетическими фактора-
ми? В таком случае очевидная ассоциация «среда—поведение» уже не
столь очевидна, поскольку добавляется ещё один неучтённый компонент.
На рисунке 7-9 схематично изображены результаты исследования 719 се-
мей, которое показало, что две трети корреляции между отсутствием мате-
ринской заботы и антисоциальным поведением у подростков можно отне-
сти на счёт генетических факторов. Подобный результат был получен бо-
лее чем в 100 других исследованиях. Соответственно, если мы посчитаем
произведение между корреляциями для каждой отдельной ассоциации
(например, 0,77 • 0,52), то получим генетический вклад, равный 0,4, в то
время как суммарный вклад среды будет равен только 0,16 для факторов,
общих для родителя и ребёнка, и всего 0,05 для тех средовых факторов, ко-
торые для родителя и ребёнка были разными.
Генетика поведения отнюдь не даёт желаемого компромиссного отве-
та в духе «и гены, и среда влияют на поведение равным образом». Но, за-
трагивая тему среды, всё же стоит сделать одну оговорку. Существуют
негенетические факторы, которые могут очень сильно повлиять на фор-
мирование мозга и, как следствие, на поведение индивида. Да, речь идёт
об эпи генетике — процессе изменения работы генов, вызванном механиз-
мами, не затрагивающими последовательности ДНК. Тяжёлые условия
среды приводят к большому уровню стресса у потомства, рождённого или
172
ещё вынашиваемого в утробе. Стресс провоцирует эпигенетические моди-
фикации ряда важных генов, что влечёт неприятные последствия для
формирования нервных сетей в мозге (чуть подробнее о том, как это про-
исходит, мы поговорим в следующей главе). В данном случае наследствен-
ность как бы и ни при чём, зато эффект среды проявляется очень ярко.
ПОДВОДЯ итоги. 'енетика поведения однозначно говорит о том, что
все поведенческие черты находятся под значительным влиянием гене-
тических факторов и в меньшей степени среды. Наследование той или
иной черты поведения зависит от множества генов. Однако, как пока-
зал полногеномный анализ ассоциаций, вклад каждого отдельного гена
и незначителен.
В 1869 г. Фрэнсис Гальтон написал книгу под названием «Наследственный ге-
ний». В ней он сделал вывод, что у выдающихся людей больше шансов иметь
выдающихся детей, чем у рядового человека. Как вы считаете, насколько
справедливы выводы Гальтона 150 лет спустя?
Глава 27
ОТ ГЕНОВ К ПОВЕДЕНИЮ
Довольно трудно себе представить, как поведение, сложное, многооб-
разное и уникальное для каждого индивида, кодируется последовательно-
стью нуклеотидов в молекуле ДНК. Однако в основе всего лежит химия —
сложная и прекрасная.
Проиллюстрируем эту мысль одним примером. В нашем мозгу есть
нейромедиатор серотонин, он участвует в передаче сигнала от одной нерв-
ной клетки к другой. В этом серотонину помогает множество специфиче-
ских рецепторов, от работы которых во многом зависят его непосредствен-
ные эффекты. Благодаря одним рецепторам серотонин может притормо-
зить активность нейрона, благодаря другим, наоборот, усилить. Нейроны,
в которых синтезируется серотонин, пускают отростки-аксоны практиче-
ски во все отделы мозга, оплетая его большой сетью.
Серотонин, как и другие нейромедиаторы (а их много), «дирижирует
оркестром» нейрональной активности: в каждый момент времени в одной
структуре мозга нужно держать активность нейронов чуть ниже, в дру-
гой — чуть выше. Кроме того, выброс серотонина в нужном месте в нуж-
ное время позволяет оперативно реагировать на сигналы из внешней сре-
ды. От уровня серотонина зависит тонкая регуляция настроения: стоит
уровню существенно снизиться на длительный промежуток времени
и у человека разовьётся депрессия (тяжёлое заболевание, а вовсе не та
лёгкая хандра, которую называют депрессией в быту). Баланс уровня се-
ротонина позволяет также контролировать нашу агрессивность.
173
ПОВЕДЕНИЕ
Мутантный
вариант гена
триптофан-
гидроксилазы-2
Фермент
ТРН2
работает
ПЛОХО
МАЛО
серотонина
ДЕПРЕССИЯ
Рис. 7-10. Однонуклеотидная замена в гене ТРН2 приводит к изменению поведения
За то, чтобы уровень серотонина всегда оставался высоким, отвечает
триптофангидроксилаза-2 (ТРН2) — ключевой фермент в производстве
серотонина. Ген, который кодирует ТРН2, имеет различные аллельные
варианты, некоторые из которых производят функционально различные
белки. Один такой аллель называется C1473GV Он примечателен тем, что
нарушает работу фермента и приводит к снижению его активности. Имен-
но эта однонуклеотидная мутация была заподозрена в развитии депрес-
сии у человека.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи Новосибирского ин-
ститута цитологии и генетики СО РАН вывели специальную линию мы-
шей, гомозиготных по С1473G-аллелю. Как и предполагалось, фермент
ТРН2 у них работал плохо и серотонина синтезировалось мало. Самое
главное, что поведение у мышей тоже изменилось. Они стали демонстри-
ровать признаки депрессии и почти полностью утратили признаки агрес-
сивного поведения. Как видите, замена всего одного нуклеотида в гене за-
пустила цепочку молекулярных событий, которые в конечном счёте могут
кардинально поменять поведение животного (рис. 7-10).
Как вы думаете, часто ли аллель C1473G встречается в природных
популяциях мышей? При проверке различных популяций со всего Евра-
зийского континента единственная мышь — носитель этого аллеля была
поймана в Новосибирске... в окрестностях вивария Института цитологии
и генетики. Поэтому есть обоснованное подозрение, что этот носитель при-
надлежит к выведенной исследователями линии и просто совершил не-
удачный побег из своего «персонального Шоушенка». Однако отсутствие
аллеля C1473G в природе легко объяснимо: пассивная и неагрессивная
мышь не будет способна ни постоять за себя, ни завоевать любовь самки,
т. е. она просто не оставит потомства (и аллель исчезнет после её смерти).
1 В этой аббревиатуре зашифровано, что произошла замена С на G в 1473-й пози-
ции 11-го экзона гена. Это приводит к замене аминокислоты аргинина на пролин
в 447-й позиции белковой молекулы ТРН2.
174
Впрочем, любые варианты генов, понижающие репродуктивный успех,
исчезают из популяции — именно так и проявляется действие естествен-
ного отбора.
Самое интересное, что исследование большого числа людей, страдаю-
щих от депрессии, не выявило ассоциации между заболеванием и наличи-
ем аллеля C1473G или G1463A (это другой функционально значимый ва-
риант). Таким образом, мы в очередной раз видим подтверждение прави-
ла генетики поведения — один ген «в поле не воин». Да, в условиях,
приближенных к идеальным, мы можем убедительно продемонстрировать,
как работа конкретного гена вовлечена в контроль поведения, но в реаль-
ности для того, чтобы реализовался тот или иной вариант поведения, не-
обходим вклад большого числа генов.
В предыдущей главе мы затронули вопрос о том, как стресс и эпиге-
нетические модификации могут менять поведение. Давайте сейчас остано-
вимся на этом подробнее.
То, как организм будет реагировать на стресс, зависит от уровня гор-
монов стресса (глюкокортикоидов) и их рецепторов. Допустим, вы гуляли
по лесу и среди деревьев вам померещился волк. Мозг, оценив уровень
опасности, активирует гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систе-
му, или ГГНС. Гипоталамус синтезирует кортикотропин-релизинг фактор,
который поступает в гипофиз и стимулирует выработку адренокорти-
котропного гормона. Этот гормон поступает в надпочечники и там запуска-
ет выработку глюкокортикоидов (у человека основным и наиболее актив-
ным является кортизол, а у крыс это кортикостерон). Эти гормоны акти-
вируют многие системы организма, подготавливая его к борьбе или бегству
(особенно в случае с волком).
Однако в больших количествах глюкокортикоиды становятся токсич-
ными для нейронов. Для того чтобы этого не происходило, существует пет-
ля отрицательной обратной связи: рецепторы в структуре мозга под на-
званием гиппокамп связываются с глюкокортикоидами и посылают сигнал
в гипоталамус, блокирующий выработку кортикотропного гормона, благо-
даря чему активность ГГНС останавливается. Именно это происходит,
когда вы понимаете, что волк вам просто померещился.
Но что будет, если глюкокортикоидных рецепторов в гиппокампе ма-
ло? Тогда ГГНС уже ничто не сможет остановить, и даже в ответ на мини-
мальный стресс глюкокортикоиды будут производиться в «промышлен-
ном» масштабе.
Материнская забота в ранний период жизни напрямую способствует
правильному созреванию ГГНС (рис. 7-11). Экспериментально было показа-
но, что когда самка крысы вылизывает своих детёнышей, в гиппокампе по-
вышается уровень серотонина, который активирует серотониновые рецеп-
торы. Активация рецепторов через ряд посредников стимулирует транс-
крипционный фактор NGFIA, который связывается с промотором в гене,
кодирующем глюкокортикоидные рецепторы. Эти рецепторы экспрессиру-
ются в достаточном количестве, и ГГНС созревает готовой адекватно реаги-
ровать на стресс.
175
ПРАВИЛЬНАЯ
РЕАКЦИЯ
НА СТРЕСС
Рис. 7-11. Схематичное изображение механизма родительской регуляции
созревания ГГНС
Чтобы понять, в какой момент что-то может пойти не так, исследова-
тели вывели линию крыс, самки которой совершенно равнодушны к свое-
му потомству — они не вылизывают своих детёнышей и часто их просто
оставляют без внимания.
В результате эти детёныши вырастают в крайне тревожных крыс
с очень большим уровнем кортикостерона. А на молекулярном уровне
у этих крыс происходят удивительные вещи — промотор гена глюкокорти-
коидного рецептора подвергается эпигенетической модификации, на цито-
зиновых основаниях появляются метильные (—СН3) метки, которые не по-
зволяют NGFIA взаимодействовать с промотором и запускать экспрессию.
176
В результате у несчастных крысят синтезируется мало глюкокортикоид-
ных рецепторов и ГГНС не может нормально регулировать сама себя. Эти
животные живут как будто в постоянном стрессе.
Впрочем, было установлено, что метилирование — это обратимая мо-
дификация. В тех случаях, когда брошенных крысят воспитывала крыса
с нормальным материнским поведением, метильные метки исчезали.
Данные эпигенетики показывают, насколько важным может быть
влияние среды в определённых обстоятельствах. Но не стоит думать, что
выводы эпигенетики и генетики поведения вступают в противоречие. По-
ведение матери, добровольно бросившей своё потомство, находится под
сильным влиянием генетических факторов, и развитие тревожности у это-
го потомства является сложным многоступенчатым процессом, вовлекаю-
щим в работу множество генов. И давайте держать в уме очевидный
факт — брошенные малыши являются потомством своих нерадивых мате-
рей, а значит, генотип в любом случае имеет значение. Достаточно ска-
зать, что выраженность тревожного поведения у брошенных детёнышей
может сильно варьировать.
........> Ролевая игра «ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ»
Активность нейронных сетей во многом основана на балансе процессов возбуж-
дения и торможения. Наиболее распространённый возбуждающий нейромедиа-
тор — глутамат, а наиболее распространённый тормозящий — гамма-аминомас-
ляная кислота (ГАМК). Чтобы наглядно представить себе то, как разные нейроме-
диаторные системы контролируют друг друга и что из этого получается, давайте
сыграем в игру.
Возьмите элементы химического конструктора (можно использовать части моле-
кул, нарисованные на бумаге), чтобы из них можно было собрать простые моле-
кулы, которые мы условно назовём серотонином, глутаматом или ГАМК (можно
собирать и настоящие молекулы, если у вас есть опыт работы с конструктором
(рис. 7-12) и вы сможете это делать быстро).
Разделитесь на три группы. В каждой группе должен быть конструктор. Выберите
ведущего — он (она) будет представлять собой пирамидный нейрон, который отве-
чает за сохранение и воспроизведение позитивных воспоминаний.
1) На первом этапе каждая группа выбирает себе роль: серотониновый нейрон,
глутаматный интернейрон или ГАМК-ергический интернейрон. (За термином
«интернейрон», хоть он и звучит несолидно, скрывается группа нейронов-по-
средников, которых в мозге большинство.)
2) В каждой группе выбирают того, кто будет выполнять функцию «аппарата син-
теза», т. е. собирать молекулы нейромедиатора, а также того, кто будет «ап-
паратом секреции», т. е. передавать нейромедиатор нейрону. В тех группах,
которые играют за глутаматный интернейрон или ГАМК-интернейрон, выбира-
ют ещё и того, кто будет играть роль серотонинового рецептора, принимаю-
щего молекулу серотонина от серотонинового нейрона.
177
Рис. 7-12. Модели молекул,
собранные из деталей молекулярного
конструктора
3) Как только интернейрон получает мо-
лекулу серотонина, «аппарат синтеза»
может создать молекулу своего нейро-
медиатора и передать её пирамидному
нейрону с помощью «аппарата секре-
ции». По условиям игры в первом раун-
де возможности двух интернейронов
одинаковые.
4) Во втором раунде одному из интерней-
ронов разрешается использовать два
серотониновых рецептора и соответ-
ственно он может собрать в 2 раза
больше молекул нейромедиатора.
5) По итогам каждого раунда подсчитыва-
ется число молекул глутамата или ГАМК
у пирамидного нейрона.
Обсудите, как меняется активность нейро-
на в зависимости от того, сколько молекул
нейромедиатора от интернейронов он по-
лучает. Какую роль здесь играет серото-
нин и его рецепторы, как это сказывается
на поведении? Где мы можем найти пира-
мидные нейроны и как их функция изме-
нится при дефиците серотонина?
ПОДВОДЯ итоги. В настоящее время стало возможным проследить
всю цепочку событий от экспрессии одного гена к проявлению того или
иного поведенческого признака, как выстраивается на молекулярном
уровне контроль поведения. Вместе с тем результаты экспериментов
подкрепляют или дополняют выводы классической генетики поведе-
ния.
1. Обсудите, какие генетические нарушения могут приводить к нарушению
передачи сигнала головному мозгу.
2. Информация и жизнь. Существование живых систем предполагает комму-
никацию, т. е. передачу сообщений (информации) между частями системы.
Приведите различные примеры подобных коммуникационных структур.
Какова природа сигналов, попадающих на вход коммуникационной цепи,
и в каком виде передаётся информация? Выявите общие черты и разли-
чия в структуре и функционировании информационных подсистем на раз-
ных уровнях организации живого.
178
Практикум
Работа 7-1. ПРЕДСКАЗАНИЕ СОБСТВЕННОГО РОСТА
Предскажите свой будущий рост. Вот прямо сейчас, не сходя с места. Запишите
предсказание на бумагу. Поставьте дату и распишитесь. Бумагу положите в бу-
тылку. Бутылку заройте в лесу. В свой 20-й день рождения выкопайте бутылку,
соберите гостей, измерьте свой рост. Огласите его, а потом достаньте из бутыл-
ки и громко прочитайте своё предсказание, и пусть ваши гости восхитятся пре-
диктивной мощью генетики!
ЗАДАЧИ
Задача 1
Цель селекции — получить мини-уток. Вы начинаете со средней массы уток 3 кг.
Вы отбираете и размножаете уток со средней массой 1 кг. Если коэффициент на-
следуемости (Л2) массы тела в данной популяции уток составляет 0,25, какой бу-
дет средняя масса следующего поколения уток?
Задача 2
Предскажите рост Ани и Юры Юрченко, если рост их папы 183 см, а мамы —
172 см.
Задача 3
Аллель Г гена rs143384 связан с повышением роста в среднем на 5 мм. Аллель
А гена rs2871960 связан с понижением роста в среднем на 3 мм. Аллель Ц гена
rsl355603 связан с повышением роста в среднем на 4 мм. При отсутствии этих
аллелей в геноме ожидаемый рост мужчины составляет 178 см, женщины —
165 см.
Генотип Юрия Александровича по генам rs143384, rs2871960, rs1355603\ ГГ,
ЦА, ТТ соответственно. Определите ожидаемый рост Юрия Александровича.
Задача 4
Генотип Анны Александровны по генам rs143384, rs2871960, rs1355603'. АГ,
ЦЦ, ЦТ соответственно. Определите ожидаемый рост Анны Александровны.
Работа 7-2. ТРАНСКРИПЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ
Поведенческие признаки кодируются большим числом генов, но даже при этом
вклад разных генов в поведение может сильно варьировать. Часто это обуслов-
лено тем, где, когда и как происходит экспрессия гена.
Наглядно это могут продемонстрировать паттерны экспрессии в мозге. Сущест-
вует интернет-ресурс, где эти самые паттерны можно визуально оценить, —
179
Allen Brain Atlas. В качестве задания вам предлагается оценить паттерны экс-
прессии двух генов, играющих очень важную роль в дофаминовой системе, —
DAT (транспортёр1 дофамина) и СОМТ (фермент, который разрушает дофамин).
Оба эти белка ассоциируются с нарушениями поведения. Особенно много ассо-
циаций демонстрирует СОМТ — мутации в этом гене связывают с шизофре-
нией, агрессивностью, алкоголизмом, депрессией и многими другими наруше-
ниями.
Почему именно так? Давайте проверим.
Зайдите на сайт https://mouse.brain-map.org, перейдите в раздел MOUSE BRAIN
ATLAS (мышиный мозг мы будем рассматривать для удобства в первую очередь
из-за его компактности), далее выберите Gene Search и впишите в поисковое
окно DAT.
Как только вы это сделаете, перед вами появится таблица с несколькими ва-
риантами паттернов (это результаты нескольких независимых исследований
по картированию экспрессии). Выберите тот вариант из предложенных, где
в столбце Plane указан coronal (фронтальный разрез), и нажмите на символ,
обозначающий ген (Gene Symbol). Теперь вы можете видеть срезы мозга, на
которых наибольшая плотность транскриптов отмечена тёмными точками. Для
удобства вы можете вверху, над картинкой со срезом, переключиться из ре-
жима ISH в режим Expression. Теперь наибольшая плотность транскриптов бу-
дет отмечена ярко светящимися точками на тёмном фоне. Вам нужно опреде-
лить, в какой структуре мозга транскрипция DAT наибольшая, и отметить эту
структуру на контурном изображении. В качестве такового вам послужит кар-
тинка, которую вы скачаете, пройдя по ссылке http://labs.gaidi.ca/mouse-brain-
atlas/?ml=l&ap=%C2%AD3.5&dv=0.
Ориентироваться в топографии мышиного мозга вам поможет раздел REFERENCE
ATLAS, где вам нужно выбрать Coronal Atlas. Кликнув на любой из срезов, вы по-
лучите доступ к подробной карте с подписями (необходимо навести мышку на ин-
тересующую вас область).
Действуя по сходному алгоритму, откройте паттерн экспрессии СОМТ. В этот раз
на реальном срезе вам необходимо отыскать гиппокампальную формацию
(здесь вам пригодится вкладка Sagittal Atlas) и отметить её на контурном изо-
бражении (его вы также найдёте по ссылке http://labs.gaidi.ca/mouse-brain-
atlas/?ml=l&ap=%C2%AD3.5&dv=0).
После выполнения работы ответьте на следующие вопросы:
1. Какие функции выполняют структуры мозга, которые вы определили?
2. Как, по вашему мнению, соотносится плотность транскриптов, структура моз-
га, где они обнаруживаются, и формы поведения, ассоциированные с иссле-
дуемым геном?
1 Конкретно этот транспортёр связывается с дофамином и уносит его обратно
в нейрон, где тот может использоваться повторно. Получается такая своеобразная
экономия.
180
Что читать
1. Тарантул Вячеслав. «Геном человека: Энциклопедия, написанная четырь-
мя буквами». Книга раскрывает долгую и драматичную историю изучения ге-
нома человека и современные представления о том, как он устроен и что
в нём содержится. Из этой книги вы узнаете, на каких хромосомах находятся
гены предрасположенности к различным заболеваниям, как учёные пытают-
ся подобрать ключи к исправлению нарушенных функций генов и как они на
основе знаний о структуре и функции клеток разрабатывают новые лекар-
ства.
2. Сапольски Роберт. «Биология добра и зла». Это весьма фундаментальное со-
чинение, но пусть вас не пугает ни внушительный объём, ни пафосное назва-
ние. Книга хорошо освещает множество аспектов человеческого поведения
с позиций эволюционной биологии и генетики поведения. Кроме того, она на-
писана очень живым языком и этим сильно отличается от скучного академи-
ческого учебника.
181
Модуль 8
ГЕНЕТИКА ОТКРЫВАЕТ ИСТОРИЧЕСКИЕ
ТАЙНЫ
АЛЕКСАНДР
Пилипенко
Из этого модуля вы узнаете, как анализ ДНК
позволяет открывать тайны эволюционного и исто-
рического прошлого, а также современные тай-
ны. Об эволюционной истории видов и популя-
ций и методах её исследования вам расскажет
Александр Пилипенко, кандидат биологических
наук, ведущий научный сотрудник межинститут-
ской лаборатории молекулярной палеогенетики
и палеогеномики Института цитологии и генетики
СО РАН.
Историю о том, как генетики помогают крими-
налистам, Александр написал вместе с уже знако-
мой вам Анастасией Юнусовой.
Глава 28
ДНК КАК ХРОНОМЕТР
ЭВОЛЮЦИИ
Из предыдущих глав вы уже знаете, что структура ДНК постоянно
меняется из-за появления мутаций, создающих новые аллели (см. главу 3).
В результате этого и благодаря дрейфу генов и естественному отбору
постепенно меняется генетический состав популяций (см. главы 22—23).
С точки зрения молекулярной генетики такое изменение генетического
состава и представляет собой элементарный механизм эволюции.
Особая прелесть этой ситуации для генетика заключается в том, что
вся история популяций, видов и любых других эволюционных групп (еди-
ниц) оставляет следы в последовательности ДНК особей, составляющих
эти группы. Нам остаётся лишь прочитать и расшифровать эти следы. Но
как это сделать?
Рассмотрим сначала ситуацию, когда нам ничего не известно об эво-
люционных взаимоотношениях исследуемых организмов. Для оценки сте-
пени их эволюционного родства нам необходимо сравнить нуклеотидные
последовательности их ДНК и оценить количество различий между ними.
182
Для филогенетического анализа (т. е. для оценки эволюционного род-
ства организмов или видов) подходят только ортологичные последова-
тельности. Так называют последовательности ДНК (гены, локусы) в гено-
мах разных организмов, произошедшие от одной предковой последова-
тельности (локуса, гена) в процессе эволюции. И если выбор ортологов
у эволюционно близких организмов не составляет труда, то при анализе
эволюционно далёких видов эта задача может оказаться весьма непростой.
Например, при филогенетическом анализе млекопитающих часто исполь-
зуют митохондриальный ген цитохрома b (MT-CYB) или один из экзонов
гена рецептора гормона роста (GHR). Для филогенетического анализа рас-
тений широко используют ДНК хлоропластов, а для реконструкции эво-
люционных взаимоотношений бактерий — последовательность гена РНК
малой субъединицы рибосомы (165). Главное, чтобы гены, последователь-
ность которых вы сравниваете у двух или более видов, происходили от
одного и того же гена их общего предка. Как правило, функции ортологич-
ных генов у разных организмов совпадают: у всех млекопитающих есть
гены, ортологичные, например, гену гемоглобина человека, и все они коди-
руют белок гемоглобина (глобин).
Использовать сравнение ортологичных последовательностей раз-
ных видов для определения времени существования их последнего обще-
го предка позволяет метод молекулярных часов. Этот метод датирова-
ния эволюционных событий (расхождения видов и т. д.) основан на пред-
положении, что накопление мутаций в ДНК происходит с практически
постоянной скоростью (рис. 8-1). Такое предположение может быть вер-
ным, если подавляющее число мутаций на молекулярном уровне ней-
трально по отношению к естественному отбору (т. е. попросту им игнори-
руется).
Время
Рис. 8-1. Метод молекулярных часов
183
В условиях постоянной скорости накопления мутаций будет выполняться об-
щий принцип метода молекулярных часов: чем больше различий в ортологичных
последовательностях ДНК двух видов организмов, тем раньше они разошлись
на эволюционном пути и тем больше возраст их последнего общего предка.
Скорость накопления нуклеотидных замен мало зависит от числен-
ности популяций. С одной стороны, в большой популяции возникает боль-
ше новых мутаций, чем в популяции с малой численностью. С другой сто-
роны, из-за большой численности они медленнее фиксируются. В малых
популяциях появляется меньше мутаций, но зато появляющиеся мутации
намного быстрее фиксируются генетическим дрейфом. В результате сред-
няя скорость накопления мутаций в больших и малых популяциях значи-
мо не различается, т. е. молекулярные часы тикают в них одинаково.
Итак, допустим, мы секвенировали ортологичные последовательно-
сти ДНК каждого из видов, сравнили их и узнали, какое число различий
в этих последовательностях было накоплено с момента существования по-
следнего общего предка анализируемых организмов. Каждый из видов на-
капливал различия с одинаковой и постоянной скоростью, поэтому число
замен, накопленных в каждой филогенетической линии, равно полусумме
различий между видами.
Для того чтобы перевести возраст существования общего предка из
числа нуклеотидных замен в единицы астрономического времени (годы,
тысячелетия и т. д.), нам нужно откалибровать наши молекулярные часы.
В этом нам помогут палеонтологические данные.
Палеонтология — это наука, изучающая организмы, существовавшие
в прошлые геологические эпохи, по их остаткам и реконструирующая на этой
основе ход биологической эволюции.
........> Палеонтологи оценивают время существования последнего общего I
предка шимпанзе и современного человека примерно в 6—7 млн лет. Используя ь
эти данные, мы можем вычислить скорость накопления мутаций в митохондри-
альной ДНК (мтДНК) человека (и шимпанзе) как отношение удвоенного возраста 1
существования последнего общего предка (Г) к числу различий, накопленных
между мтДНК человека и шимпанзе (JV). При этом результат нужно удвоить, так
как каждый из сравниваемых видов на протяжении этого срока эволюциониро-
вал независимо:
Vmdt = 2-77tf
В данном случае скорость возникновения мутаций равна времени, за которое по- 1
является одно различие в ортологичной последовательности ДНК двух сравнива-
емых организмов. <
184
........•> Скорость накопления мутаций также часто представляют как ско-
рость дивергенции ортологичных последовательностей:
^дивергенции — -Мэнп/^ ‘ ^предк ' ^)»
где NoHn — число нуклеотидных различий (замен), произошедших между орто-
логичными последовательностями двух видов; Tnpe/Vl — возраст существования
общего предка; L — длина ортологичной последовательности ДНК, используе-
мой для анализа.
Скорость дивергенции последовательностей в таком случае оценивается как число
нуклеотидных замен, возникающих за единицу времени в пересчёте на один нукле-
отид анализируемой ортологичной последовательности. Подобным образом можно
оценивать и скорость замен в других частях генома обоих видов. <
Частоту возникновения новых мутаций можно оценить на основе
анализа родословных. Как правило, у исследователей есть возможность
провести молекулярно-генетическое исследование особей из родослов-
ных, включающих небольшое (в масштабах эволюции) число поколений
(рис. 8-2). Зафиксировав в пределах нескольких поколений родословной
число новых мутаций, учёные затем экстраполируют эти данные на боль-
шее число поколений.
Рис. 8-2. Анализ возникновения новых мутаций при рассмотрении родословных
185
Интересно, что оценки, полученные при помощи второго способа,
обычно существенно (на порядок!) больше оценок, полученных с помощью
первого подхода. Ведь при анализе родословных мы учитываем все мута-
ции, которые возникают в интересующем нас фрагменте ДНК, т. е. анализ
родословных позволяет нам оценить скорость возникновения мутаций, а не
скорость их накопления в процессе эволюции. А при анализе с помощью
первого подхода мы имеем дело с мутациями, которые после возникнове-
ния закрепились в популяциях. Исследователи, применяющие первый
подход, просто не видят мутаций, которые возникали и бесследно исчеза-
ли за многие и многие поколения.
Мы знаем, что в истории многих видов (и тем более популяций) бы-
вали периоды критического сокращения численности, бутылочные гор-
лышки (см. главу 22). В результате популяции (и виды) могли терять зна-
чительную долю накопленного в предшествующие периоды генетического
разнообразия. Поэтому оценки, полученные с помощью сравнения совре-
менных видов, иногда бывают заниженными.
Существует масса других факторов, от которых зависит точность
оценки возраста эволюционных событий. Вы заметили, что мы так и не на-
звали скорость накопления мутаций в митохондриальной ДНК человека?
Это потому, что разные фрагменты мтДНК накапливают мутации с раз-
ной скоростью (табл. 8.1).
Таблица 8.1
СКОРОСТЬ НАКОПЛЕНИЯ МУТАЦИЙ В РАЗНЫХ УЧАСТКАХ
мтДНК ЧЕЛОВЕКА
Участок (участки) мтДНК Скорость накопления нуклеотидных замен (число замен на одну позицию мтДНК в год)
Вся мтДНК 1,6 IO’8
Контрольный район: первый гипервариа- бельный сегмент 1,6 • 10-7
Контрольный район: второй гипервариа- бельный сегмент 2,3 • 10-7
Белок-кодирующие гены (1-я и 2-я позиции в кодоне) 8,9 • IO’9
Белок-кодирующие гены (3-я позиция в кодоне) 1,9 IO’8
Гены рибосомной РНК 8,2 • IO'9
Гены транспортной РНК 6,9 • IO’9
186
Различия в скорости накопления нуклеотидных замен в разных
участках ДНК (локусах) позволяют оценить уровень их консервативно-
сти. Чем меньше скорость накопления нуклеотидных замен, тем более
консервативен генетический локус. Уровень консервативности локуса свя-
зан с давлением естественного отбора: эволюционно нейтральные локусы
накапливают замены быстрее, чем те, которые подвержены сильному ста-
билизирующему отбору. Консервативность служит характеристикой не
только локусов, но и отдельных позиций в ДНК. На примере данных по
мтДНК хорошо видно, что скорость накопления нуклеотидных замен в бе-
лок-кодирующих последовательностях ДНК значительно выше для ну-
клеотидов, стоящих на 3-й позиции в кодоне, кодирующем аминокислоту,
по сравнению с нуклеотидами на 1-й и 2-й позициях. Изменение нуклео-
тида в 3-й позиции не приводит к замене аминокислоты в белке и во мно-
гих случаях является эволюционно нейтральным (подробнее о генетиче-
ском коде см. главу 2). Для различных составляющих ядерного генома эти
оценки будут варьировать ещё сильнее.
Но у каждой медали есть обратная сторона: из-за того, что разные
части нашего генома накапливают мутации с разной скоростью, мы имеем
возможность оценивать возраст эволюционных событий разного масшта-
ба, т. е. охватывающих разные по протяжённости периоды времени. Об-
щий принцип такой: чем дальше друг от друга на эволюционном дереве
отстоят сравниваемые организмы, тем более консервативные локусы гено-
ма нужно использовать для анализа. В результате в руках генетиков име-
ется целый арсенал маркеров, позволяющих исследовать как недавние
внутрипопуляционные события, так и эволюционные происшествия, уда-
лённые от нас по времени.
........> Практическое задание «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПА ЗАМЕН»
На длинных временных дистанциях для установления филогенетических свя-
зей можно воспользоваться сравнением последовательностей медленно эволю-
ционирующих белков. На рисунке 8-3 приведено число замен в белковых по- 1
следовательностях, накопленных за время, прошедшее с момента разделения
групп.
Задание
1. Используя рисунок, определите скорость появления аминокислотных замен
в соответствующих белках (% замен на млн лет).
2. Подумайте, какой из маркеров подойдёт для изучения эволюции отрядов мле- '
копитающих, а какой — для изучения эволюции классов позвоночных.
3. Обсудите, в чём опасность выбора слишком быстро или слишком медлен- 1
но эволюционирующего маркера для построения филогенетических дере-
вьев. <
187
Рис. 8-3. Скорость эволюции различных белков
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Эволюционная история видов оставляет следы
в виде изменения последовательности их ДНК. Сравнивая ортологич-
ные последовательности ДНК и зная скорость накопления мутаций,
можно датировать эволюционные события и реконструировать их по-
следовательность. Поэтому ДНК представляет собой довольно точный
хронометр эволюции.
1. Почему время существования вида, определяемое молекулярной генети-
кой, часто не совпадает со временем существования вида, определяемым
палеонтологией?
2. Существуют ли универсальные маркеры ДНК, которые годятся для опреде-
ления времени расхождения любых видов?
3. Обсудите, можно ли использовать в качестве хронометра эволюции по-
следовательности ДНК, мутации в которых сильно сказываются на при-
способленности их носителей.
188
Глава 29
КТО ОТ КОГО ПРОИЗОШЁЛ:
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ДЕРЕВЬЯ
На основе сравнительного анализа последовательностей ДНК можно
реконструировать даты эволюционных событий. Оценивая эти даты, мы
можем понять, в какой последовательности происходили события. В гене-
тике существует специальный раздел, посвящённый реконструкции эво-
люционной истории организмов по последовательности их ДНК, — моле-
кулярная филогенетика. Наиболее удобным способом наглядного пред-
ставления эволюционных событий и одновременно главным инструментом
молекулярной филогенетики служит филогенетическое дерево.
Филогенетическое дерево — это график, отражающий эволюционные
взаимоотношения между анализируемыми эволюционными единицами (вида-
ми, другими таксонами, организмами или просто вариантами ДНК). Основная
функция такого дерева заключается в изображении эволюционного пути ви-
дов (организмов, генов) от общих предков, т. е. в определении этих общих
предков и выстраивании их в эволюционную цепочку — вплоть до современ-
ных потомков.
Рассмотрим принципы построения, структуру и типичные элементы
филогенетического дерева на примере дерева эволюционных взаимоотно-
шений между видами рода Лошади (Equus) — единственного сохранивше-
гося до наших дней рода семейства Лошадиные (Equidae). Для того чтобы
построить это дерево, потребуется провести сравнительный анализ орто-
логичных последовательностей ДНК разных видов лошадей, ослов и зебр,
которые относятся к роду Equus, и установить последовательность суще-
ствования их общих предков.
Каждый последний общий предок, от которого разошлись те или
иные две группы внутри рода Лошади, будет расположен в узле дерева.
Другими словами, узел обозначает место предполагаемого разветвления
эволюционного пути. Ветви, отходящие от узла, отображают эволюцион-
ный путь каждой из групп после расхождения от общего предка. Те совре-
менные виды, ДНК которых мы исследовали при построении дерева, рас-
положены на концах ветвей (как листья).
Корень филогенетического дерева лошадей соединяет его с деревья-
ми других млекопитающих, наиболее эволюционно близкими им. А в узле
дерева, к которому подходит корень, расположен последний общий пре-
док всех видов, объединённых в род Equus.
Понятно, что каждый предок, расположенный в узле дерева, имел
своего предка, расположенного в узле предыдущего порядка (как вы пом-
ните, у каждой нашей эволюционной бабушки была своя бабушка). Листья
и узлы, объединённые более близким эволюционным родством по сравне-
189
нию с другими листьями и узлами дерева, формируют клады различного
порядка.
Клада (в филогенетике) — это группа видов (организмов, вариантов после-
довательности ДНК или других эволюционных единиц), которая происходит от
общего предка (предковой последовательности ДНК) и объединяет всех по-
томков этого предка в составе филогенетического дерева. Например, в соста-
ве рода Лошади выделяются клады, соответствующие подродам Ослы, Лоша-
На самом деле главная проблема при построении любого филогене-
тического дерева — определение положения его узлов друг относительно
друга. Для этого используют принцип триангуляции, согласно которому
мы можем определить положение третьего объекта, если знаем располо-
жение первого и второго, расстояние между ними и расстояние от каждо-
го из двух до третьего.
Кианг (Е.
Азиатский дикий
осёл (Е. h. onager)
ВЕТВИ
Рис. 8-4. Филогенетическое дерево представителей рода Лошади (Equus)
Сомалийский дикий
осёл (Е. a. somaliensis)
Домашний осёл
(Е. a. asinus)
КОРЕНЬ
Бурчеллова (саванная)
190
Дерево может отображать просто последовательность эволюционных
событий, т. е. расхождение (дивергенцию) групп друг от друга (рис. 8-4),
или нести более точную информацию о хронологии изображаемых им эво-
люционных событий. В последнем случае длина ветвей филогенетическо-
го дерева будет пропорциональна числу мутаций, накопленных каждой из
групп в последовательностях ДНК с момента их расхождения от узла, т. е.
времени существования (возраста) их последнего общего предка. Его воз-
раст можно обозначить либо в узлах дерева, либо с помощью хронологи-
ческой шкалы.
Расположение ветвей и узлов (топология филогенетического дерева)
может отражать эволюционные события различного масштаба и нести
разную смысловую нагрузку. Рассмотренное выше филогенетическое де-
рево лошадей отражает эволюционное родство между видами и более
крупными таксонами. Подобным образом реконструировано и филогене-
тическое дерево всех живых организмов (см., например, https://www.
evogeneao.com/en/explore/tree-of-life-explorer). Эти деревья отражают
макроэволюционные события.
•> Практическое задание «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСТАНЦИИ
МЕЖДУ ТАКСОНАМИ»
Как определять расстояние между таксонами
по филогенетическому дереву? Давайте для
примера найдём дистанцию между таксонами
В и Е (рис. 8-5). Для начала найдём их по-
следнего общего предка: это узел дерева на
расстоянии 8,25% (который можно увидеть
по шкале справа от дерева). От общего пред-
ка до В мы наблюдаем 8,25% замен, такое
же расстояние от общего предка до Е (кстати,
замены там, скорее всего, другие).
Для того чтобы получить расстояние от В
до Е, нужно сложить эти дистанции: 8,25 % +
+ 8,25% = 16,5%. Обратите внимание, что
для расчёта расстояния между таксонами
важна лишь длина ветвей (в нашем примере
это расстояние по вертикали), а вот порядок
расположения таксонов (здесь это расстояние
между таксонами по горизонтали) не оказы-
вает никакого влияния на это расстояние.
Задание 1
Рассмотрите изображённое на рисунке фило-
генетическое дерево, определите дистанции
в процентах нуклеотидных замен между таксо-
нами А и В, С и D, С и Е, А и Е, В и F, Е и G.
Рис. 8-5. Филогенетическое
дерево (на шкале приведён < '
процент нуклеотидных замен)
191
Задание 2
Известно, что скорость замен изучаемого молекулярного маркера составля-
ет 2% нуклеотидных замен на миллион лет на одну эволюционную линию или
4% попарной дивергенции нуклеотидных замен на миллион лет. Оцените время
существования последнего общего предка для А и В, С и Е, для группы ABCDE,
а также общего предка всех представленных таксонов (ABCDEF). <
Исследовав, например, разнообразие последовательностей опреде-
лённого фрагмента ДНК (локуса) в популяции (или в пределах вида) и по-
строив филогенетическое дерево, мы можем получить наглядное представ-
ление о генетическом разнообразии конкретного локуса внутри популяции
(или вида). Хорошим примером может служить филогенетическое дерево
митохондриальной ДНК человека (http://www.phylotree.org/). Такие дере-
вья отображают уже более тонкие механизмы возникновения и развития
внутривидового разнообразия, т. е. начальные этапы видообразования.
Эволюционные реконструкции, построенные на основе молекуляр-
но-генетических данных, оказались намного точнее, чем те, которые были
основаны на сравнительной морфологии. Одной из причин неточности
морфологической классификации служит конвергенция (или конвергент-
ная эволюция) — биологический процесс, при котором внешнее сходство
возникает у генетически (эволюционно) неродственных организмов, оби-
тающих в сходных условиях, т. е. в условиях одинаково направленного
естественного отбора. Такие яркие примеры конвергенции, которые мож-
но встретить, например, при сравнении различных групп сумчатых и пла-
центарных млекопитающих, могли представлять проблему для система-
тики на самых ранних этапах её развития (рис. 8-6).
Эта проблема остаётся актуальной и сейчас, когда речь идёт о рекон-
струкции эволюционных взаимоотношений в группах с огромным числом
видов, существующих в схожих экологических нишах, — таких как мно-
гие группы насекомых или рыб. Зачастую анализ ДНК является един-
ственным подходом, позволяющим провести тонкую реконструкцию фи-
логенетических отношений между ними.
Дополнительную проблему для реконструкции эволюционных отно-
шений между видами по морфологическим критериям составляет широ-
кая внутривидовая вариабельность многих фенотипических признаков.
Однако и филогенетические реконструкции, полученные молекуляр-
но-генетическими методами, зачастую не являются истиной в последней
инстанции.
Когда мы анализируем генетическую историю, нужно понимать, что тополо-
гия любого филогенетического дерева отражает лишь один из возможных сце-
нариев эволюционных событий. И это, как правило, наиболее вероятный, на
взгляд исследователя, сценарий. Но не следует забывать, что возможны и аль-
тернативные пути (и соответствующие им топологии деревьев).
192
ПЛАЦЕНТАРНЫЕ--------- — — СУМЧАТЫЕ
Рис. 8-6. Конвергенция в различных группах сумчатых и плацентарных
млекопитающих
Деревья или сети? Подробное филогенетическое дерево должно от-
ражать последовательность всех мутационных событий, произошедших
в процессе эволюции локуса. Имея две последовательности ДНК, различа-
ющиеся наличием мутаций (ОНП) в двух точках, во многих случаях мы не
можем точно определить, какая из этих мутаций произошла первой, а ка-
кая второй. Возможны два равновероятных сценария, которые на филоге-
нетическом дереве образуют ячейку сети (рис. 8-7).
Как правило, при построении филогении исследователи получают
массу таких ячеек. Дерево, которое имеет хотя бы одну такую ячейку, в
193
АЦЦГТАЦТТГ
АЦТГТАЦТТГ
И4
> АЦТГТАЦЦТГ
АЦЦГТАЦЦТГ
/|\
Рис. 8-7. Схема, демонстрирующая появление ячейки филогенетической сети
молекулярной филогенетике называют филогенетической сетью. Именно
филогенетическая сеть наиболее полно отражает альтернативные вариан-
ты эволюционных событий. Таким образом, филогенетическое дерево —
это лишь один из вариантов интерпретации филогенетической сети.
Есть и ещё одна проблема с объективностью реконструкции филоге-
нетических деревьев. Она связана с тем, что мы учитываем только то ге-
нетическое разнообразие, которое дошло до нас. Ведь филогенетические
деревья мы строим для тех организмов, цепь предков которых не преры-
валась ни разу до настоящего времени. Частично эту проблему помогают
решать методы палеогенетики, которые мы рассмотрим в специальной
главе.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Молекулярная филогенетика реконструирует эво-
люционную историю организмов по последовательности их ДНК с по-
мощью филогенетических деревьев. Филогенетическое дерево — это
график, отражающий эволюционный путь организмов (видов, других
таксонов, последовательностей ДНК, локусов) в виде цепочки от общих
и предков к современным потомкам.
1. Гены, которые произошли от общего гена-предка, называют гомологичны-
ми. Если гомологичные гены образуются в процессе видообразования, то
такие гены называют ортологами. В этом случае ген, который изначально
имелся у общего предкового вида, в процессе разделения его на два раз-
ных вида оказывается у каждого потомка и в процессе эволюции изменя-
ется. Гены-паралоги возникают в ходе дупликации генов внутри одного
организма, где они оба присутствуют одновременно. Часто паралогичные
гены начинают выполнять различные функции. Пример паралогичных ге-
нов — гены гемоглобина альфа и бета. А вот гены гемоглобина альфа мы-
ши и гемоглобина альфа коровы будут ортологами.
194
Подумайте и обсудите, почему паралогичные последовательности не сле-
дует использовать для построения филогенетических деревьев.
2. Обсудите, от каких факторов, на ваш взгляд, может зависеть скорость на-
копления мутаций. Почему разные участки в геноме имеют различную
скорость накопления изменений?
Глава 30
ГЕНЕТИКА
НА АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ
РАСКОПКАХ
Методы филогенетики долгое время применялись для исследования
генофонда только современных популяций и видов, т. е. учёные рекон-
струировали эволюционное прошлое видов и популяций на основе ко-
нечного результата — их современной генетической структуры. Очевидно,
что любые такие реконструкции и модели носили вероятностный харак-
тер. Ведь уже даже в недавнем прошлом популяционно-генетические со-
бытия могли разворачиваться по разным сценариям, приводящим к схо-
жему результату. Что уж говорить об эволюционных процессах, отдалён-
ных от нас на десятки и сотни тысяч или даже на миллионы лет!
Поэтому исследователи строят ряд альтернативных моделей и срав-
нивают их, а затем останавливаются на той модели, которая в наибольшей
степени отвечает имеющимся данным. Выводы, полученные таким обра-.
зом, необходимо проверять на основе дополнительной информации. Один
из способов независимого получения таких дополнительных данных —
проведение палеогенетических исследований.
Палеогенетика — это раздел молекулярной генетики, который занимает-
ся получением и анализом структуры древней ДНК (так называют ДНК, содер-
жащуюся в биологических остатках различного возраста) для решения широ-
кого круга задач в области эволюционных реконструкций, археологии, антро-
пологии и др.
Исходя из определения, объектами палеогенетического исследова-
ния являются любые биологические остатки, потенциально содержащие
древнюю ДНК. Конечно, чаще всего это сохранившиеся части скелетов
давно умерших организмов {рис. 8-8).
Исследование древней ДНК позволяет напрямую анализировать ге-
нетические особенности как отдельных особей, так и древних популяций,
предковых по отношению к современным. Имея в распоряжении подходя-
щий древний биологический материал различного возраста, мы можем на-
195
ДРЕВНЯЯ
ЛОШАДЬ
ДРЕВНИЙ
МАМОНТ ’ ~ ЧЕЛОВЕК
Рис. 8-8. Остатки древних
животных
прямую проверить те модели генетической
истории, которые были реконструированы
в результате исследования современных
популяций методами филогенетики.
Конечно, проверить модель эволюци-
онных процессов можно и в одной точке
времени — просто взять материалы опре-
делённого возраста и сравнить, совпадают
ли их генетические характеристики с пред-
сказаниями модели. Но лучше всего ис-
следовать древние популяции, которые
сменяли друг друга на одной и той же тер-
ритории в разное время, вплоть до совре-
менности. Такой способ позволяет непо-
средственно проследить изменения в гене-
тической структуре популяций. На данный
момент это самый достоверный способ ре-
конструкции генетической истории совре-
менных видов.
Очень важно, что палеогенетические
методы позволяют также проводить генети-
ческие исследования уже исчезнувших ви-
дов. Например, только благодаря методам
палеогенетики у нас появилась возможность
исследовать генетику некоторых представи-
телей мамонтовой фауны — мамонтов, шер-
стистых носорогов, саблезубых тигров, пе-
щерных медведей и многих других вымер-
ших животных.
Кроме того, благодаря исследованиям древней ДНК мы смогли полу-
чить знания и о видах, которые ещё совсем недавно населяли нашу плане-
ту и были уничтожены в результате деятельности человека, — таких как
европейские дикие быки туры или гигантские нелетающие птицы моа из
Новой Зеландии (рис. 8-9).
.......> Практическое задание «ВОССТАНАВЛИВАЕМ
ФИЛОГЕНИЮ ПО ОСТАНКАМ ДРЕВНЕГО ЧЕЛОВЕКА»
1. Откройте браузер и перейдите по адресу http://www.bioservers.org/
bioserver/.
2. Найдите вкладку Sequence Server и нажмите Enter.
3. Нажмите кнопку Manage Groups.
4. Найдите вкладку Sequence sources и откройте раскрывающееся меню.
196
Рис. 8-9. Филогенетические отношения вымерших и современных представителей
бескилевых птиц по результатам анализа митохондриальной ДНК
5. В меню Classes выберите вкладку Ancient Human mtDNA. Проставьте галочки
около всех возможных ДНК и нажмите кнопку ОК.
6. В окне с выпадающим списком выберите Align и нажмите кнопку Compare.
Распечатайте полученный файл выравнивания. Выпишите в тетрадь информа-
цию о том, какие останки вы исследовали и сколько им лет. Определите, ка-
кая последовательность наиболее сильно отличается от других.
7. Вернитесь назад, в окне с выпадающим списком выберите вкладку
PhilogeneticTree и нажмите кнопку Compare. Рассмотрите полученное дерево
с использованием длины ветвей (выберите в меню Use lengths? Yes). Совпали
ли ваши предположения из п. 6 с представленным деревом? <
197
Палеогенетические исследования играют важнейшую роль в рекон-
струкции эволюционной истории многих видов, включая Homo sapiens. Но
у палеогенетики есть и множество других направлений. Например, очень
важное направление палеогенетики — реконструкция процессов домести-
кации (одомашнивания) животных и растений. Так, палеогенетические дан-
ные позволили установить, что, хотя ранние одомашненные собаки дей-
ствительно произошли от волка ещё в позднем плейстоцене, они не прояв-
ляют сходства ни с одной из современных локальных групп волков. Это
значит, что древняя популяция (или популяции) волков, от которой прои-
зошли ранние одомашненные собаки, к настоящему времени полностью
вымерла и не оставила потомков среди современных животных этого вида.
Другим интересным примером служит история домашних свиней
с территории современной Европы: хотя первые домашние свиньи попали
в Европу с территории Ближнего Востока (где они впервые были одомаш-
нены), последующее активное скрещивание домашних свиней с дикими
европейскими кабанами привело к почти полному размыванию первона-
чально преобладавших ближневосточных генетических компонентов в ге-
нофонде этого домашнего животного.
Древняя ДНК позволяет даже реконструировать изменения клима-
тических условий в различных регионах планеты за последние десятки
и сотни тысяч лет. Такую возможность даёт изучение ДНК из многолет-
них отложений, накапливающихся, например, на дне водоёмов или в усло-
виях ледников и вечной мерзлоты. Узнавая по ДНК, какие виды населяли
данную местность, можно воссоздать климатические особенности эпохи.
Одно из наиболее известных подобных исследований — анализ ДНК,
найденной в глубоких слоях ледников Гренландии. Его результаты пока-
зали, что порядка 450 тыс. лет назад на юге Гренландии, где сейчас распо-
ложены ледники толщиной в километры, существовали совсем другие
климатические условия: эти районы были покрыты настоящими лесами
с богатым составом флоры и фауны (рис. 8-10).
Рис. 8-10. В глубоких слоях ледников Гренландии обнаружена ДНК
большого числа видов растений
198
Конечно, возможности палеогенетики далеко не безграничны. В про-
цессе исследования даже современная ДНК быстро разрушается при не-
соблюдении специальных мер по её хранению. После смерти любого орга-
низма его ДНК разрушается ещё быстрее. Только представьте, в каком ви-
де ДНК доходит до палеогенетика через сотни и тысячи лет!
Из-за слабой сохранности возможности анализа древней ДНК были
весьма ограниченными по сравнению с возможностями анализа современ-
ных образцов. Ситуация изменилась к лучшему с появлением новых мето-
дов, в том числе секвенирования нового поколения. В настоящее время для
части образцов древней ДНК стало возможным получение такого же объёма
генетической информации, как для современного образца ДНК. В некоторых
случаях стал возможен даже полногеномный анализ ДНК древних особей.
Но некоторые ограничения остаются в силе. Например, проблема за-
грязнения (контаминации) древних образцов современной ДНК. Дело
в том, что везде, где живут или работают люди, присутствует и их ДНК
(в волосах, кусочках кожи, каплях слюны и т. п.). Чтобы избавиться от её
возможного влияния на результаты исследования, палеогенетикам прихо-
дится создавать специальные зоны, свободные от ДНК. Их называют чи-
стыми помещениями.
Процедура входа палеогенетика в чистое помещение напоминает про-
цедуру выхода космонавта в открытый космос. Разница в том, что скафандр
космонавта защищает его от губительных условий открытого космоса, а
спецодежда палеогенетика защищает чистую зону от губительного для ис-
следований влияния самого палеогенетика. Ведь главный потенциальный
источник загрязнения в чистой зоне — это сам исследователь (рис. 8-11).
Рис. 8-11. Палеогенетик (автор данной главы) за работой в чистой зоне
палеогенетической лаборатории (межинститутская лаборатория палеогенетики
и палеогеномики ИЦиГ СО РАН, Новосибирск)
199
Есть и другое ограничение, связанное с разрушением ДНК в остат-
ках вымерших организмов. Даже в идеальных для сохранности ДНК усло-
виях (например, в вечной мерзлоте) её молекулы не могут сохраняться
в пригодном для исследования состоянии дольше 1 млн лет. А в более
тёплом и влажном климате ДНК деградирует намного быстрее. Поэтому
пока представляется невозможным исследование так называемой геоло-
гически древней ДНК возрастом в миллионы и даже десятки миллионов
лет (например, ДНК динозавров или мезозойских насекомых из янтаря,
как в «Парке юрского периода»!). Самый древний образец ДНК, исследо-
ванный к настоящему времени, был получен из скелета плейстоценовой
лошади возрастом более 700 тыс. лет.
ПОДВОДЯ итоги В биологических остатках после смерти организмов
длительное время (до 1 млн лет в идеальных условиях) сохраняется
ДНК, структуру которой можно исследовать методами палеогенетики.
Несмотря на плохую сохранность и проблемы с современным загрязне-
нием древней ДНК, её исследования помогают реконструировать ге-
нетическую историю современных и уже вымерших видов организмов
и даже реконструировать динамику климата в прошлом.
В палеонтологии существует такое понятие, как «кошмар Кювье». Жорж Кю-
вье (1769—1832), один из создателей сравнительной анатомии, мог сделать
заключение о внешнем виде ранее неизвестного науке животного на основа-
нии его части (одной кости), но не умел столь же легко предсказывать облик
растений. Как вы думаете:
1) по каким причинам восстановить облик растения по его части сложнее,
чем облик животного;
2) по какому органу, помимо стебля (т. е. по цветку, плоду, листу или корню),
можно достовернее всего предсказать облик и жизненную форму пред-
ставителя ранее неизвестного семейства цветковых растений;
3) какие органы лучше всего подходят для этой цели у папоротниковидных
и голосеменных и почему?
Глава 31
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
КРИМИНАЛИСТИКА
В предшествующих главах этой книги вы уже узнали, что благодаря
половому размножению, мейозу и генетической рекомбинации каждый по-
томок несёт в себе непредсказуемую комбинацию генетических характе-
ристик своих родителей (и прочих предков). А ведь свою долю в этот бес-
крайний океан генетической вариабельности вносят и случайные ошибки
в ДНК, т. е. мутации. В результате каждый организм (из тех, которым
200
свойственно половое размножение), если говорить о последовательности
его генома, уникален. Эта генетическая неповторимость каждого из нас
служит величайшим инструментом эволюции.
Но у неё есть и масса других полезных применений. Ведь получает-
ся, что по генетическим характеристикам почти всегда можно отличить,
например, одного человека от другого — более того, даже от всех других
людей! Это значит, что его можно генетически идентифицировать. Как
это сделать? Эту и подобные задачи решает специальный раздел генети-
ки — генетическая криминалистика.
Чтобы представить, как происходит генетическая идентификация,
разберём пример совсем из другой области, знакомый каждому из вас.
Вспомните штрихкоды на товарах в супермаркете. Каким бы большим не
был выбор товаров в магазине, продавец без труда рассчитывает для вас
стоимость покупок, поскольку каждый товар отмечен уникальным штрих-
кодом: взаимное расположение, длина и толщина полос, образующих
штрихкод, соответствует только этому товару. Продавцу нужно только
считать штрихкод при помощи специального устройства и найти инфор-
мацию о его цене в базе данных, где хранятся штрихкоды всех товаров,
поступающих в магазин.
Идентификация с помощью ДНК происходит подобным образом. Всё
начинается с нахождения ДНК-содержащего материала — например, на
месте определённого происшествия. Из этого материала получают обра-
зец ДНК. Генетики-криминалисты определяют его уникальные характе-
ристики, осуществляют поиск в базах данных, где накапливается инфор-
мация о генетической вариабельности людей, или же просто сравнивают
неизвестный образец ДНК, обнаруженный на месте происшествия, с ДНК
подозреваемого (или, наоборот, пострадавшего). Этот метод называют
генетической дактилоскопией, поскольку он аналогичен анализу отпе-
чатков пальцев, только в данном случае уникальный рисунок на подушеч-
ках пальцев заменён на уникальные характеристики ДНК. Поэтому те-
перь криминалисты, кроме баз данных отпечатков пальцев, обзаводятся
ещё и геномными базами (рис. 8-12).
Что же это за характеристики, по которым криминалисты легко мо-
гут, например, идентифицировать личность? Молекулярные генетики на-
зывают их генетическими маркерами. Вы уже знаете, что изменчивость
разных участков нашего генома сильно различается. Есть консервативные
участки с низким разнообразием вариантов, а есть такие, которые быстро
изменяются и имеют множество вариантов (аллелей) в популяции. Для
большинства целей генетической криминалистики подходит второй тип —
высоко вариабельные генетические маркеры.
В традиционной генетической криминалистике наиболее часто ис-
пользуют так называемые короткие тандемные повторы, сокращённо STR
(от англ. Short Tandem Repeats). Конечно, сейчас в арсенале генетической
криминалистики есть множество других методов. Однако именно 5772-мар-
керы служат хорошим примером для понимания основных принципов
ДНК-дактилоскопии.
201
КТО ПРЕСТУПНИК?
ДНК
с места
преступления
Рис. 8-12. Использование уникальной структуры ДНК каждого человека
для идентификации личности в криминалистике
STR рассеяны по всему геному человека. Они представляют собой
фрагменты ДНК, в составе которых есть блоки из различного числа копий
коротенькой последовательности — единицы повтора (обычно состоящей
из трёх-пяти нуклеотидов). Такие участки — настоящая головная боль
для ферментов-полимераз, которые обеспечивают репликацию ДНК при
делении клеток: здесь часто происходят специфические ошибки репли-
кации ДНК — так называемое проскальзывание полимеразы на число
нуклеотидов, кратное длине повторяющейся единицы STR-локуса.
Чаще всего в результате ошибки полимеразы происходит увеличе-
ние или уменьшение числа повторяющихся единиц на одну, но иногда это
число может измениться (увеличиться или уменьшиться) сразу на не-
сколько единиц. В результате в популяциях существует большое количе-
ство аллельных вариантов такого локуса, различающихся числом единиц
повтора (рис. 8-13).
202
о —-
О 6
8 9 10 11 12 13 14 15
Аллели (число повторов)
Рис. 8-13. Соотношение частот аллельных вариантов 577?-локуса D7D820
в выборке населения США европейского происхождения
Расшифровать строение определённого аллеля достаточно легко, нуж-
но просто амплифицировать участок ДНК, содержащий STR, и определить
с помощью электрофореза его длину, которая и покажет нам число единиц
повтора в данном варианте. Если STR-локус расположен на аутосоме, то
у каждого из нас имеется два таких аллеля, полученных от мамы и от папы.
Вероятность случайно встретить определённый аллель у конкретного инди-
вида равна частоте данного аллеля в популяции, к которой принадлежит этот
индивид. Поскольку аллели от мамы и от папы нам достались независимо, то
вероятность встретить определённое сочетание двух аллелей равно произве-
дению их популяционных частот. Если брать для анализа 577?-маркеры, на-
следуемые независимо друг от друга (например, расположенные на разных
парах аутосом), то вероятность случайного совпадения аллелей по таким мар-
керам будет равна произведению вероятностей для каждого STR.
Нетрудно убедиться (и мы предлагаем вам сделать это при решении
задач в конце модуля), что, проанализировав даже небольшое число таких
STR-локусов, мы быстро получим ситуацию, когда случайное совпадение
исследуемого образца ДНК с каким-то другим становится крайне малове-
роятным событием. Другими словами: если мы обнаружили такое совпа-
дение, то с крайне высокой вероятностью это ДНК одного и того же чело-
века. Значит, можно утверждать, что личность идентифицирована!
Подобным же образом с помощью STR мы можем определять вероят-
ность и степень родства людей. Легче всего это сделать в паре «роди-
тель—потомок», поскольку один аллель каждого аутосомного STR-локуса
в такой паре индивидов будет совпадать. Но можно оценить вероятность
и более отдалённых вариантов родства. Для этого необходимо правильно
подобрать генетические маркеры, а также использовать достаточное чис-
ло независимых маркеров. В этом случае выводы о степени родства будут
весьма достоверными.
203
.....> Практическое задание «ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОСТАНКОВ»
На рисунке 8-14 приведена электрофореграмма продуктов амплификации двух
577?-локусов для ребёнка (1) и матери (2). К сожалению, отец погиб в авиаката-
строфе, и необходимо идентифицировать останки. На дорожках 3—8 мы видим
продукты амплификации тех же 577?-локусов для шести мужчин. Кто из них был
отцом ребёнка? <
12 345 678
Рис. 8-14. Электрофореграмма локусов матери, ребёнка и шести погибших
в авиакатастрофе мужчин
Кроме того, для определения родства используют также митохон-
дриальную ДНК и генетические маркеры на У-хромосоме.
В качестве примера рассмотрим два случая идентификации останков
исторических личностей. В первом случае речь пойдёт о герцоге Глостер-
ском — будущем короле Ричарде III (1452—1485), погибшем в битве при
Босворте. Этот печально известный король, которого одни считают абсо-
лютным злом, а другие — жертвой клеветы, и в наше время представляет
интерес для большого количества людей: историков, писателей, сценари-
стов, да и вообще всех любителей истории (есть даже общество поклонни-
ков Ричарда III). Согласно хроникам, его тело было погребено на террито-
рии францисканского монастыря в Лестере, и более 500 лет о его захороне-
нии ничего не было известно. И вот в 2012 г. группа энтузиастов, включавшая
археологов, генетиков и других специалистов, предприняла отчаянную по-
пытку разыскать останки короля. Исследователям несказанно повезло:
первый же найденный на месте раскопок скелет имел все нужные призна-
ки — сильный сколиоз и следы многочисленных ран, полученных в битве.
Генетики сравнили ДНК из костей найденного скелета с ДНК живу-
щих ныне родственников короля (прямых потомков у него не было, но его
сёстры и другие, более дальние родственники потомство оставили). Для
определения родства по материнской линии исследователи взяли образцы
ДНК только тех потомков, генеалогические веточки которых соединялись
с Ричардом исключительно по женской линии — например, всех потомков
матери Ричарда Гордой Цис (Сесилии Невилл), его бабушки, леди Джоан
204
Бофорт, и т. п. Аналогично поступили для определения родства по муж-
ской линии, сравнив Y-хромосому из останков с Y-хромосомой потомков
Джона Гонта (сына короля Эдуарда III; прямым потомком Эдуарда по
мужской линии был и сам Ричард III).
Результаты идентификации оказались очень интересными. Образец
митохондриальной ДНК скелета полностью совпал с образцами митохон-
дриальной ДНК, взятой у двух потомков. А вот с Y-хромосомой вышел
казус — ни у одного из пяти установленных потомков она не совпала
с Y-хромосомой, извлечённой из скелета. Учёные считают, что здесь мог-
ло иметь место неверное указание отцовства в нескольких поколениях.
В отличие от документального определения отцовства, документаль-
ное определение материнства иногда бывает более однозначным, и потому
в таких случаях определение родства по митохондриальной ДНК может
служить более надёжным способом идентификации личности. Сейчас
большинство учёных уверены в том, что найденные на парковке в Лесте-
ре останки принадлежат королю Ричарду III. Более того, учёным удалось
восстановить некоторые черты погибшего короля, расшифровав последо-
вательность генов, определяющих цвет глаз и волос. Теперь с большой ве-
роятностью можно утверждать, что у него были голубые глаза и русые во-
лосы.
А вот другой исторический пример, когда учёным пришлось рабо-
тать с ещё более древней ДНК. Началось всё с того, что в 1886 г. в архео-
логическом комплексе Дейр-эль-Бахри, который находится недалеко от
Долины Царей в Египте, была сделана необычная находка. В саркофаге
без каких-либо опознавательных знаков находилась мумия человека со
связанными руками и ногами, завёрнутая в козью шкуру. Такое захороне-
ние считалось у древних египтян нечистым.
Но кем мог быть этот человек? Почему его похоронили рядом с царя-
ми и царицами Древнего Египта, но без почестей, да ещё и обрекли на веч-
ные мучения в загробной жизни? На протяжении 100 лет учёные выдви-
гали много предположений и гипотез. Согласно одной из них, это мог быть
царевич Пентаур (имя изменено во время суда), сын фараона Рамзеса III.
Из текста древнего папируса, представляющего собой протокол заседания
суда, было известно, что царевич участвовал в заговоре и убийстве своего
отца.
Проверить эту гипотезу для современных учёных не составило тру-
да, поскольку мумия самого Рамзеса III также была обнаружена, т. е. бы-
ло с чем сравнить образцы ДНК, полученные из неизвестных останков.
В итоге оказалось, что Y-хромосома из этих образцов была полностью
идентична У-хромосоме Рамзеса III. Более того, ровно половина коротких
тандемных повторов на аутосомах, взятых из неизвестной мумии, также
совпала с аналогичными STR Рамзеса III (мы помним, что половину ауто-
сом ребёнок получает от мамы, а половину — от папы). Это могло означать
только одно — неизвестная мумия представляет собой останки царевича
Пентаура (рис. 8-15).
Однако затруднения у современных генетиков-криминалистов тоже
бывают. Ярким примером являются случаи, в которых необходимо разли-
чить однояйцевых (монозиготных) близнецов.
205
Рис. 8-15. Сравнение ДНК из останков позволило установить родство
двух древних египтян
Например, во французском городе Марселе несколько лет назад бы-
ли зафиксированы серийные нападения на женщин. С помощью показа-
ний жертв и свидетелей, а также ДНК-дактилоскопии удалось быстро
выйти на след преступника. Но возникла проблема: преступником ока-
зался один из однояйцевых братьев-близнецов. Оказалось, что ни по по-
казаниям свидетелей и жертв нападений, ни с помощью стандартных ме-
тодов ДНК-дактилоскопии невозможно определить, кто из близнецов был
преступником, а кто невиновен. В итоге из-за невозможности доказать
вину конкретного человека оба брата были оправданы судом.
Позже генетики-криминалисты разработали подходы, позволяющие
различать образцы ДНК однояйцевых близнецов. Первый из них подразу-
мевает чрезвычайно точное секвенирование генома и выявление единич-
ных соматических мутаций, которые индивидуальны для каждого орга-
низма, так как происходят в течение всей его жизни. А второй подход ос-
нован не на расшифровке последовательности ДНК, а на определении
рисунка её метилирования. Поскольку характер метилирования ДНК за-
висит от многих внешних факторов, то он образует индивидуальный рису-
нок (который к тому же может меняться на протяжении жизни человека).
Поэтому вполне возможно различить взрослых близнецов по разной кар-
тине метилирования их ДНК.
Следует заметить, что на практике криминалисты сталкиваются с мас-
сой проблем, связанных с плохой сохранностью образцов ДНК, а также воз-
можностью загрязнения образцов посторонней ДНК и получения ложных
206
результатов. А ведь очень часто от этих результатов зависят жизни кон-
кретных людей. Поэтому генетики-криминалисты используют очень стро-
гие стандарты проведения исследований, схожие со стандартами в палеоге-
нетике (в частности, они пользуются такими же чистыми помещениями).
ПОДВОДЯ итоги. Уникальность генома каждого индивида не только
служит важнейшим инструментом эволюции, но и может иметь важное
практическое применение. Методы ДНК-дактилоскопии позволяют
криминалистам распутывать сложные преступления или просто опре-
делять степень родства людей, опираясь на объективные генетические
данные. При этом в генетической криминалистике должны соблюдать-
ся высочайшие стандарты достоверности результатов, впрочем, как
и во всех направлениях молекулярной генетики.
1. Представьте, что вы обнаружили останки знаменитого авантюриста XVII в.
Григория Отрепьева, который выдавал себя за царевича Дмитрия Углиц-
кого, сына царя Ивана Грозного. До сих пор некоторые учёные придержи-
ваются версии, согласно которой этот самозванец действительно был ца-
ревичем Дмитрием. Как можно при помощи методов генетической крими-
налистики проверить это утверждение (учитывая то, что останки Ивана
Грозного доступны для извлечения из них ДНК)?
2. В повести Аркадия Гайдара «Судьба барабанщика» в квартиру главного
героя (его зовут Сергей) проникает незнакомец, который утверждает, что
приходится родным братом его мачехе. Самой мачехи Сергея в этот мо-
мент нет в городе, поэтому подтвердить или опровергнуть это никто не мо-
жет. Каким образом Сергей мог бы проверить данное утверждение, если
действие происходило бы в наши дни (учитывая, что мачеха забыла дома
свою расчёску, на которой остались её волосы)?
Практикум 4
Работа 8-1. В ПОИСКАХ ПОСЛЕДНЕЙ ОБЩЕЙ БАБУШКИ
Маугли был абсолютно прав, когда сказал Каа: «Мы с тобой одной крови, ты и я».
Он имел в виду, что у него с удавом были общие предки. Вы уже знаете, как ана-
лиз ДНК позволяет устанавливать этих общих предков. Результаты сравнитель-
ного анализа ДНК множества современных видов животных, растений и микро-
организмов хранятся в общедоступной базе данных http://www.onezoom.org/.
Это исследовательский сервер, которым пользуются учёные для установления
родственных (филогенетических) связей между разными таксонами.
207
Обратившись к этому серверу, вы сможете определить, когда и в каких условиях
жила последняя общая бабушка ваша и... удава, кота, банана, мухомора (выбе-
рите сами вид, который вам интересен).
Итак, на сайте http://www.onezoom.org/ выберите опцию Get Divergence Time For
a Pair of Taxa (Получить время расхождения пары таксонов).
Введите в одно окно диалога латинское название нашего с вами вида — Чело-
век разумный (Homo sapiens), а в другое окно — латинское название того вида,
для которого вы ищете общую бабушку. Латинские названия всех интересующих
вас видов вы легко найдёте в Википедии.
После этого вы получите оценку времени дивергенции, т. е. времени существо-
вания последнего общего предка. На этой же странице вы увидите название
геологического периода, когда жила эта общая бабушка, и приблизительную
оценку условий, в которых она жила. Воспользовавшись другими ресурсами, вы
можете узнать об этих условиях более подробно: как располагались континенты
в этот период, какова была концентрация кислорода и углекислого газа, кто ещё
жил в одно время с нашей бабушкой и т. п.
Зная всё это, попробуйте восстановить облик вашей общей с удавом (котом, ба-
наном...) бабушки и описать один день из её жизни: напишите о том, что она ела,
от кого скрывалась, что её радовало и что огорчало. Поделитесь вашим описани-
ем с вашими коллегами.
Ваша задача сильно упростится, если вы прочитаете книгу Ричарда Докинза
«Рассказ предка» или хотя бы ту главу, которая касается выбранного вами
предка.
Работа 8-2. ПОИСК ПРОПАВШЕЙ ХРОМОСОМЫ
Цель работы: научиться использовать инструменты Национального центра био-
технологической информации, чтобы обнаружить существенное различие между
геномами человека и шимпанзе.
Ход работы
1. Откройте браузер и введите адрес http://www.ncbi.nlm.nih.gov/.
2. Найдите кнопку Genome (в разделе Popular Resources) и нажмите на неё.
3. Найдите кнопку Genome Data Viewer (в разделе Other Resources) и нажмите
на неё.
4. Найдите кнопку Human на графике и нажмите на неё.
5. Найдите кнопку Browse genome и нажмите на неё.
6. Найдите интерактивную картинку хромосом человека (в разделе Ideogram
view). Зарисуйте схематично набор хромосом в тетрадь.
7. Повторите то же самое с геномом шимпанзе. Зарисуйте набор хромосом
шимпанзе в тетрадь и сравните его с набором хромосом человека.
8. Определите, на какой хромосоме у человека и у шимпанзе находятся гены
BARD1, LCT, SPAST и SUCGL1. Для этого вернитесь к шагу 4 и в окне
Search in Genome введите название гена. Хромосома, в которой он распола-
гается, будет выделена зелёным цветом в окне Ideogram view. Место распо-
208
ложения гена на хромосоме будет отмечено синей линией на схематичном
изображении хромосомы справа.
9. Перенесите в тетрадь схематичное строение хромосомы и отметьте кружоч-
ком или стрелкой расположение на ней гена. Повторите эту процедуру для
всех генов у человека и шимпанзе.
10. Сравните эскизы расположения четырёх генов в геноме человека и располо-
жения их гомологов в геноме шимпанзе. Основываясь на ваших набросках,
попробуйте сформулировать гипотезу о связи между соответствующими хро-
мосомами в геноме человека и шимпанзе, которая может объяснить тот факт,
что геном шимпанзе имеет на одну пару хромосом больше, чем геном челове-
ка. Можно ли сказать, что у человека меньше генетической информации, чем
у шимпанзе?
Работа 8-3. ДНК-БАРКОДИРОВАНИЕ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (РАСТЕНИЙ, НАСЕКОМЫХ)
ДЛЯ ТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИДОВ И ПОИСКА
ВИДОВ-ДВОЙНИКОВ
Обычно представители разных видов растений и животных хорошо различаются
по внешним признакам. Однако представители некоторых видов очень похожи
морфологически, но не скрещиваются между собой, поскольку имеют различные
механизмы изоляции (кариологические, поведенческие и т. п.). Сходство порой
так велико, что ранее исследователи принимали подобные виды-двойники за
один вид.
Примеров видов-близнецов довольно много, и до сих пор их продолжают от-
крывать. На помощь зоологам приходит метод молекулярного баркодирования.
Название произошло от английского bar code, т. е. «штрихкод». В качестве
штрихкода, по которому возможно определить организм, можно использовать
ДНК.
Согласно этому методу из организмов выделяется ДНК и определяется последо-
вательность ДНК гена-маркера, который с течением времени достаточно быстро
мутирует. Мутации, которые этот ген накапливает, уникальны для каждого вида
(представители разных видов не скрещиваются между собой из-за презиготиче-
ских и постзиготических барьеров). Получается, что каждый вид имеет свой уни-
кальный набор мутаций в ДНК исследуемого гена. Зная об этих уникальных му-
тациях, можно легко определить организм по его ДНК.
Работа может включать в себя сбор материала (растения, насекомые), определе-
ние объектов по классическим определителям, выделение ДНК, амплификацию
участков маркерного гена универсальными праймерами, секвенирование про-
дуктов амплификации, поиск в BLAST маркерных генов близкородственных ви-
дов, построение филогенетических деревьев.
Цель работы: научиться использовать метод молекулярного баркодирования для
определения видов живых объектов.
209
Оборудование: ДНК-амплификатор, автоматические дозаторы, наконечники,
пробирки для ПЦР, набор для выделения ДНК из растений, набор реактивов для
амплификации Plant ITS region, набор праймеров (см. последовательности ниже
по тексту), оборудование для электрофореза.
Ход работы
1. Соберите близкородственные виды растений или насекомых. Проведите их
определение, используя классические методы (определитель).
2. Выделите ДНК из собранных образцов, следуя инструкции набора для выде-
ления ДНК.
3. Проведите ПЦР в соответствии с инструкцией производителя набора с ис-
пользованием универсальных праймеров.
4. Поместите пробирки в амплификатор. Запустите программу в соответствии
с инструкцией.
5. Подготовьте камеру для электрофореза и проведите электрофорез получен-
ных ПЦР-смесей. Зарисуйте (сфотографируйте) результат электрофореза.
6. Если у вас есть возможность отдать ПЦР-смесь в лабораторию для секвени-
рования, то вы можете получить нуклеотидную последовательность и срав-
нить её с депонированными последовательностями в базе данных Нацио-
нального центра биотехнологической информации.
7. Проведите поиск в http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi. Нажмите на кнопку
BLAST (в разделе Popular Resources) и затем Nucleotide BLAST. Введите ис-
пользуемый вами набор праймеров в окно поиска (например, Plant ITS:
праймер F «АТГЦГАТАЦТТГГТГТГААТ» в поле forward primer и праймер R «ГАЦ-
ГЦТТЦТЦЦАГАЦТАЦААТ» в поле reverse primer). Последовательности прайме-
ров вводите латинскими буквами. Определите ожидаемую длину продукта
ПЦР для нескольких видов.
8. Скачайте нуклеотидные последовательности данного гена для нескольких ви-
дов растений. Для этого в окне с результатами поиска для одного из прайме-
ров в поле Description уберите галочку из Select all и выделите только не-
сколько различающихся видов. Найдите кнопку Download, выберите скачива-
ние в формате FASTA (complete) и скачайте файл на компьютер.
9. Далее откройте в браузере вкладку https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/
clustalo/. В пункте 1 выберите тип молекул DNA и выберите скачанный файл
для анализа. Далее внизу страницы нажмите Submit.
10. Сфотографируйте или распечатайте выравнивание, вклейте в рабочую тет-
радь. Проанализируйте выравнивание. Найдите последовательности прайме-
ров, отметьте нуклеотиды, по которым вы бы могли отличить данные виды
друг от друга, если бы получили эти последовательности в виде секвено-
грамм.
11. Какие организмы можно идентифицировать с помощью следующих пар прай-
меров? Перейдите по ссылке https://scholar.google.com и в таблице поиска
введите соответствующие последовательности праймеров, получите список
статей, в которых эти праймеры упоминались ранее, попробуйте проанализи-
ровать заголовки статей. Заполните в тетради таблицу.
210
ДНК-БАРКОДИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Праймер Организм
vFl_tl 5'—ТЦТЦААЦЦААЦЦАЦАААГАЦАТТГГ—3' (forward primer)
vRld_tl 5'—ТАГАЦТТЦТГГГТГГЦЦААААААТЦА—3' (reverse primer)
LC01490_F 5'—ГГТЦААЦАААТЦАТАААГАТАТТГГ—3' (forward primer)
HC02198_R 5'—ТАААЦТТЦАГГГТГАЦЦААААААТЦ—3' (reverse primer)
ITS1 F 5'—ТЦЦГТАГГТГААЦЦТГЦГГ—3' (forward primer)
ITS4 R 5'—ТЦЦТЦЦГЦТТАТТГАТАТГЦ—3' (reverse primer)
rbcLa f 5'—АТГТЦАЦЦАЦАААЦАГАГАЦТАААГЦ—3' (forward primer)
rbcLa rev 5'— ГТААААТЦААГТЦЦАЦЦАЦГ—3' (reverse primer)
Что читать
1. Клещенко Елена. «ДНК и её человек. Краткая история ДНК-идентифика-
ции». Прочитав эту книгу, вы узнаете не только то, как генетика помогает рас-
крывать преступления и исторические тайны, но и то, какие методы для этого
используются. Здесь вы прочитаете увлекательные истории о создателях ме-
тодов ПЦР и секвенирования, нобелевских лауреатах Кэри Муллисе и Фреде-
рике Сэнгере. А также о том, как в прошлом веке учёным приходилось мучить-
ся над тем, чтобы расшифровать маленький кусочек последовательности ДНК,
и как современные технологии упростили нам жизнь сегодня.
2. Сванте Пэабо. «Неандерталец». Честная и очень личная история палеогене-
тики от человека, стоявшего за расшифровкой генома неандертальца и Дени-
совского человека. Пэабо является фактически отцом-основателем палеоге-
нетики. Прочитав книгу, вы из первых рук узнаете, как развивались и совер-
шенствовались методы палеогенетики и к каким удивительным открытиям это
привело.
3. Ястребов Сергей. «От атомов к древу: Введение в современную науку
о жизни». Книга о том, из чего состоят и как устроены живые организмы, как
анализ ДНК разворачивает перед учёными величественную историю жизни
на Земле.
211
Модуль 9
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ
ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
О генетической истории человечества вы узнаете от Александра Пили-
пенко. Часть этой истории он распутывает в своей лаборатории, изучая ДНК
людей, живших на территории России с древнейших времён до наших дней.
Глава 32
ПРЕДЫСТОРИЯ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ЧЕЛОВЕКА
Последний
общий предок
Рис. 9-1. Грызуны — наши
ближайшие родственники
за пределами отряда
приматов
Сравнение ортологичных последователь-
ностей ДНК позволило установить, что ближай-
шие эволюционные родственники приматов —
это грызуны (рис. 9-1). Согласно генетическим
данным, последний общий предок приматов
(включая людей) и грызунов существовал около
75—92 млн лет назад. С тех пор наши эволюци-
онные пути (т. е. ветви филогенетического дере-
ва) разошлись. Но всё же, встретив зимой голод-
ную белочку, обязательно её покормите — ведь
это ваш далёкий родственник!
Генетикам удалось определить эволюцион-
ные взаимоотношения между ныне существую-
щими представителями отряда приматов и дати-
ровать основные события их эволюции (рис. 9-2).
Самые эволюционно близкие к человеку виды из
ныне существующих — это высшие человеко-
образные обезьяны, вместе с которыми мы вхо-
дим в семейство Гоминиды. Последними разо-
шлись эволюционные тропинки человека и шим-
панзе — это случилось всего каких-то 6—7 млн
лет назад.
Изучать эволюционные события, произо-
шедшие с момента существования нашего об-
щего предка с шимпанзе и до того, как появил-
ся человек разумный, можно методами двух ос-
новных научных направлений — молекулярной
генетики и палеонтологии (вместе с археологи-
212
Зайцеобразные
Грызуны
Тупайи
Шерстокрылы
Лемурообразные
Лориобразные
Долгопятообразные
Широконосые
(или Приматы Нового Света)
Другие приматы Старого Света -
НАДСЕМЕЙСТВО ЧЕЛОВЕКООБРАЗНЫЕ
6
Человек
Рис. 9-2. Филогенетическое дерево приматов
Гиббоны
Орангутаны
Гориллы
Шимпанзе
ей). Данные палеонтологии позволяют нам понять, где и в какой последова-
тельности происходили ранние эволюционные изменения наших предков.
Благодаря им мы знаем, что основные события происходили на террито-
рии Африки, где палеонтологами обнаружено большинство свидетельств
этих событий.
213
Homo sapiens
Ы (O
Kenyanthropus platy ops Homo rudolfensis ^5#
(habilis)
Homo habilis -1 Homo
л neanderthalensis
Orrorin u
tugenensis Australopithecus
anamensis
Homo
ergaster
Homo
heidelbergensis
Ardipithecus
Sahelanthrbpus
tchadensis
Ardipithecus
ramidus
Australopithecus
ricanus
Australopithecus ?
afarensis ~
Homo erectus \
Paranthropus robustus
Paranthropus
i^thiopicus
Paranthropus boisei
bahrelghazah<
-6
-5
-3
-2
ВРЕМЯ (МЛН ЛЕТ)
0
Рис. 9-3. Эволюционное дерево гоминид
Эволюция наших предков не была линейной и однонаправленной: на
протяжении нескольких миллионов лет происходило формирование и ис-
чезновение многих форм гоминид (рис. 9-3).
Накануне возникновения самых ранних представителей рода Ното,
порядка 2 млн лет назад, на территории Африки существовал довольно
пестрый «ковёр» древних гоминид.
Важнейшую роль в эволюции Ното сыграл Н. erectus — человек пря-
моходящий, представители которого обитали на нашей планете 2,0—0,15 млн
лет назад (впрочем, некоторые антропологи разделяют этот вид на несколь-
ко видов). По каменным орудиям археологам удалось зафиксировать как
минимум две масштабные волны их расселения за пределы Африки. В ре-
зультате этих миграций ареал Н. erectus сильно расширился, охватывая,
помимо Африки, существенную часть Южной и Центральной Евразии, что
стало наглядным свидетельством эволюционного успеха людей.
А что об этих событиях может рассказать молекулярная генетика?
Сразу отметим, что период эволюции человека с момента расхождения с
шимпанзе и до возникновения человека разумного сложно исследовать ге-
нетическими методами, поскольку современные люди — единственные со-
хранившиеся потомки участников этих событий. А имеющиеся палеонто-
логические материалы возрастом 0,5—6 млн лет уже не содержат ДНК,
пригодной для анализа современными методами палеогенетики.
214
......> Практическое задание «ВОССТАНАВЛИВАЕМ
ЭВОЛЮЦИЮ РОДА HOMO»
Выделите несколько ключевых предковых форм в эволюции человека. Можно
ориентироваться на рисунок 9-3. Разделитесь на группы. Каждая группа состав-
ляет портрет одного из видов рода Ното и рассказ об особенностях жизни пред-
ставителей выбранного вида (можно разнообразить этот рассказ «этюдами из
жизни»). В портрете вида необходимо указать: способ передвижения и особенно-
сти строения скелета, предпочтения в еде и особенности строения нижней челю-
сти и зубов, социальные навыки, владение орудиями, объём мозга и время суще-
ствования вида. Желательно оформить этот портрет в виде паспорта — рисунок
(фотография) черепа и/или скелета и его характеристики в виде тезисов. Па-
спорт данного вида прикрепите на доску, предварительно расчерченную на эпо-
хи. Далее нужно соединить линиями разные виды, построив таким образом эво-
люционное дерево рода Ното. <
В таких условиях главным инструментом генетиков служит сравни-
тельный анализ геномов современного человека и шимпанзе.
Сравнивая геномы человека и шимпанзе, мы можем видеть, что за
6 млн лет, прошедших с момента существования нашей общей бабушки,
наша ДНК накопила порядка 4% различающихся позиций (большая часть
различий — в некодирующей ДНК, а в кодирующей различия составляют
всего 1,2%). Часть из них — это замены одного нуклеотида другим (поряд-
ка 35 млн), а часть — результаты делеций и дупликаций (рис. 9-4).
Наиболее известны изменения, которые произошли в последователь-
ности гена FOXP2. Считается, что эти изменения позволили людям со вре-
менем развить такую сложную сигнальную систему, как речь, благодаря
появившейся возможности очень тонко управлять мышцами языка. Есть и
другие примеры, такие как изменения в гене белка микроцефалина, игра-
ющего важную роль в развитии мозга.
Рис. 9-4. Сравнение геномов человека и шимпанзе
215
Мы до сих пор знаем не так уж много о молекулярно-генетических меха-
низмах, позволивших нам очеловечиться за последние несколько миллионов
лет. Пока что можно указать одно из главных направлений поиска и расшиф-
ровки этих механизмов: нужно исследовать не столько изменения в структуре
генов и белков, сколько изменения в механизмах их регуляции. К этой катего-
рии относятся и элементы регуляции транскрипции генов, и изменение карти-
ны сплайсинга, и регуляторные РНК, и многое другое. Порой незначительные
(с точки зрения изменений последовательности ДНК) мутации в ключевых ре-
гуляторных узлах могут кардинально менять картину молекулярно-генетиче-
ских процессов в клетке и организме.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Данные палеонтологии и археологии свидетель-
ствуют, что эволюция наших потенциальных предков с момента рас-
хождения с предками шимпанзе шла разнонаправленно, методом проб
и ошибок. Развитие приспособлений к хождению на двух ногах опе-
режало эволюцию мозга, который наиболее интенсивно стал меняться
с возникновением ранних Ното чуть более 2 млн лет назад. О молеку-
лярно-генетических механизмах этой стадии нашей эволюции нам пока
известно не так много. И их реконструкция — один из главных и инте-
реснейших вызовов для современных и будущих генетиков всего мира.
1. Рассмотрите филогенетическое дерево рода Ното и обсудите, чем каж-
дый новый вид отличается от предыдущего, какие особенности окружаю-
щей среды могли привести к появлению такого вида, что могло привести
к его вымиранию.
2. Подумайте, какие гены должны были возникнуть или измениться для воз-
никновения особенностей видов человека, которые вы описывали в зада-
нии «Восстанавливаем Эволюцию рода Ното».
Глава 33
НЕАНДЕРТАЛЬЦЫ,
ДЕНИСОВЦЫ И ДРУГИЕ ЛЮДИ
Около полумиллиона лет назад представители рода Ното заселили
обширные территории, включая Африку и значительную часть Евразии,
создав предпосылки для последующих событий, связанных уже непосред-
ственно с возникновением и генетической историей нашего с вами вида —
216
Homo sapiens. Анализ ДНК митохондрий и У-хромосом современных лю-
дей впервые позволил реконструировать эту историю.
Митохондриальная Ева и У-хромосомный Адам. Митохондриальная
ДНК, наследуемая только по материнской линии, в большей степени от-
ражает генетическую историю наших бабушек. А значительная часть
мужской половой хромосомы (У-хромосомы), которая передаётся строго
по мужской линии от отца к сыновьям, отражает генетическую историю
наших дедушек. Важнейшее свойство митохондриальной ДНК и У-хро-
мосомы (той её части, которая не гомологична Х-хромосоме) — отсут-
ствие рекомбинации. Это позволяет выстраивать единую цепочку фи-
логенетических событий, отражающих эволюцию последовательности
мтДНК и У-хромосомы, т. е. строить единое филогенетическое дерево для
каждого из этих маркеров. В корне этих деревьев находятся общие пред-
ки ныне живущих людей по женской линии (мтДНК) и по мужской
(У-хромосома).
Условную последнюю общую бабушку всех ныне живущих людей,
мтДНК которой является предковой по отношению ко всем существую-
щим сейчас геномным вариантам, называют митохондриальной Евой.
А условного последнего общего дедушку всех мужчин с предковым вари-
антом У-хромосомы, общим для всех современных, — Y-хромосомным
Адамом.
На самом деле митохондриальная Ева и У-хромосомный Адам с точ-
ки зрения генетики даже не индивиды (люди), а лишь варианты их
мтДНК и У-хромосомы соответственно. Понятно, что носителями этих ва-
риантов могла быть целая популяция того или иного размера. Более того,
представители популяций митохондриальных Ев и У-хромосомных Ада-
мов могли никогда не пересекаться друг с другом (рис. 9-5).
Митохондриальная
ЕВА
У-хромосомный АДАМ
И и й и и
И И И И Й м И М
и и й и и
И И И й и м й м
и и й й и
И И М М М И
и й й и и
М МГетЙФГЙИ
Рис. 9-5. Передача генетической информации от митохондриальной Евы
и У-хромосомного Адама в поколениях их потомков
217
.......> Практическое задание «МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ЕВА»
Давайте смоделируем ситуацию с передачей митохондриальной ДНК в поколе-
ниях людей. Для этого нам понадобятся лист в клеточку, фломастеры пяти цветов
и игральный кубик, на грани которого нужно нанести цифры 0—1 — 1—2—2—3
(эти цифры обозначают, сколько у конкретной женщины родится девочек).
Пусть изначально в популяции присутствует пять женщин. Обозначьте их ка-
кими-нибудь символами на вашем листе в самом верхнем ряду и разным цве-
том фломастера. Для каждой женщины кидайте кубик и в зависимости от выпав-
шего числа рисуйте женщин с той же митохондриальной ДНК на строчке ниже
(следующее поколение). Как вы думаете, через сколько поколений всё потом-
ство будет одного цвета (произойдёт фиксация одного варианта митохондриаль-
ной ДНК)?
Рис. 9-6. Пример результата
выполнения задания для пяти женщин
в популяции
Если вы выполняли задание в классе,
Е то соберите данные о числе поколений
X и посчитайте среднее значение. Вы-
полните подобное задание с разным
числом первоначальных женщин в по-
пуляции (от двух до восьми), а после
сравните полученное значение с пре-
дыдущим для пяти женщин (рис. 9-6).
Также вы можете изучить, как влияет
на скорость фиксации одной из мито-
хондриальных ДНК число рождаемых
девочек (поменяйте цифры на кубике).
Теперь вы можете оценить, что популя-
ция, в которой жила митохондриаль-
ная Ева, была достаточно большой. <
Исследование вариабельности митохондриальной ДНК показало, что
наиболее разнообразные и древние варианты были распространены в аф-
риканских популяциях. За пределами Африканского континента всё раз-
нообразие митохондриальной ДНК происходит от небольшой группы аф-
риканских вариантов. Это означает, что родина митохондриальной Евы
(а заодно и всего нашего вида Н. sapiens) — Африка. Возраст митохондри-
альной Евы был оценён всего лишь в 150—200 тыс. лет. При этом всё раз-
нообразие мтДНК за пределами Африки сформировалось примерно за по-
следние 50—60 тыс. лет.
Все эти выводы были полностью подтверждены при последующем
исследовании разнообразия У-хромосомы. Выяснилось, что У-хромосом-
ный Адам жил в Африке примерно в то же время, что и митохондриаль-
ная Ева (на основе данных палеогенетики их возраст недавно был удрев-
нён до 300 тыс. лет).
218
.......> Практическая работа «МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГАПЛОТИП»
Представьте, что вы, участвуя в раскопках среднеазиатского города, нашли не-
обычное захоронение. Некоторые особенности строения скелета похороненного
там человека говорят вам о том, что он не родился здесь, а прибыл из другой стра-
ны. Для того чтобы подтвердить и уточнить свою версию, вы посылаете небольшой
кусочек кости найденного скелета в лабораторию и через несколько недель полу-
чаете нуклеотидную последовательность части митохондриального генома:
АТТААТТААТГЦТТГТАГГАЦАТААТААТААЦААТТГААТГТЦТГЦАЦАГЦЦАЦТТТЦ-
ЦАЦАЦАГАЦАТЦАТААЦААААААТТТТЦАЦЦАААЦЦЦЦЦЦЦЦТЦЦЦЦЦЦГЦТТ-
ЦТГГЦЦАЦАГЦАЦТТАААЦАЦАТЦТЦТГЦ
Зайдите на сайт https://dna.jameslick.com, перейдите на вкладку MITOMASTER и
в окно (Copy-paste) впишите «>111 (перенос строки)» и далее указанную нуклео-
тидную последовательность (всё в английской раскладке). Нажмите кнопку
Submit. Какой митохондриальный гаплотип у вашего образца?
Для того чтобы узнать, в каких частях света распространён данный гаплотип (га-
плогруппа), можно ввести его название в поисковый запрос на сайте https://
haplogroup.org/mtdna/. Посмотрите суммарную информацию о данном гаплоти-
пе. Также попробуйте перейти по ссылке FTDNA Tree: Link для того, чтобы уви-
деть, в каких странах живут люди с таким же гаплотипом. <
Итак, филогенетический анализ современной ДНК показывает, что
наши предки вышли из Африки около 50—60 тыс. лет назад. Однако пале-
онтологи находят гораздо более ранние следы гоминид за пределами Аф-
рики. Установить связи между ними помогла палеогенетика. Новый этап
понимания генетической истории человека начался с исследования ДНК
неандертальцев. Неандертальцы (Homo neanderthalensis) сформировались
на территории Европы менее 500 тыс. лет назад. Не так давно археологи от-
крыли следы присутствия неандертальцев за пределами Европы — в Сред-
ней Азии и на юге Сибири (Алтай). Последние неандертальцы обитали на
территории Европы ещё 39—40 тыс. лет назад. Таким образом, до недавне-
го времени неандертальцы считались единственными представителями ро-
да Ното, которые могли контактировать с Н. sapiens, мигрировавшими
в Евразию из Африки.
Первые исследования митохондриальной ДНК неандертальцев пока-
зали, что их вариант мтДНК сильно отличался от мтДНК современных
людей и ни разу не был обнаружен у представителей современного насе-
ления планеты. Однако данные по секвенированию ядерного генома неан-
дертальцев показали, что в геноме всех современных людей, за исключе-
нием обитающих в Африке (а точнее, в её части южнее пустыни Сахара),
есть небольшая (1—3%) доля генов неандертальского происхождения. Это
объясняется тем, что при выходе Н. sapiens из Африки на территорию
Евразии происходили случаи гибридизации людей современного типа
с неандертальцами и их потомство оказалось жизнеспособным.
219
Homo
neanderthalensis
Homo
sapiens
Homo
denisova
Puc. 9-7. Представители рода Homo
Чуть позже при помощи методов палеогенетики был открыт ещё
один поздний представитель рода Ното — денисовский человек. Оказа-
лось, что денисовские люди также внесли свой вклад в генофонд совре-
менных людей. В наибольшей степени он заметен у коренного населения
Австралии и Океании (до 6% генома), а у населения континентальной
Азии представлен лишь долями процента.
К настоящему моменту известно несколько находок фрагментов
останков денисовцев. Почти все они происходят из Денисовой пещеры на
Алтае. Лишь одна находка сделана в высокогорной пещере на Тибете
(рис. 9-7).
Хотя в процентном отношении вклад ДНК неандертальцев и дени-
совцев кажется небольшим, их гены сыграли важную роль в адаптации
сапиенсов к новым условиям при расселении по планете. Достаточно ска-
зать, что у многих современных людей часть ключевых генов иммунной
системы (в частности, противовирусной защиты) имеет неандертальское
происхождение. Эти гены могли сыграть решающую роль в борьбе с но-
выми болезнями, которые поджидали наших предков за пределами Аф-
рики.
Другой интересный пример: вариант гена, обеспечивающего адапта-
цию коренных тибетцев к недостатку кислорода в условиях высокогорья,
имеет денисовское происхождение. Таких примеров накапливается всё
больше и больше. Так что нам есть за что благодарить наших «второсте-
пенных» предков.
ПОДВОДЯ итоги. Человек разумный (Н. sapiens) возник на террито-
рии Африки примерно 300 тыс. лет назад и около 50—60 тыс. лет назад
расселился за её пределы. При этом как минимум два других поздних
представителя рода Ното, неандертальцы и денисовцы, также внесли
и свой вклад в генофонд современного человечества.
220
1. Как вы думаете, скорость фиксации нуклеотидных замен для У-хромосо-
мы больше или меньше, чем для митохондриальной ДНК?
2. Какие ещё факторы, кроме тех, которые были упомянуты в данной главе,
могут влиять на скорость фиксации одного из вариантов (или последова-
тельностей) митохондриальной ДНК в популяции?
3. Почему мы обнаруживаем следы гибридизации с неандертальцами и де-
нисовцами в ядерном геноме современных людей, но не можем обнару-
жить их в генофонде мтДНК и У-хромосомы современных популяций?
Глава 34
ВЕЛИКОЕ ПЕРЕСЕЛЕНИЕ
НАРОДОВ
Возраст общего предка всех анатомически современных людей со-
ставляет около 300 тыс. лет. Большую часть времени популяции человека
обитали в Африке, лишь иногда выходя за её пределы. Наиболее значи-
мый выход из Африки состоялся примерно 60 тыс. лет назад и привёл к
заселению людьми всех континентов Земли (рис. 9-8).
Рис. 9-8. Пути расселения популяций человека из Африки
и датировка заселения различных регионов
221
•> Ролевая игра «ПЕРЕСЕЛЕНЦЫ»
Разделитесь на группы по пять-шесть человек. Каждая группа получает два листа I
ватмана А4 для карты, мешочек и 12 фишек четырёх разных цветов. Участники I
группы должны нарисовать карту мира из 6—10 материков (островов). Размер
и взаимоположение значения не имеют, но, если есть желание, участники могут
продумать флору и фауну этих континентов, а также условия обитания на разных
частях суши. Также необходимо нарисовать схематическую копию карты (вспомо-
гательную карту), на которой будут отражены переселения с континента на кон- I
тинент во время игры.
Первый заселённый континент помечается (например, крестиком) и заселяется
12 особями: на него помещают по три фишки четырёх разных цветов. На базовой
карте необходимо подписать или нарисовать состав популяции. Дальше все фиш-
ки с данного континента складываются в мешочек, перемешиваются и из мешоч-
ка вслепую достаются три случайные фишки — это будут переселенцы на первый
соседний участок суши. Отметьте на вспомогательной карте состав переселенцев,
а на новый материк (остров) положите фишки переселенцев и умножьте их число |
на 4.
Далее заселяйте другие части суши в произвольном порядке. Можно опять начать
с первого острова, а можно — с любого другого, где уже есть ваши поселенцы.
В итоге у группы должны получиться примерно такие карты:
Когда все части суши будут заполнены, карта островов (материков) с описаниями
обитающих там популяций прикрепляется к доске. После этого учащиеся из дру-
гих групп пытаются воссоздать пути передвижения переселенцев. Например, если
на острове есть белые и красные фишки, то понятно, что они не могли появиться
с острова, на котором есть только чёрные фишки. Можно помечать все возмож-
ные пути пунктиром, а если у вас выявился единственный вариант заселения дан-
ного острова, отметьте его сплошной линией. Когда класс разберёт все возмож-
ные варианты, группа, которая управляла этими переселенцами, открывает свою
вспомогательную карту. <
222
Сначала была заселена континентальная Азия, Австралия и Океа-
ния, а лишь затем — Европа. Ещё позже человек появился в Америке.
Рассмотрим основные особенности генетической истории населения
разных регионов.
На первом этапе население Европы состояло из палеолитических
охотников-собирателей. Первое серьёзное изменение генетического соста-
ва европейцев произошло в связи с изменением климата: около 20 тыс. лет
назад значительная часть современной Европы покрылась ледниками.
Большинство жителей континента погибли, но некоторые мигрировали
в так называемые рефугиумы (регионы-убежища), один из которых, кста-
ти, располагался на территории южных районов европейской части Рос-
сии. После отступления ледников популяции из рефугиумов вновь засели-
ли Европу. Но у них был уже другой генетический состав — бутылочное
горлышко и дрейф генов привели к изменению частот генетических ком-
понентов в европейских популяциях. В итоге генетический состав пост-
ледниковых популяций оказался значительно беднее, чем состав популя-
ций, существовавших до ледникового максимума.
Второй случай резкого изменения генетического состава популяций
значительной части Европы был связан уже не с климатом, а с культур-
ными (и экономическими) достижениями людей. В период так называемой
неолитической революции (порядка 7—8 тыс. лет назад) на территорию
Европы с Ближнего Востока проникли первые животноводы и земледель-
цы. На значительной части Европы, особенно в её южных и центральных
районах, происходит вытеснение охотников-собирателей этими ранними
«фермерами». При этом меняется генетический состав популяций. Конеч-
но, охотники-собиратели и их гены не исчезли полностью — произошло
смешение «пришлых» и «местных» компонентов генофонда, а кое-где в се-
верных районах Европы охотники-собиратели так и остались доминирую-
щим населением. Но после контакта значительная часть европейских по-
пуляций уже имела смешанное происхождение.
В третий раз генетический состав европейского населения изменил-
ся тогда, когда на территорию Восточной и Центральной Европы проник-
ли новые популяции. Их составляли животноводы из степного пояса Евра-
зии, включая носителей так называемой ямной культуры. Произошло это
примерно 5 тыс. лет назад.
Следует заметить, что и после этого генетический состав популяций
Европы не оставался неизменным. Например, он сильно изменился под вли-
янием кочевых степных племён на рубеже нашей эры (рис. 9-9).
Территория Австралии была заселена людьми (выходцами из Афри-
ки) примерно 45 тыс. лет назад. Анализ образцов ДНК показал, что после
первоначального заселения генетический состав локальных популяций
австралийских аборигенов не менялся под воздействием извне на протя-
жении десятков тысяч лет — вплоть до совсем недавнего времени. Это
значит, что современные австралийские аборигены так и оставались в тех
регионах, где 45 тыс. лет назад осели их предки — первые поселенцы.
223
горлышко Носители
7000-8000
лет назад
Рис. 9-9. Изменения генетического состава населения Европы
Генетики точно установили, что предками современного коренного
населения Америки, индейцев, являются представители древних популя-
ций с территории Сибири. Примерно 25 тыс. лет назад они заселили сухо-
путный перешеек, соединявший в то время северо-восток Евразии и севе-
ро-запад Северной Америки, — Берингию (сейчас их разделяет Берингов
пролив).
В результате наступления ледников популяции, населявшие Берин-
гию, оказались в изоляции. Лишь при отступлении ледников эти популя-
ции смогли расселиться в более южные районы Северной Америки, а за-
тем заселили Южную Америку.
Самыми последними (около 1500 лет назад) были заселены крупные
изолированные острова: Мадагаскар — мореплавателями с Индонезий-
ского архипелага, Исландия — скандинавами и Новая Зеландия — поли-
незийцами.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Наиболее массовая миграция анатомически совре-
менного человека за пределы Африканского континента произошла по-
рядка 50—60 тыс. лет назад. Представители этой миграционной волны
заселили в итоге все основные регионы нашей планеты и сформирова-
ли основу генетического состава современного населения. Дальнейшая
генетическая история населения различных регионов планеты склады-
валась по-разному: от многократных изменений доминирующих гене-
тических компонентов в составе генофонда (в случае населения Евро-
пы) до прямой генетической преемственности между первыми поселен-
и цами и современными аборигенами (в Австралии).
224
Тема для дискуссии )
Коренное население тропических областей Земли имеет более тёмную кожу,
чем жители умеренных областей. Обсудите, как возникали эти различия по
мере расселения человечества из Африки, какую роль в их возникновении
сыграл естественный отбор (по какому признаку?), половой отбор, дрейф ге-
нов. Как можно проверить ваши гипотезы?
Практикум < ----,
Лабораторная работа 9-1. РАСЩЕПЛЕНИЕ ЛАКТОЗЫ
Все млекопитающие в детском возрасте питаются молоком матери, которое со-
держит лактозу (дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы). Следовательно,
в детском возрасте им необходим фермент, который расщепляет лактозу — лак-
таза. Но когда детёныш вырастает, этот фермент становится не нужен, и его
транскрипция постепенно затухает.
У человека этот процесс регулирует транскрипционный элемент в 13-м интроне
гена МСМ6. При этом в популяции человека найдена интересная мутация: заме-
на цитозина (Ц) на тимин (Т) в данном регуляторном элементе приводит к тому,
что экспрессия гена лактазы не ослабевает с возрастом. Учёные это связывают
с тем, что в тех популяциях, где человек одомашнил животных и начал употреб-
лять молоко в течение всей жизни, вариант с тимином (Т) начал давать адаптив-
ный эффект: человек пьёт много молока и получает больше кальция, необходи-
мого для укрепления костей и зубов.
Цель работы: научиться проводить ПЦР-анализ методом аллель-специфичной
ПЦР.
Оборудование и реактивы: ДНК-амплификатор, автоматические дозаторы, на-
конечники, пробирки для ПЦР, набор реактивов для выявления мутации в гене
LCT методом аллель-специфичной ПЦР (возможно определение другой мутации),
оборудование для электрофореза.
Ход работы
1. Подготовьте пробирки для ПЦР. Для каждого образца необходимо две про-
бирки: в одну вы добавите смесь праймеров для аллеля, содержащего нукле-
отид Ц, в другую — смесь праймеров для аллеля с нуклеотидом Т. Не забудь-
те контрольные образцы с известным генотипом (входят в набор).
2. Составьте ПЦР-смеси в соответствии с инструкцией производителя набора.
3. Поместите пробирки в амплификатор. Запустите программу в соответствии
с инструкцией (рис. 9-10).
225
АЛЛЕЛЬ-СПЕЦИФИЧНАЯ АМПЛИФИКАЦИЯ
норма
праймер ц
ДНК
присоединение праймера пЦр
и амплификация
________Ц__________
днк —
мутация
праймер z ц
ДНК А
праймер не может
присоединиться,
и амплификация
__________/ Н не происходит
-----------А------------
ДНК
Рис. 9-10. Аллель-специфичная ПЦР
4. Подготовьте камеру для электрофореза и проведите электрофорез получен-
ных ПЦР-смесей. Зарисуйте (сфотографируйте) результат электрофореза. За-
рисуйте в тетради результаты.
5. Посмотрите, как выглядят контрольные образцы, объясните результаты ПЦР.
6. Определите генотипы исследуемых образцов.
7. Если вы не проводили эксперимент, определите генотипы образцов на рисун-
ке 9-11. В данном случае тестирование проводилось с помощью тест-систе-
мы, в которой для контроля прохождения ПЦР используются дополнительные
праймеры, дающие фрагмент длиной 100 п. н. Праймеры для определения му-
тации дают ПЦР-продукт длиной 200 п. н.
234567 89 ЮМ
Рис. 9-11. Результаты электрофореза. Дорожки 1, 3, 5, 7, 9 — смесь для выявления
аллеля Ц. Дорожки 2, 4, 6, 8, 10 — смесь для выявления аллеля Т. Дорожка М —
маркер молекулярного веса (фрагменты 100, 200, 300, 400, 500 п. н.). Дорожки 1,2 —
контрольный образец с генотипом Ц/Т, дорожки 3 и 4 — генотип Ц/Ц, дорожки 5 и
6 — генотип Т/Т, дорожки 7 и 8 — исследуемый образец 1, дорожки 9 и 10 —
исследуемый образец 2
226
8. Сделайте вывод о возможности употребления молока во взрослом возрасте
у исследованных людей.
Что читать
1. Марков Александр. «Эволюция человека» (в 2 книгах). В первой книге, ко-
торая называется «Обезьяны, кости и гены», рассказывается о находках, кото-
рые позволили восстановить эволюцию человека. В книге не просто дан фак-
тический материал, а рассказывается об истории открытия — как учёные
продвигались в своём поиске и как приходили к определённым выводам.
Вторая книга, «Обезьяны, нейроны, душа», посвящена исследованиям особен-
ностей поведения человека, доказательствам эволюционного формирования
того, что традиционно считалось душой человека.
2. Манель Эстейер. «Я не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика рас-
полагает». Автор (к слову, сам эксперт в области эпигенетики) в доступной и
увлекательной форме знакомит с основами и достижениями этого научного
направления. Из книги вы узнаете, как среда влияет на активность наших ге-
нов, какие заболевания имеют эпигенетическую составляющую, могут ли на-
следоваться эпигенетические метки и какую роль это могло сыграть в нашей
эволюции.
227
Модуль 10
ГЕНОМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Мы с вами живём в постгеномную эру, когда секвенированы геномы мно-
гих сотен тысяч людей, десятков тысяч различных видов, представляющих
ключевые таксоны живой природы. Этот огромный массив геномной инфор-
мации остаётся не до конца понятым. Функции многих генов и их продуктов
ещё неизвестны; не изучены молекулярные механизмы, обусловливающие
работу клеток, тканей, органов, организмов и сообществ организмов. В этом
модуле мы познакомим вас с ключевыми подходами «постгеномной» жиз-
ни — обратной генетикой и омиксными технологиями, развитие которых по-
зволило осуществить настоящий прорыв в молекулярной генетике и пони-
мании механизмов взаимодействия организмов друг с другом и с окружаю-
щей средой. Мы увидим, как человек научился управлять эволюцией,
одомашнивая растения и животных, а затем совершенствуя их сорта и поро-
ды. Мы узнаем, как современные «постгеномные» знания о генах и призна-
ках позволяют человеку повышать продуктивность
сельскохозяйственных растений и животных целена-
правленно и эффективно, работая не вдогонку вы-
зовам природы (изменение климата, новые патогены
и вредители), а с опережением!
Обо всём этом вам расскажет Елена Хлёсткина,
выпускник НГУ, доктор биологических наук, про-
фессор, директор Всероссийского института генети-
ческих ресурсов растений имени Н. И. Вавилова.
Анастасия Юнусова, которая познакомила вас
с методами молекулярной генетики, расскажет о том,
как при помощи клонирования и редактирования ге-
номов можно воскресить вымерших животных.
Татьяна Шнайдер, которая объясняла вам зако-
ны Менделя, расскажет о том, как с помощью ген-
ной терапии можно лечить тяжёлые наследственные
заболевания.
ЕЛЕНА
ХЛЁСТКИНА
Глава 35
«ОМЫ» НАД ГЕНОМОМ
Мы секвенировали геномы тысяч людей и тысяч представителей жи-
вотного и растительного мира. Что дала нам расшифровка геномов? Трил-
лионы букв: ААГГЦЦТАТЦ... Что делать дальше с этой информацией?
Учёный, расшифровавший геном, подобен дошкольнику, научивше-
муся читать и считать и с важным видом прочитавшему целую замет-
ку в газете. Малыш, который различает слова, подсчитал, сколько слов
228
в прочитанной заметке, и даже понял, что означают некоторые слова. Или
он их слышал, не понимая их смысла. Но большинство слов для него но-
вые, и смысл текста неясен. Ему ещё предстоит развиваться и познавать
мир, чтобы через годы уловить смысл той газетной заметки, а затем и по-
нять её до конца.
Так и учёные, прочитавшие тот или иной геном, сталкиваются с но-
выми генами, функция которых не определена. Этот новый, «постгеном-
ный», этап нужно пройти, чтобы понять функцию каждого гена, взаимо-
действия между разными генами и влияние этих генов и их взаимодей-
ствий на всё, что происходит в организме.
Все мы, авторы этой книги, всё ещё чувствуем себя малышами в ге-
нетике, точнее, в своей «постгеномной жизни», и вовсе не потому, что мно-
гие из нас довольно молоды, а потому, что большинство самых главных ге-
номов были расшифрованы относительно недавно — буквально в течение
последних 10—12 лет. Например, в 2009 г. были расшифрованы геномы
коровы, лошади и кукурузы, в 2010 г. — сои и яблони, в 2011 г. — кар-
тофеля и капусты, в 2012 г. — ячменя, томата и свиньи, в 2013 — свёклы
и хлопчатника и т. д., вплоть до пшеницы в 2018 г. (рис. 10-1).
Сегодня мы продолжаем открывать новые гены и описывать их
функции, а также расшифровываем молекулярные и клеточные меха-
низмы, благодаря которым происходят важные процессы жизнедеятель-
ности. Мы находим различия на уровне ДНК между людьми, благодаря
которым индивидуумы отличаются внешне либо по поведению или состо-
янию здоровья, выявляем у сельскохозяйственных растений или живот-
ных новые гены, важные для повышения их продуктивности.
А помогают нам в этой «постгеномной жизни» подходы обратной ге-
нетики и омиксные исследования.
Словосочетание обратная генетика появилось и прижилось с раз-
витием секвенирования, когда прочтение генов стало опережать пони-
мание, зачем эти гены нужны. Тогда, чтобы понять, для чего нужен тот
Рис. 10-1. Хронология расшифровки геномов некоторых сельскохозяйственных видов
229
или иной ген-загадка, было предложено сначала его испортить (т. е. вне-
сти в него мутацию), а затем посмотреть, что будет. Для направленно-
го внесения мутаций приспособили методы генной инженерии. Это дало
возможность устанавливать связь между генотипом и фенотипом, двига-
ясь в процессе исследований от гена к признаку (в классической гене-
тике исследователь, наоборот, продвигался в своих познаниях от призна-
ка к гену). Поэтому новое направление исследований и назвали обратной
генетикой.
Часто анализ в прямой генетике завершается списком генов-канди-
датов — так называют расшифрованные гены, которые предположитель-
но влияют на тот или иной важный признак. На этом этапе эстафету при-
нимает обратная генетика. Для того чтобы установить, какой из кандида-
тов определяет изменчивость по данному признаку, получают мутантов
каждого кандидата и сравнивают их с исходной формой. Вначале изучают
внешние свойства — так удаётся установить, какой именно ген карди-
нально влияет на изменение признака.
Рассмотрим наглядный пример. У растений семейства Бобовые
в корневой системе поселяются полезные бактерии, которые помогают
растениям фиксировать азот из атмосферного воздуха, улучшая тем са-
мым питание своих хозяев. Взаимодействуя с растениями, такие бакте-
рии делают себе «домики» на корнях, называемые симбиотическими клу-
беньками. Среди растений сои встречаются такие, у которых клубеньки
не образуются из-за наличия гена-репрессора. Этот ген долго не могли
установить. Наконец на его роль нашлись подходящие кандидаты. В эти
гены-кандидаты внесли мутации, приводящие к сдвигу рамки считыва-
ния. Мутация в одном из кандидатов привела к появлению клубеньков
(рис. 10-2). Вот оно, наглядное доказательство! Так этот ген был утверж-
дён на роль гена-репрессора. Именно так работает обратная генетика.
Омиксные исследования — это комплексный анализ совокупностей мо-
лекул, которые возникают в результате деятельности генома, — молекул РНК
(транскриптом), белков (протеом), метаболитов (метаболом), совокупностей
признаков организма (феном) и микроорганизмов, с которыми исследуемый
организм взаимодействует (микробиом).
Для чего нужны такие исследования? Предположим, что мы установи-
ли главный ген, который влияет на различия особей по какому-то призна-
ку. Назовём его «ген-генерал». Следующий вопрос: как именно «генерал»
справляется с такой сложной задачей? Очевидно, он управляет целой ар-
мией других генов и молекул. Все они чётко и слаженно взаимодействуют.
Среди них есть «офицеры» — гены, подчиняющиеся «генералу». Каждый
из них по команде ведёт в бой своё подразделение. Если это происходит,
значит, «ген-офицер» транскрибируется. Другие «офицеры» ждут своей
команды, какие-то подчиняются другим «генералам». Выяснить, какие «ге-
230
РАСТЕНИЕ ГЕНЫ-КАНДИДАТЫ
БЕЗ КЛУБЕНЬКОВ
\ I I / / _
ГЕН 3 - ЭТО
ГЕН-РЕПРЕССОР
Рис. 10-2. Установление гена, влияющего на развитие симбиотических клубеньков
у сои, с помощью методов обратной генетики
ны-офицеры» управляются именно этим «генералом», а какие нет, можно
при помощи транскриптомного анализа.
Транскриптом — это совокупность молекул РНК, синтезируемых в данной
клетке, ткани или органе в данный момент развития организма.
Далее надо выяснить информацию о подразделении, которым руко-
водит тот или иной «ген-офицер», — понять, как меняется состав белков и
низкомолекулярных соединений в клетке по команде «генерала». Для это-
го проводят протеомный и метаболомный анализы.
* Протеом — совокупность белков в той или иной клетке, ткани или органе
на определённом этапе развития организма при определённых внешних усло-
виях.
Метаболом — совокупность низкомолекулярных соединений в той или
иной клетке, ткани или органе на определённом этапе развития организма при
^определённых внешних условиях.
В результате омиксных исследований (транскриптомных, протеом-
ных, метаболомных и пр.) получают большие массивы данных, которые
анализируют при помощи специальных компьютерных программ и супер-
231
компьютеров. На основе обобщения полученных результатов эти програм-
мы выстраивают целые сети взаимодействия генов, подчиняющихся «ге-
нералам». При помощи таких программ можно моделировать широкий
спектр возможных исходов боя, т. е. то, как «ген-офицер» или «ген-гене-
рал», изменяя метаболические процессы в клетке и целом органе, в конеч-
ном счёте изменяет и внешний признак (например, цвет, размер и вкус
растения, вес и рост животного, особенности реакций человека и т. д.). При
этом можно рассчитать эти изменения так, чтобы избежать нежелатель-
ных побочных эффектов и выявить те признаки организма, которые важ-
ны для диагностики и лечения заболеваний. Омиксные технологий служат
одним из главных инструментов геномной и постгеномной медицины.
Учёные пытаются автоматизировать анализ совокупности внешних
признаков. Это направление называют феномикой. Представьте такую
машину, которая едет по опытному полю и выдаёт десятки показателей от
высоты каждого побега до площади листьев на нём и числа зёрен в ка-
ждом колосе. Пока это сложно, поскольку данные исследования зависят от
работы высококлассных инженеров-изобретателей и программистов.
........> Практическое задание «АГРОНОМЫ»
Представьте, что вам необходимо выбрать сорт яровой пшеницы для получения
наибольшего урожая. У вас есть данные по нескольким сортам, полученные
в прошлом году (приведены в таблице).
УРОЖАЙНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ
(СРЕДНЕЕ ± ОШИБКА СРЕДНЕГО)
Сорт Сухая масса побега в фазе цветения, г Сухая масса колоса главного побега в фазе цветения, г Число колосков в колосе сортов
Лютесценс 62 1,23 + 0,06 0,16 + 0,01 14,2 ± 0,3
Саратовская 29 1,29 ± 0,06 0,17 ± 0,01 13,0 + 0,3
Саратовская 58 1,29 + 0,03 0,18 ± 0,01 13,7 ± 0,2
Альбидум 43 1,05 ± 0,05 0,13 ± 0,08 13,4 ± 0,4
Саратовская 56 1,02 + 0,04 0,14 ± 0,07 13,3 ± 0,2
Саратовская 66 0,92 ± 0,05 0,13 ± 0,07 13,2 ± 0,2
Прохоровка 1,39 ± 0,06 0,24 + 0,013 17,4 ± 0,5
Ленинградка 1,26 ± 0,05 0,19 ± 0,01 16,1 ± 0,5
232
Задания
1. Сухая масса побегов в фазе цветения положительно коррелирует с продолжи-
тельностью периода от всходов до цветения. Определите, какие из предло-
женных сортов созревают раньше, какие — позже.
2. Многолетние исследования показали наличие прямой связи между массой ко-
лоса в фазе цветения и потенциальной продуктивностью сортов, т. е. их уро-
жайностью, наблюдавшейся в самые благоприятные годы. Исходя из данного
показателя, определите, какой сорт является наиболее продуктивным.
3. На выход зерна влияют как стартовая масса колоса в фазе цветения, так и ко-
эффициент реализации колоса. В качестве показателя продуктивности можно
использовать число колосков на колосе. Проанализируйте таблицу и сделайте
вывод о том, в какой год собраны данные — в благоприятный для получения
урожая или в год с присутствием стрессовых факторов для растений. Объяс-
ните, почему использование данных только одного года может привести к не-
верным выводам относительно продуктивности сортов.
4. У вас есть данные из лаборатории метаболомных исследований об активации
или угнетении следующих метаболических путей:
1) метаболизм линолевой кислоты;
2) метаболизм крахмала и сахарозы;
3) фотосинтез-антенные белки;
4) биосинтез флавоноидов;
5) метаболизм аминосахаров и нуклеотидов;
6) цитратный цикл (цикл ЦТК);
7) биосинтез кутина, суберина и воска;
8) метаболизм рибофлавина;
9) пролиферация пероксисом;
10) метаболизм порфирина и хлорофилла;
11) биосинтез убихинона и других терпеноид-хинонов;
12) гликолиз/глюконеогенез;
13) биосинтез аминокислот;
14) базальные факторы транскрипции;
15) биосинтез каротиноидов;
16) биосинтез стероидов;
17) метаболизм жирных кислот;
18) биогенез рибосом у эукариот;
19) процессинг белка в эндоплазматическом ретикулуме;
20) окислительное фосфорилирование.
На какие пути вы обратите внимание при выборе сорта? Исходя из своих знаний
о строении и метаболизме клеток, порассуждайте, к каким последствиям для
урожая может привести каждый из этих метаболических путей. <
Генетики изобретают и применяют всякие «омики», соревнуясь друг
с другом в том, кто первым найдёт новые «гены-генералы». Но поверьте,
на вашу долю останется ещё больше открытий — придя в генетику, вы
непременно сможете открыть свой новый ген (и не один!), расшифровать
его функции и придумать, как использовать эти знания в медицине или
в сельском хозяйстве.
233
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Исследование совокупностей («омов») РНК, белков,
метаболитов или внешних признаков в разных условиях у разных
индивидуумов позволяет понять функциональную значимость тех или
иных мутаций в геноме. А на основе этого можно совершенствовать
сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов в сель-
ском хозяйстве, разрабатывать средства диагностики и лечения в ме-
дицине.
1. Какой ген важнее для организма — «ген-генерал» или «ген-офицер»? В ка-
ком из этих генов мутация, приводящая к потере функции, может с боль-
шей вероятностью стать летальной для организма?
2. Можно ли найти «ген-генерал» для количественного признака?
Глава 36
ДОМЕСТИКАЦИЯ
И ЦЕНТРЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО
РАЗНООБРАЗИЯ
Доместикация и древние цивилизации. Перенесёмся мысленно на
10 тыс. лет назад. Представим себе луг, а на нём — нашу древнюю общую
бабушку. Посмотрите, она собирает зёрна, чтобы накормить семью. Как
только бабушка касается растения, зёрна осыпаются на землю. Они созре-
ли. Растение в дикой природе так устроено, что созревшее семя ему надо
сбросить с себя.
Потом бабушка касается следующего растения. С него зерно не осы-
пается. Если бы это была ненаблюдательная и не очень умная бабушка,
она решила бы, что зерно не созрело, или просто не обратила бы внимания
на диковинку. Но наша бабушка была очень наблюдательной и очень ум-
ной — и к тому же с задатками генетика. Она угадала, что это ценный му-
тант, у которого созревшие зёрна продолжают крепко держаться на рас-
тении. В дикой природе у этого растения нет шансов дать потомство.
А в заботливых руках бабушки оно было посеяно и дало на следующий год
урожай, за которым не надо было склоняться к земле и потом собирать се-
мена в пыли. Достаточно было просто срезать растения и потом обмоло-
тить их (рис. 10-3).
Так происходило одомашнивание, или доместикация, — люди начали
разводить растения и животных, отбирая подходящих мутантов. При этом
у людей изменялся образ жизни. Сначала они перестали бродить по бес-
крайним просторам — ведь им стало выгоднее выращивать растения и
разводить животных, чем заниматься собирательством и охотой. У них
234
Рис. 10-3. Поиски растений с полезными для человека признаками
появились запасы, которые надо было где-то хранить — так началось
строительство. Запасы продовольствия и огромные стада одомашненных
животных надо было охранять от соседних племён — и вот появилась ар-
мия. Запасы можно было обменивать, продавать — так появились доходы.
Доходы надо было распределять и вообще распоряжаться ими с умом —
так и дошло дело до государственного устройства древних цивилизаций.
Первые цивилизации образовались именно там, где наблюдалось
наибольшее видовое и внутривидовое разнообразие растений и животных.
В таких местах у человека был выбор, кого приручить, т. е. было из кого
выбирать, ведь далеко не все растения и животные подходят для домести-
кации. Среди растений для одомашнивания подходили в первую очередь
формы с крупными и питательными семенами или плодами. Среди живот-
ных предпочтение отдавалось наиболее крупным и добродушным живот-
ным, причём таким, которые хорошо размножались в неволе. Дикие бара-
ны муфлоны, жившие в Передней Азии, стали предками домашних овец,
тарпаны, обитавшие в степях Причерноморья, — прародителями лоша-
дей. В Южной Америке была одомашнена лама, в Центральной Азии —
двугорбый верблюд, а в Передней Азии — одногорбый. Одомашнивание
тура, ныне исчезнувшего вида, произошло, вероятно, в нескольких обла-
стях Евразии. В результате возникли многочисленные породы крупного
рогатого скота.
Интересно, что основные культуры с питательными семенами наши предки
одомашнивали парами: одна культура обязательно была с высоким содержа-
нием углеводов, а другая — высокобелковая. Например, в Центральной Аме-
рике такую пару составляют кукуруза и фасоль, в Юго-Западной Азии — пше-
ница и горох, в Юго-Восточной — рис и соя.
235
-80'—О* ~ 60-
180-
I Индийский
II Южнокитайский
III Среднеазиатский
IV Переднеазиатский
Рис. 10-4. Центры происхождения культурных растений
Географические центры происхождения
культурных растений
V Средиземноморский
VI Абиссинский
v|| Центральноамери-
vl канский
VIII Южноамериканский
Посмотрите на карту центров генетического разнообразия и доме-
стикации растений (рис. 10-4). Вспомните уроки истории и карту мира
с расположением древних цивилизаций. Определённо, вы найдёте совпа-
дения на этих картах. Доместикация растений привела к возникновению
цивилизаций! Впервые описал центры генетического разнообразия около
100 лет назад наш соотечественник — Николай Иванович Вавилов (1887—
1943), великий путешественник, ботаник, географ, генетик, селекционер.
Он обнаружил эти центры в ходе 180 своих экспедиций на всех континен-
тах Земли, кроме Австралии и Антарктиды. Изучая разнообразие призна-
ков у растений разных видов, Вавилов обратил внимание на поразитель-
Николаи
6А8ИЛО8
ное сходство в изменчивости у представителей
филогенетически близких таксонов. На осно-
вании своих наблюдений он сформулировал
закон гомологических рядов наследственной из-
менчивости-. «Виды и роды, генетически близ-
кие, характеризуются сходными рядами на-
следственной изменчивости с такой правиль-
ностью, что, зная ряд форм в пределах одного
вида, можно предвидеть нахождение парал-
лельных форм у других видов и родов. Чем
ближе генетически расположены в общей си-
стеме роды и виды, тем полнее сходство в ря-
дах их изменчивости». Этот закон одинаково
справедлив для всех многоклеточных: расте-
ний, грибов и животных.
236
.......> Практическое задание «ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ
НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЖИВОТНЫХ»
Попробуйте сформулировать закон Вавилова в современных терминах молеку-
лярной генетики, исходя из того, что вы знаете об ортологичных генах и мутаци-
ях, которые в них возникают. Найдите гомологические ряды мутаций для раз-
личных пород собак. Например, такой признак, как ахондроплазия (укорочение
ног), можно встретить у овчарок (корги), терьеров (скотч-терьер), гончих (бас-
сет-хаунд).
Заполните таблицу, вписав в ячейки названия пород собак, для которых харак-
терна данная мутация (вы можете добавить группы пород или заменить их на бо-
лее известные вам группы).
ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
ДЛЯ ПОРОД СОБАК
Овчарки Терьеры Гончие Шпицы
Гигантизм
Карликовость
Ген Мерли (мраморность)
Окраска (например, чёрно-подпалый)
Тип шерсти (например, гладко-
шёрстные)
Вы можете выполнить проектную работу по этому заданию, классифицировав ос-
новные ряды гомологичной изменчивости среди домашних или сельскохозяй-
ственных животных. Обязательно сопроводите примеры иллюстрациями. <
Слово селекция переводится с латыни как «отбор». Сначала преобла-
дал так называемый массовый отбор. Как это выглядело? Древний селек-
ционер выбирал семена самых крупных растений, а потом сеял их, не раз-
деляя на делянки. В итоге урожай получался лучше, чем в прошлом году.
Из него опять выбирались на семена лучшие экземпляры и т. д.
Но временами такой подход приносил разочарование. Скажем, неко-
торым растениям повезло, они были на самом солнечном краю большой
делянки, а остальные попадали в тень деревьев. Значит, самыми сочными
и крупными томатами оказывались не те, что несли в себе лучшие гены,
и их семена отбирали зря: в будущем году желаемый урожай получить не
удавалось.
Умные селекционеры поняли, в чём дело, и стали поступать хитрее.
Они выбирали несколько самых лучших растений и высевали семена каж-
дого на отдельную делянку. На следующий год они внимательно смотрели
на потомков следующих поколений. Так они сразу понимали, какое расте-
237
ние было просто везунчиком с неважными генами, а какое из года в год
стабильно давало лучшее потомство. Такой отбор назвали индивидуаль-
ным. Через некоторое время селекционеры начали целенаправленно скре-
щивать растения, чтобы скомбинировать в их потомках лучшие гены.
Селекционеры отмечали, что потомство одного растения самое мно-
гочисленное, другого — самое крупное, третьего — устойчиво к болезням,
четвёртого — долго и хорошо сохраняется в амбаре. Они постарались
взять от каждого растения лучшие гены и при помощи скрещиваний по-
ИСХОДНАЯ ПОПУЛЯЦИЯ
МАССОВЫЙ ОТБОР ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ОТБОР
Рис. 10-5. Получение новых сортов
238
лучить «суперрастение» — урожайное, устойчивое к болезням и долго
хранящееся. Такой подход называют комбинационной селекцией. Про-
дукт селекции растений получил название сорт, а селекции животных —
порода (рис. 10-5).
Селекционеры заметили, что гибриды первого поколения от скрещи-
вания разных сортов растений часто оказываются значительно мощнее
родительских форм.
Более высокую жизнеспособность и продуктивность гибридов первого по-
зления по сравнению со скрещиваемыми формами называют гетерозисом,
последующих поколениях эффект гетерозиса пропадает.
Селекционеры поняли, что для получения мощных растений надо
всегда поддерживать родительскую пару, получая каждый год от их скре-
щивания один и тот же семенной материал, из которого и вырастают мощ-
ные гибриды первого поколения. Этот подход, названный гибридной селек-
цией, стали широко применять во второй половине XX в. (рис. 10-6).
Если селекционерам удавалось, ловко комбинируя гены, получать
замечательные сорта, породы и гибриды ещё до того, как эти самые гены
были расшифрованы, представляете, какие возможности открываются
для селекционеров теперь, в XXI в.?
Если в прошлом веке на выведение сорта растений уходило до 20 лет
и более, то сегодня процесс селекции ускорился, так как комбинацион-
ная селекция дополнилась методами исследования ДНК. Предположим,
что мы знаем, как на уровне ДНК различаются аллели гена, отвечающе-
го за изменчивость томата по устойчивости к какой-нибудь болезни.
В процессе комбинационной селекции мы получим сотни потомков. Вы-
ращивая из семян рассаду, мы можем сразу взять на анализ ДНК (выде-
лив её из кусочка листа), провести ПЦР или секвенировать нужный ген
Рис. 10-6. Эффект гетерозиса
239
и сразу определить, какие растения будут устойчивы к этой болезни.
Только такие растения будут потом использоваться в дальнейших скре-
щиваниях.
Использование современных методов искусственного отбора эконо-
мит время, посевные площади и денежные средства. Селекционный про-
цесс становится более точным.
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Научившись одомашнивать растения и животных
и вести селекцию, человек научился управлять эволюцией. Одомашни-
вание способствовало возникновению древних цивилизаций. Разработ-
ка научных методов селекции позволила резко увеличить продуктив-
ность растений и животных. Сегодня от степени развития и успехов се-
лекции напрямую зависит судьба человечества и решение глобальных
и проблем, в первую очередь продовольственной.
1. Зебра похожа на лошадь, но за всю историю человечества, несмотря на
все попытки оседлать, запрячь и заставить везти повозку, это животное
человек так и не одомашнил. Как вы думаете, почему?
2. Собака была одомашнена раньше других животных и раньше, чем возник-
ло земледелие. Доместикация собаки происходила в разных уголках пла-
неты. Как вы думаете, что подталкивало предка собаки к людям и чем со-
бака оказывалась полезна человеку? Представьте, что одомашнивания
собаки в истории человечества так и не произошло. Насколько сильно из-
менилась бы история человечества?
3. Как вы считаете, почему невозможно создать сорт, устойчивый ко всем
болезням на все времена?
4. «Дедоместикация». Представьте, что Homo sapiens вымер, но популяция
собак осталась. Как из поколения в поколение без человека собака нач-
нёт меняться? По каким признакам будет идти естественный отбор на вы-
живание? Опишите роль изменчивости и мутаций в данном процессе. Вы-
берите, какие собаки (пять пород) легче будут проходить дедоместикацию
(к примеру, в условиях лесостепи, где климат резко континентальный). От-
вет обоснуйте.
Глава 37
СОХРАНИТЬ И ИЗУЧИТЬ ГЕНЫ,
ЧТОБЫ МЕНЯТЬ БУДУЩЕЕ
На древних лугах, где наши бабушки отбирали полезные для доме-
стикации мутанты, несомненно, оставалось много диких форм. В этих ди-
ких формах остались не только гены, помешавшие эти растения одомаш-
нить, но и много полезных генов, не все из которых достались счастливчи-
240
ку-мутанту, а значит, и всем его потомкам, т. е. нашим современным
сортам. Выходит, что доместикация создала своего рода бутылочное гор-
лышко, через которое в культуру пришла лишь малая часть природного
разнообразия генов. Чем дальше шла селекция, тем сильнее это горлыш-
ко сужалось.
Если представить, что сегодня вдруг на Земле останется только то
разнообразие, которое находится на современных производственных по-
лях, то через несколько лет придёт конец селекции, а потом и вовсе насту-
пит продовольственный коллапс, за которым последует закат всей циви-
лизации. Но этого не произойдёт, потому что Н. И. Вавилов, а вслед за ним
и много других учёных из разных уголков планеты вовремя стали созда-
вать специальные хранилища для уходящего разнообразия — генетиче-
ские банки (или генбанки).
Зачем хранить какой-то старый сорт, который давно вытеснен из оборота
более урожайными подходящими сортами? А затем, что каждый раз, когда
меняются условия выращивания, старые сорта отметаются лишь потому, что не
подходят под эти условия. Никто не смотрит на другие полезные свойства.
А за этими полезными свойствами стоят гены, которые будут востребованы на
очередном витке развития селекции.
Например, когда земледелие стало активно распространяться и се-
лекционеры разных стран стали обмениваться новинками, стали быстрее
распространяться и патогены. Но за генами устойчивости к болезням се-
лекционеры стали обращаться даже не к старым сортам, а к диким роди-
чам культурных растений — к тем самым, что остались за бортом доме-
стикации. С трудом добиваясь получения потомства от скрещивания со-
ртов с дикарями, они с переменным успехом переносили в сорта «дикие»
гены устойчивости.
Хорошо, что селекционеры спохватились много лет назад, когда ди-
ких родичей было ещё немало в природе. Позже земледелие завоевало
многие территории и уничтожило часть диких родичей. Одновременно
много старых сортов выходило из оборота. Увидев эти тенденции около
века назад, Н. И. Вавилов организовал со своими сотрудниками экспеди-
ции по всем уголкам планеты, где было сосредоточено наибольшее разно-
образие форм растений.
Но Николай Иванович с сотрудниками не просто собрали и хранили
семена, как это делают в научном музее. Они затеяли масштабные экспе-
рименты по всей нашей стране, высевая семена новых образцов собирае-
мой коллекции в самых удалённых уголках, включая зоны рискованного
земледелия. И среди разнообразия коллекции находились удачные му-
танты, которые прижились в несвойственных для своего вида климатиче-
ских условиях.
241
Коллекция генетических ресурсов растений — это совокупность со-
бранных, систематизированных и документированных в установленном поряд-
ке образцов, сохраняемых вне мест их естественного произрастания или воз-
делывания и представляющих научную ценность для обеспечения селекцион-
ных программ и научно-исследовательских проектов.
В вавиловской коллекции (Всероссийский институт генетических ре-
сурсов растений имени Н. И. Вавилова) сейчас хранится более 300 тыс. об-
разцов, относящихся к более чем 2000 видов культурных растений и их
диких родичей. Они служат источником ценных генов для непрерывно
идущего процесса селекции. Многие образцы специальным образом подсу-
шены и содержатся в вакуумных упаковках в низкотемпературных хра-
нилищах (рис. 10-7). Вегетативно размножаемые культуры сохраняют
в виде микрорастений в пробирках и в виде кусочков тканей в жидком
азоте. Из этих кусочков спустя столетия и даже тысячелетия можно бу-
дет вырастить на специальной среде полноценные растения того же само-
го сорта (рис. 10-8).
Дикие родичи и новая доместикация. Хранятся в коллекции и семе-
на диких родичей. Не только для того, чтобы скрестить их с растениями
близких им культурных видов и внести в их сорта полезные гены. Сейчас
при помощи научных методов мы можем доместицировать новые виды.
Причём сделать это в рекордно короткие сроки!
Пионером в экспериментах по ускоренной доместикации на научной
основе стал наш соотечественник Дмитрий Константинович Беляев (1918—
1985), выдающийся генетик и эволюционист. Дмитрий Константинович
Рис. 10-7. Низкотемпературное хранилище, в котором при температуре -10 °C
хранят в фольгированных пакетах семена коллекционных образцов
242
Рис. 10-8. Криотанки с жидким азотом (слева) и пробирки с растениями (справа)
для хранения вегетативно размножаемых культур
предположил (а затем со своими коллегами экспериментально показал),
что ключевую роль в одомашнивании животных играл отбор по поведе-
нию. Его эксперимент по одомашниванию лис был признан в мире самым
выдающимся генетическим экспериментом XX в. В этом эксперименте
выяснилось, что селекция по поведению не ограничивается изменением
самого поведения. Параллельно изменяются многие жизненно важные
функции, и появляется большое количество морфологических признаков,
характерных для других одомашненных животных.
Естественный процесс одомашнивания шёл медленно, а опыты Беля-
ева, начатые менее века назад, показали, что при использовании научных
знаний и научных методов можно одомашнить животных за очень корот-
кий срок. Сегодня последователи Беляева
ведут эксперименты по новой домести-
кации на самых разных объектах при по-
мощи технологий генетического редакти-
рования (вы прочитали об этих методах
в главе 12).
Генетическое редактирование пред-
ставляет собой способ внесения направ-
ленной мутации в нужный ген. Предполо-
жим, это ген, который отвечает за легко
отделяемую чешую у зерновки злаковых
растений, ведь одно из главных требова-
ний к семенам культурных растений —
простота обмолота. Можно поменять, та-
ким образом, аллель гена-мишени вместо
СЕ.ляе.8
243
Доместицированное
растение
ЕСТЕСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ОДОМАШНИВАНИЯ
Рис. 10-9. Долгий процесс одомашнивания (внизу) и ускоренный метод новой
доместикации — доместикации de novo (вверху)
того, чтобы передавать нужный вариант гена в создаваемый сорт или по-
роду путём долгих скрещиваний (рис. 10-9).
Селекционеры будущего займутся моделированием своих сортов
при помощи специальных компьютерных программ и суперкомпьюте-
ров, пригодных для обработки больших данных (геномных, феномных,
климатических). И тогда мы будем работать не вдогонку вызовам приро-
ды (нестабильность климата, новые патогены и вредители), а с опереже-
нием!
[ПОДВОДЯ итоги. Генетические ресурсы растений, животных и ми-
кроорганизмов, сохраняемые в генетических банках, — это основа се-
лекции и продовольственной безопасности нашей страны и её науч-
но-технологического развития.
1. Почему в генетических банках сохраняют сорта, которые вышли из оборо-
та из-за каких-то недостатков? Не рациональнее ли было отказаться от
затрат на их поддержание в живом виде?
2. Почему генетическое редактирование называют ещё и методом направ-
ленного мутагенеза? Какую роль мутагенез сыграл в формировании гене-
тического разнообразия микроорганизмов, растений, животных и челове-
ка? Неполное совершенство клеточных систем репликации и репарации,
из-за ошибок которых иногда происходят мутации, — это случайность, не-
доработка природы или нет? Объясните свою точку зрения.
244
3. Представьте себе, что вам необходимо создать новый сорт гречихи. Какие
новые свойства этого растения было бы важно внедрить в сорт? Подумай-
те, где вы будете брать гены для внесения этих признаков.
Глава 38
ВОСКРЕШЕНИЕ МАМОНТОВ И
КЛОНИРОВАНИЕ ОРГАНИЗМОВ
С Клонирование — это метод получения клонов, т. е. генетически идентич-
ных объектов.
Обычно термин «клонирование» применяют по отношению к искус-
ственному получению клонов. Однако и в естественных условиях мы до-
вольно часто сталкиваемся с клонами. Например, это однояйцевые (моно-
зиготные) близнецы. Они происходят из одной клетки (зиготы), а значит,
имеют одинаковый генетический материал и вполне попадают под опреде-
ление «клон».
Клоны также можно получить путём переноса ядра диплоидной
клетки в яйцеклетку, из которой ядро предварительно удалили. Факторы
(белки и регуляторные РНК), находящиеся в цитоплазме яйцеклетки,
удивительным образом преображают геном принесённого ядра. Они изме-
няют работу его генов, запуская программу развития целого организма.
Сначала эмбрион растёт в чашке Петри на специальной питательной сре-
де. Затем на стадии бластоцисты его подсаживают суррогатной матери,
и через определённое время на свет появляется новый организм, пред-
ставляющий собой клон организма — донора ядра (рис. 10-10). Такой спо-
Донор Замещение ядра
ооцита ооцита ядром
соматической клетки
Трансплантация
эмбриона
суррогатной
матери
Рис. 10-10. Схема эксперимента по переносу ядра соматической клетки
в безъядерный ооцит
Рождение
клона
245
соб клонирования называют переносом соматического ядра в безъядерный
ооцит.
Первыми клонированными животными были иглокожие и амфибии.
Они весьма удобны для эмбриологических работ, поскольку, во-первых,
производят огромное число яйцеклеток, во-вторых, эти яйцеклетки доста-
точно крупного размера, что облегчает манипуляции. И наконец, их эм-
брионы развиваются во внешней среде, т. е. в аквариуме исследователя.
С совершенствованием технического оснащения лабораторий и развити-
ем методик клонирования были успешно клонированы и млекопитающие:
овцы, мыши, кошки, собаки, коровы, верблюды и др. Всемирно известная
овечка Долли, появившаяся на свет в 1996 г. (с двести двадцать седьмой
попытки), была первым млекопитающим, клонированным из ядра специа-
лизированной клетки молочной железы.
Выделяют два типа клонирования: репродуктивное и терапевтиче-
ское.
В случае репродуктивного клонирования развитие эмбриона доводят до
рождения. По этическим соображениям репродуктивное клонирование чело-
века запрещено во всех странах.
Репродуктивное клонирование — привилегия братьев наших мень-
ших. Есть разные причины, заставляющие людей клонировать животных:
научный интерес, коммерческий интерес. Некоторые люди платили бас-
нословные деньги за клонирование своих умерших питомцев. В некоторых
случаях репродуктивное клонирование может заменить селекцию сель-
скохозяйственных животных.
Также с помощью клонирования можно сохранить виды животных,
находящиеся под угрозой исчезновения. Но наиболее впечатляющим при-
менением технологий клонирования может стать возрождение уже вымер-
ших видов животных. Правда, здесь есть одно трудновыполнимое условие.
Для успешного клонирования необходимо найти жизнеспособное клеточ-
ное ядро вымершего организма. В идеальном варианте образец клеток
должен быть взят у живого животного, заморожен специальным образом
и храниться в жидком азоте при температуре -198 °C. Так, например,
предусмотрительно поступили в испанском национальном заповеднике
с последней особью буркадо (подвид пиренейского горного козла). Сейчас
существуют специальные замороженные зоопарки (frozen zoo), в которых
хранят образцы клеток разных животных.
К сожалению, из тел подавляющего большинства вымерших живот-
ных невозможно извлечь подходящий ядерный материал: многие из них
вымерли так давно, что их ДНК в ядре распалась на мелкие кусочки. Это
произошло даже у мамонтов, которые хорошо сохраняются в условиях
многолетней мерзлоты, — годных для клонирования ядер в их телах пока
не нашли. Тем не менее учёные не оставляют попыток. Недавно совмест-
ной группе российских и японских учёных удалось выделить из мумии
246
мамонтёнка Юки структуры, похожие на ядра. Эти ядра были пересаже-
ны в ооцит мыши, и они даже приступили к делению, но... погибли, так
и не закончив его.
Очевидно одно: с помощью клонирования получить мамонта невоз-
можно. Но существует альтернативный способ, основанный не на клони-
ровании, а на редактировании генома. С помощью системы CRISPR-Cas9,
о которой вы читали в главе 12, учёные планируют заменить варианты
генов слона вариантами генов мамонта. Полученное животное не будет
клоном мамонта. Строго говоря, это будет отредактированный слон с гена-
ми мамонта, и ему дали специальное название — маммофант (от англ.
mammoth — мамонт и elephant — слон), или мамонтослон.
Сколько же генов слона нужно заменить? Учёные сравнили последо-
вательности генома слонов и мамонтов. Оказалось, что азиатский слон на
99,96% мамонт, — и это неудивительно, ведь их общая бабушка существо-
вала относительно недавно. И тем не менее у мамонта обнаружилось мно-
жество мутаций, отличающих его от азиатского слона. Эти мутации затра-
гивают более 1600 генов. Конечно, изменить все гены слона на мутантные
пока невозможно. Но можно выбрать только те из них, которые обеспечи-
вают развитие волосяного покрова, прослойку подкожного жира и улуч-
шают газообмен в условиях холода, — в общем, те гены, которые обеспе-
чивали адаптацию мамонтов к выживанию в суровых климатических ус-
ловиях. Исследователи выбрали 45 таких генов, отредактировали их в
клетках слона и сейчас изучают эти клетки в лаборатории (рис. 10-11).
жир
Морозостойкость
Зигота генетическое
редактирование
Искусственные
гены мамонта
МАМОНТОСЛОН
Искусственная
матка
Рис. 10-11. Схема получения мамонтослона
247
В дальнейшем планируется получение отредактированных эмбрионов, ко-
торых будут выращивать в искусственной матке — аналоге суррогатной
матери. (В матке самого слона это делать неэтично, так как слонов мало,
они не экспериментальные животные и непонятно, как перенесут подоб-
ные процедуры.) А пока учёные трудятся над воссозданием мамонтов,
в Якутии уже готовят подходящий для них дом — плейстоценовый парк
с экосистемой мамонтовых тундростепей.
Тем же способом учёные надеются вернуть к жизни сумчатого волка,
дронта (того самого Додо!), странствующего голубя, гигантскую птицу моа,
шерстистого носорога и др. Как видите, будущим генным инженерам и эм-
бриологам предстоит много работы!
Цель терапевтического клонирования заключается в получении стволо-
вых клеток человека, которые можно использовать как в научных, так и в ме-
дицинских целях. При терапевтическом клонировании развитие эмбриона пре-
рывают на стадии бластоцисты. Из неё можно изъять внутреннюю клеточную
массу и растить в лаборатории на специальной питательной среде. Клетки бу-
дут неограниченно делиться, а их уникальное свойство образовывать все тка-
ни и органы организма сохранится.
Далее в лабораторных условиях из стволовых клеток можно полу-
чить самые разные типы клеток — нейроны, клетки сердца, клетки пече-
ни. Полученные клетки могут быть использованы для трансплантации или
для тестирования лекарственных препаратов. Однако клонирование —
технологически очень сложный процесс {рис. 10-12), поэтому широкого
распространения этот метод не получил. Гораздо более перспективным
источником стволовых клеток являются перепрограммированные в эм-
бриональное состояние взрослые клетки, о которых упоминалось в гла-
ве 14.
Бластоциста
Нейрон
Рис. 10-12. Схема терапевтического клонирования
248
ПОДВОДЯ ИТОГИ. Перенос ядра соматической клетки в безъядерный
ооцит — технология клонирования, позволяющая получать генетически
идентичные организмы — клоны. С помощью клонирования учёные пы-
таются спасти виды животных, недавно вымерших или находящихся на
грани вымирания. А для того чтобы возродить давно вымерших живот-
ных, например мамонта, учёные пользуются другой технологией —
технологией редактирования генома, изменяя гены ныне живущих бли-
жайших родичей на варианты генов вымерших организмов.
1. Иногда клон отличается от своего оригинала и внешне. Например, так
произошло с первой в мире клонированной кошкой по имени Копирка.
У неё отсутствовали рыжие пятна, которые были у кошки — донора гене-
тического материала. Зная, что ген окраски расположен на Х-хромосоме,
предположите, почему так получилось.
2. Подумайте, можно ли воссоздать популяцию из одного клонированного
животного. С какими трудностями исследователи столкнутся?
3. Насколько научна идея клонирования динозавра из Юрского парка? Мож-
но ли воссоздать динозавров с помощью редактирования генома, и если
да, то геном представителя какого класса позвоночных животных лучше
всего подходит для этого?
4. Представьте, что у вас есть возможность клонировать/воссоздать с помо-
щью редактирования любой вид животного, уже вымершего или находя-
щегося на грани вымирания. Какое животное вы бы хотели воссоздать,
чем обусловлен ваш выбор? Подумайте, в какой ареал вы бы поместили
ваших животных. Как это может сказаться на сложившейся в этом ареале
экосистеме?
Глава 39
ТРИ ИСТОРИИ О ТОМ, КАК
ГЕНЕТИКА СПАСАЕТ ЖИЗНИ
На протяжении всей истории человечества нас сопровождали са-
мые разные заболевания. К счастью, некоторые из них мы победили. Ка-
кие-то — при помощи изобретения водопровода и канализации, в борьбе
с другими помогли холодильники и мытьё рук. Для лечения и профилак-
тики некоторых болезней мы открыли антибиотики и изобрели вакцины.
Но некоторые заболевания преследуют нас уже на протяжении ты-
сячелетий и не отступают. В борьбе с ними известные нам методы зача-
стую бессильны. Как вы уже догадались, речь идёт о генетических заболе-
ваниях.
249
К сожалению, подобных болезней очень много (можете заглянуть
в каталог https: //www.omim.org/, чтобы убедиться в этом). Но почему?
Потому, что генов у нас с вами очень много и каждый из них выполняет
какую-то важную функцию. Причиной генетического заболевания может
быть поломка (мутация) даже одного гена, поскольку мутантный белок не
будет выполнять свои прямые обязанности в организме.
В связи с этим главный рецепт победы над генетическим заболевани-
ем — доставка в организм (а если быть точнее, в геном клеток) рабочей
копии сломанного гена. Доставка гена-дублёра — это основной подход,
который в настоящий момент активно применяется для лечения некото-
рых генетических заболеваний. Однако существуют крайне интересные
исключения, и о них мы поговорим в этой главе. Но начать всё же стоит
с классики генной терапии.
История 1. Ребёнок-бабочка и новая кожа. За таким на первый
взгляд красивым названием скрывается редкое и очень тяжёлое генети-
ческое заболевание — буллёзный эпидермолиз, болезнь, при которой объя-
тия даже самого близкого человека могут принести страдания.
Причина этого заболевания — мутации в генах (их около 10), кото-
рые обеспечивают прикрепление верхних слоёв кожи (эпидермиса) к глу-
боким слоям (дерме). В результате таких мутаций сцепление слоёв полу-
чается непрочным, на коже образуются многочисленные пузыри, и при
малейшем прикосновении верхние слои попросту отпадают. На их месте
по всему телу остаются раны. До сих пор эффективных способов лечения
этого заболевания не существует.
С весьма сложным случаем столкнулись врачи немецкой клиники:
маленький пациент с буллёзным эпидермолизом, вызванным мутацией
в гене LAMB3, находился в крайне тяжёлом состоянии. Около 80 % по-
верхности его тела были поражены ранами, он не мог самостоятельно пе-
редвигаться, питаться, а купировать его боль удавалось только при помо-
щи морфия. Прогнозы были неутешительны. До этого ему пытались пере-
саживать искусственную кожу и кожу от его отца, но ничего не помогло.
Единственной оставшейся надеждой на спасение этого маленького
пациента была генная терапия: в геном клеток его кожи необходимо было
доставить рабочую копию гена LAMB3. Для этого врачи и исследователи
взяли небольшой кусочек его кожи, примерно 4 см2, разделили на отдель-
ные клетки и посадили их в чашку Петри на питательную среду. После
этого они поместили копию гена LAMB3 в специальные приручённые ви-
русы и доставили в клетки кожи. В итоге в каждой клетке, растущей
в чашке Петри, появилась нормальная копия гена.
Из таких оздоровлённых клеток учёные вырастили пласты кожи, ко-
торые затем трансплантировали этому пациенту (рис. 10-13). Новая
трансгенная кожа (его собственная, поскольку была получена из его же
клеток) прижилась. Она закрыла все раны и раз и навсегда остановила
страдания маленького мальчика, который впервые в жизни смог узнать,
как живёт обычный ребёнок: пошёл в школу, начал играть в футбол
с друзьями. Теперь он стал обычным ребёнком, которого можно обнять.
250
Рис. 10-13. Генная терапия буллёзного эпидермолиза
История 2. Мини-кишечник и Фабиан. Вдох и выдох. Для нас с вами
эти два действия настолько естественны, что мы даже не задумываемся,
когда и как их делать, — мы просто дышим. Когда нас застаёт врасплох
простуда, которая может перетечь в осложнения в виде бронхита или вос-
паления лёгких, трудности с дыханием становятся очевидны. Связано это
с тем, что бактерии и другие микроорганизмы поселяются в лёгких и на-
чинают там хозяйничать, доставляя нам кучу неудобств. Обычно воспале-
ние лёгких быстро излечивается при помощи антибиотиков, но людям
с муковисцидозом такие меры помочь не могут.
Причина постоянных бактериальных инфекций в лёгких больных
муковисцидозом — мутация в гене CFTR. Основная задача белка, который
он кодирует, — транспорт ионов хлора через мембрану клетки. Когда ра-
бота этого гена нарушается, на поверхности бронхов начинает скапли-
ваться слизь, которая закупоривает мелкие бронхиолы. Эта слизь, богатая
белками, при повышенной температуре тела служит благоприятной сре-
дой для роста патогенных бактерий. В этом случае, даже если удаётся вы-
лечить одну бактериальную инфекцию, ей на смену приходят другие, и
так по кругу. Со временем состояние пациентов ухудшается: лёгкие пере-
стают работать в полную меру, и зачастую людям с таким диагнозом тре-
буется трансплантация лёгких. Именно такой сценарий предполагал леча-
щий врач Фабиана, молодого парня из Нидерландов. Использованные ме-
251
тоды лечения не давали результатов, и в конечном итоге его лёгкие стали
работать примерно на 40 %.
За несколько лет до этого случая был разработан препарат для лече-
ния муковисцидоза(назовём его препарат А), который активирует работу
белка CFTR. Но получить препарат А Фабиан не мог, поскольку он помо-
гает только людям с определённым набором мутаций в гене CFTR, а у не-
го была редкая мутация. Поэтому никто не мог даже предположить, помо-
жет лекарство или нет (купить препарат, чтобы просто попробовать, тоже
невозможно, так как его цена превышает 100 тыс. долларов).
Тогда лечащий врач Фабиана обратился к своим коллегам из иссле-
довательской лаборатории, в которой изучали муковисцидоз. Для изуче-
ния данного заболевания они использовали в качестве модели весьма не-
обычные объекты — мини-кишечники. Такие мини-органы можно доста-
точно легко получить в каждой лаборатории: нужно взять маленький
кусочек кишечника человека (для этого разработана специальная про-
цедура), разделить этот кусочек на отдельные клетки и залить питатель-
ной средой в чашке Петри. Через несколько дней в этой чашке самопро-
извольно появляются небольшие шарики — мини-кишечники. И хоть
внешне они не очень похожи на обычный кишечник, но их клеточная ор-
ганизация и функции полностью соответствуют большому брату-кишеч-
нику.
Получить мини-лёгкие было гораздо сложнее. Но поскольку наблю-
дать эффект действия лекарства на работу гена CFTR можно и в кишечни-
ке, эксперимент удалось провести. Мини-кишечники Фабиана вылечились
спустя 10 мин (рис. 10-14). Только представьте, что может почувствовать
учёный, поняв, что на его глазах за считаные минуты меняется судьба че-
ловека с очень тяжёлым генетическим заболеванием!
Рис. 10-14. Проверка чувствительности Фабиана к лечению препаратом А
252
Благодаря усилиям исследователей и лечащего врача мутация Фа-
биана была включена в список мутаций, при которых эффективен препа-
рат А, и он получил лекарство, навсегда изменившее его жизнь.
История 3. Моторные нейроны и сплайсинг. Чем вы займётесь сегод-
ня после школы? Отправитесь на спортивную или танцевальную трени-
ровку? Или вас ждёт урок сольфеджио в музыкальной школе? А может
быть, вы будете штудировать английский или китайский язык? Или вы
побежите домой, чтобы дочитать последние страницы захватившей вас
книги либо пройти наконец-то заветный уровень в игре?
Всё это вы сможете сделать, спустившись по ступенькам школьной
лестницы, просто преодолевая ступеньку за ступенькой. Однако среди нас
есть люди, для которых лестница — это не просто ступеньки, а огромное
препятствие, которое невозможно преодолеть без помощи других людей.
Генетическое заболевание, которое приковывает человека к инва-
лидному креслу, называется спинальная мышечная атрофия (СМА). Это
прогрессирующее заболевание, т. е. его симптомы всё время нарастают.
Причина этой болезни — мутация в гене SMN1, который кодирует белок,
крайне важный для деятельности моторных (двигательных) нейронов че-
ловека. Если его нет, то такие нейроны просто погибают, и это приводит
к параличу.
Казалось бы, для лечения этой болезни человеку нужно ввести в мо-
торные нейроны нормальную копию гена SMN1. Однако учёные нашли
другое изящное и удивительное решение. Оказалось, что у нас в геноме
есть ген-дублёр SMN2. По своей структуре этот ген практически иденти-
чен SMN1, но из-за одной нуклеотидной замены в начале седьмого экзона
во время сплайсинга он вырезается из мРНК. В результате с такой укоро-
ченной мРНК производится белок, который короче обычного и не может
работать в полную силу в моторных нейронах.
Разработанный для лечения СМА препарат (назовём его препара-
том Б) представляет собой небольшие фрагменты ДНК (олигонуклеоти-
ды), которые комплементарны участку ДНК в гене SMN2, где происходит
«несанкционированный» сплайсинг. Такие олигонуклеотиды, по сути, фи-
зически защищают седьмой экзон от сплайсинга, в результате чего с ма-
тричной РНК производится нормальный белок (рис. 10-15).
Несколько последовательных уколов препарата Б помогают только
приостановить болезнь. Но и это важно сделать вовремя, поскольку порой
счёт идёт на дни. Только задумайтесь, небольшие кусочки ДНК помогают
сохранить жизнь.
Три истории и три заболевания. Зачастую кажется, что люди с таки-
ми диагнозами — это герои со страниц учебников и в реальной жизни их не
существует. Однако они живут среди нас, только вот вести полноценную
жизнь им бывает очень трудно. Но есть учёные-генетики, которые порой
делают невозможное, даже в самых отчаянных ситуациях. В этой главе вы
узнали, как достижения молекулярной генетики могут подарить надежду
на полноценную жизнь. Я искренне надеюсь, что у вас не осталось сомне-
ний в том, что генетика — это наука про каждого и для каждого из нас.
253
НОРМА
МУТАЦИЯ
ГЕННАЯ
ТЕРАПИЯ
ГЕН ГЕН
SMN1 SMN2
ГЕН ГЕН
SMN1 SMN2
ГЕН ГЕН
SMN1 SMN2
V
короткая
мРНК
т
►рмальная
мРНК
I
нормальный
белок
короткий
белок
нет
белка
I
короткая
мРНК
ЖУ
«р
короткий
белок
НОРМАЛЬНОЕ
РАЗВИТИЕ
СПИНАЛЬНАЯ
МЫШЕЧНАЯ
АТРОФИЯ
НОРМАЛЬНОЕ
РАЗВИТИЕ
Рис. 10-15. Схема генной терапии спинальной мышечной атрофии
ПОДВОДЯ ИТОГИ. 'енетические заболевания крайне трудно поддают-
ся лечению, зачастую лишают пациентов полноценной жизни и прино-
сят физические страдания. Разработка подходов для помощи таким
людям — одно из главных направлений современной биологии и меди-
цины. Рассказанные в этой главе истории служат подтверждением уди-
вительных успехов в данной области, достигнутых самыми разными
и специалистами: врачами, генетиками и др.
254
1. Какую опасность для организма может представлять введение в клетки
гена-дублёра?
2. Можно ли доставлять гены-дублёры в геном на каких-нибудь других носи-
телях, кроме вирусов?
АА Практикум
Работа 10-1. АНАЛИЗ СЕМЯН
Цель работы: научиться анализировать фенотипические особенности и всхо-
жесть семян, а также наследуемость признаков.
Материалы и оборудование: 4 прозрачных пакета шириной 80—100 мм, 4 пла-
стиковых фольгированных пакета под запайку, маркер чёрный несмываемый,
8 чистых листов формата А4, холодильник с морозильной камерой, зёрна ячме-
ня или полбы в количестве 160 шт. из расчёта: 120 плёнчатых, 40 голозёрных
(зёрна для учебного процесса можно бесплатно заказать, заполнив заявку на
сайте ВИР https://www.vir.nw.ru/podat-zayavku/), бесплатное мобильное прило-
жение SeedCounter (скачивается и устанавливается через Google Play), неглубо-
кая кружка или пиала с блюдцем, салфетка бумажная, чистая вода.
Перед занятием необходимо разложить семена по 40 шт. в четыре прозрачных
пакетика из расчёта, чтобы из 40 зёрен 30 ± 2 были плёнчатыми, а 10 ± 2 — го-
лозёрными.
Ход работы
Разделите участников на четыре группы так, чтобы в каждой группе был как ми-
нимум один владелец смартфона с предварительно установленной программой
SeedCounter. У каждого ученика должны быть тетрадь в клетку, ручка, карандаш
и линейка.
Задание 1. Наследование качественного признака
Разложите семена на чистый лист формата А4. По какому признаку различаются
семена? Разделите их на две группы, разложив на два отдельных листа. Посчи-
тайте число зёрен в каждой группе при помощи программы SeedCounter. Помня
о том, что перед вами семена гибридов второго поколения, сделайте вывод о ха-
рактере наследования признака.
Задание 2. Наследование количественного признака
Проверьте, какие признаки, кроме числа зёрен, определяет программа
SeedCounter. Постройте кривую распределения для одного из них. Сделайте вы-
вод о характере наследования признака.
255
Задание 3. Капсула времени
Зёрна, с которыми работала одна группа, нужно засыпать в пиалу, на дно кото-
рой уложена влажная бумажная салфетка, накрыть блюдцем, поставить в холо-
дильник, а через три дня слить лишнюю воду, снова накрыть и оставить при ком-
натной температуре ещё на четыре дня. На следующем занятии необходимо по-
считать процент проросших зёрен. Отдельно посчитайте процент проросших
зёрен среди плёнчатых и голозёрных.
Сухие зёрна, с которыми работали ещё три группы, засыпьте в три фольгиро-
ванных пакета. На пакетах маркером укажите общее число зёрен, а также чис-
ло плёнчатых и число голозёрных, и возле каждой группы отметьте процент
проросших в контроле. Также на каждом пакете укажите дату закладки семян,
класс, фамилию учителя, дату вскрытия (ровно через 10 лет), условия хране-
ния:
1) в морозильной камере, 1 пакет;
2) в холодильнике, 1 пакет;
3) в шкафу при комнатной температуре, 1 пакет.
Поместите каждый фольгированный пакет в соответствующие условия, плотно
закрыв его и постаравшись максимально удалить из него воздух при закрытии.
При возможности (наличие под рукой утюга, выпрямителя для волос) запаяйте
край пакета. Напишите задание ученикам, которые через 10 лет вскроют пакеты
с зёрнами, и вложите его в конверт. Предположите, какой ответ они могут полу-
чить.
Попросите ваших преемников проверить всхожесть, как это сделали вы с кон-
трольной выборкой, и сравнить сохранение всхожести после хранения в разных
условиях. Пусть они отдельно проверят, есть ли различия между сохранением
всхожести у плёнчатых и голозёрных семян.
Работа 10-2. ОБРАЗОВАНИЕ СИМБИОТИЧЕСКИХ КЛУБЕНЬКОВ
НА КОРНЯХ ГОРОХА
Атмосфера Земли содержит колоссальное количество азота — 79,2%, однако он
недоступен для растений, которые используют не атмосферный азот, а тот, кото-
рый содержится в почве. Процессы естественной фиксации атмосферного азота
клубеньковыми бактериями, а также некоторыми свободноживущими микроор-
ганизмами позволяют растениям получать достаточное количество растворимо-
го азота. Растения же, в свою очередь, поставляют бактериям продукты углевод-
ного обмена и минеральные соли, необходимые им для роста и развития. Таким
образом, бобовые растения и клубеньковые бактерии находятся в состоянии
симбиоза.
Цель работы: проследить процесс образования симбиотических клубеньков на
корнях гороха или других бобовых растений.
Материалы и оборудование: чашка Петри, марля, семена бобовых, вода, почва,
ёмкости для посадки, совок, лезвие канцелярского ножа для приготовления
среза, предметное стекло, раствор фуксина или метиленового синего, микро-
скоп.
256
Ход работы
1. В чашку Петри положите сложенную в несколько раз лЛарлю и залейте её во-
дой. Уложите на марлю семена и прикройте чашку крышкой. Проклюнувшие-
ся семена посадите в грунт и полейте.
2. Через каждые два дня после появления проростков извлекайте по одному
растению, освобождайте корни от частиц почвы, промывая их водой.
3. Внимательно осматривайте корни растений и фиксируйте все изменения,
происходящие в процессе выращивания гороха (длина корня, число боковых
корней, наличие вздутий (клубеньков) и их число).
4. Сделайте срез клубенька острой ботанической бритвой. Место разреза
многократно проткните препаровальной иглой для разрушения клеток клу-
бенька.
5 Из разрушенного клубенька отожмите капельку жидкости на предметное стек-
ло, разбавьте её каплей стерильной воды и разотрите по стеклу.
6. Мазок подсушите, зафиксируйте на пламени, окрасьте фуксином или метиле-
новым синим и исследуйте под микроскопом.
7. Сделайте выводы о скорости формирования клубеньков, а также о наличии
в клубеньках бактерий.
Работа 10-3. НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОБАКОЙ (ДОМА)
И ВОЛКОМ (В ЗООПАРКЕ)
Материалы и оборудование: секундомер, блокнот, ручка.
Ход работы
1. Схематично изобразите комнату (клетку), отметив себя.
2. Наблюдайте за перемещениями животного с секундомером в течение 5 мин.
Нарисуйте траекторию перемещений и отметьте время нахождения животного
в той или иной точке, а затем сравните траектории. Суммируйте время нахож-
дения собаки и волка в ближайшей от себя и в самой удалённой точке, а затем
сравните результаты суммирования.
3. Наблюдайте за движениями ушей волка и собаки в течение 2—3 мин. Сум-
мируйте время, в течение которого уши у собаки и волка были подняты торч-
ком/опущены (или чуть приспущены), а затем сравните результаты суммиро-
вания.
4. Наблюдайте за движениями хвоста собаки и волка в течение 2 мин. Подсчи-
тайте, сколько раз махнула хвостом собака и сколько — волк.
5. Определите, есть ли у вас зрительный контакт с собакой или волком, сколько
раз он был и сколько минут продолжался.
6. Опишите, как различается форма лап, а также форма и размер зубов у соба-
ки и волка.
257
Что читать
1. Джаред Даймонд. «Ружья, микробы и сталь. История человеческих сооб-
ществ»
Кларк Дэвид. «Микробы, гены и цивилизация»
Две книги с похожим сюжетом, но разными примерами. По сути, в них
рассказывается о том, как факторы окружающей среды влияли на формиро-
вание и расселение человеческих цивилизаций. Вы взглянете на историю ци-
вилизации с новой точки зрения.
2. Дугаткин Ли, Трут Людмила. «Как приручить лису (и превратить в собаку):
Сибирский эволюционный эксперимент»
Книга увлекательно повествует о беспрецедентном эксперименте, который
вот уже 60 лет проводится в Институте цитологии и генетике в Новосибир-
ске, — доместикации лисиц. Это удивительное достижение перевернуло наши
представления о доместикации, эволюции и самих себе. Ценности книге до-
бавляет то, что один из авторов, Людмила Трут, вместе с академиком Д. К. Бе-
ляевым стояла у истоков уникального эксперимента и продолжает его по на-
стоящее время.
3. Шапиро Бет. «Наука воскрешения видов. Как клонировать мамонта»
Увлекательная книга об очень коротком прошлом и фантастическом будущем
клонирования животных.
258
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
О том, над чем работают учёные ведущих
генетических центров нашей страны, вам рас-
скажут Елена Хлёсткина и Антон Нижников.
Антон Нижников — кандидат биологиче-
ских наук, доцент кафедры генетики и биотех-
нологии Санкт-Петербургского государствен-
ного университета, заведующий лабораторией
протеомики надорганизменных систем Все-
российского научно-исследовательского ин-
ститута сельскохозяйственной микробиоло-
гии, учёный секретарь Вавиловского общества
генетиков и селекционеров, объединяющего
около 3000 российских специалистов в обла-
сти генетики и селекции.
АНТОН
НИЖНИКОВ
ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В ГЕНЕТИКУ!
Все авторы этой книги поделились с вами историями о своей работе,
связанной с генетикой. Но все мы работаем не поодиночке. Дружные
команды лабораторий, научных институтов, исследовательских центров
и даже консорциумов (крупных объединений сразу нескольких ведущих
институтов и вузов) сегодня консолидируют усилия, чтобы решать боль-
шие задачи в разных областях фундаментальной науки и промышленно-
сти — там, где не обойтись без генетики и геномики, без генетических тех-
нологий. Мы расскажем вам о том, над чем работают учёные ведущих ге-
нетических центров нашей страны. Список некоторых из этих центров
и их адресов в Интернете вы найдёте в конце заключения и на сайте на-
шей книги: http://sites.icgbio.ru/tutorial/
Генетика и геномика для сельского хозяйства и охраны природы.
Исследования генетики растений невозможны без информации о последо-
вательностях геномов. В 2018 г. всему миру был представлен геном пшени-
цы. В этом международном исследовании участвовали Институт цитоло-
гии и генетики СО РАН и Федеральный центр «Фундаментальные основы
биотехнологии». Важно знать не только то, какими генами различаются
разные сорта, но и как организуется работа генов в процессе развития
растений (онтогенеза). По направлению генетики развития растений ис-
следования ведутся в первую очередь в СПбГУ и МГУ. Работы по редак-
тированию ячменя и других сельскохозяйственных культур проводятся
в Институте цитологии и генетики, Курчатовском геномном центре, Уни-
верситете «Сириус», ВИРе и СПбГУ.
259
Порой открытие одного гена может внести колоссальный вклад в эко-
номику или решить крупную хозяйственную проблему. К примеру, от-
крытие и использование в селекции гена короткостебельности ржи реши-
ло проблему полегания ржи и потери урожая. Сегодня генетики Всерос-
сийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова
(ВИР) вместе с институтами-партнёрами охотятся за подобными генами.
Поиск ведётся в огромной Вавиловской коллекции с использованием мето-
дов молекулярной генетики и геномики.
Генетикой сельскохозяйственных животных занимаются в Институ-
те общей генетики, ВИЖе, МГУ и Тимирязевской академии в Москве;
в СПбГУ и Всероссийском институте генетики и разведения животных
в Санкт-Петербурге; в Институте цитологии и генетики в Новосибирске.
Цель этих исследований — разработать подходы для создания новых по-
род животных с улучшенными свойствами.
Главная задача современного земледелия — максимально умень-
шить ущерб, наносимый окружающей среде. Химические средства защи-
ты растений можно заменить полезными бактериями, которые живут в
почве и безопасны для человека. Они помогают растениям эффективнее
питаться, выдерживать неблагоприятные климатические условия и защи-
щаться от болезней. Есть бактерии, которые могут поражать определён-
ных насекомых-вредителей. Генетикой этих полезных сельскохозяйствен-
ных микроорганизмов занимается Институт сельскохозяйственной микро-
биологии в Санкт-Петербурге.
Полезные свойства некоторых бактерий, их способность продуциро-
вать целевые белки и перерабатывать ненужные субстраты или отходы
производства используют в Федеральном центре «Фундаментальные ос-
новы биотехнологии» и Институте генетики и селекции промышленных
микроорганизмов для создания микроорганизмов с заданными свойствами.
Большой интерес представляет создание бактериальных технологий пере-
работки метана в кормовой белок, который затем может быть использован
для нужд сельского хозяйства.
Агрегирующие белки (прионы и амилоиды), связанные с развитием
ряда болезней, но необходимые бактериям, археям и эукариотам для вы-
полнения многих жизненно важных функций, изучают в СПбГУ, Всерос-
сийском институте сельскохозяйственной микробиологии и филиале Ин-
ститута общей генетики в Санкт-Петербурге.
Уникальное биологическое разнообразие нашей огромной страны изу-
чают при помощи современных методов популяционной генетики, геномики
и молекулярной биологии во многих научно-исследовательских организа-
циях. Федеральный центр биоразнообразия ДВО РАН занимается изучени-
ем наземных и водных экосистем Дальнего Востока и Азии, а Националь-
ный научный центр морской биологии имени А. В. Жирмунского исследует
биоразнообразие обитателей морей. Институт биологии ИГУ уже много лет
изучает биоразнообразие уникального озера Байкал.
260
Медицинская генетика и геномика. Поиск в геноме человека алле-
лей, ассоциированных с заболеваниями, ведётся во многих генетических
исследовательских центрах России. В Институте общей генетики и МГУ
анализируют генетические основы болезни Альцгеймера, поражающей
каждого третьего человека после 85 лет. Генетики выявили несколько но-
вых генов, участвующих в развитии этой болезни. Это может помочь в
создании лекарств против неё. Проект СПбГУ «Российские геномы» поста-
вил целью получить последовательности не менее 3000 геномов мужчин
и женщин из разных регионов России. Его выполнение позволит обнару-
жить гены и конкретные аллели, отвечающие за развитие болезней.
Геногеографическими исследованиями занимаются Медико-генети-
ческий научный центр и Институт общей генетики в Москве, Институт
медицинской генетики Томского научно-исследовательского медицинского
центра, Институт биохимии и генетики Уфимского центра РАН в содру-
жестве с генетиками многих регионов России. В этих работах были рекон-
струированы пути расселения народов России начиная с бронзового века,
выявлены аллели предрасположенности к определённым заболеваниям,
присущие конкретным этносам.
Учёные создают модели наследственных болезней человека с ис-
пользованием трансгенных животных и культур клеток человека. В Ин-
ституте цитологии и генетики выведены линии мышей, в геном которых
внесены изменения, приводящие к нарушению деятельности мозга. Экс-
перименты на мышах со специально изменённым геномом, проведённые
в СПбГУ, позволили глубже понять причины и механизмы возникновения
такой болезни, как шизофрения. В Медико-генетическом научном центре
научились получать клеточные культуры больных муковисцидозом и ис-
правлять их мутации путём редактирования генома. Такие вылеченные от
муковисцидоза клеточные линии в перспективе можно будет возвращать
в организм, что позволит решить проблему лечения этой болезни.
Учёные из Института химической биологии и фундаментальной ме-
дицины в Новосибирске установили, что активность систем репарации по-
вреждений ДНК у африканского грызуна голого землекопа гораздо выше,
чем у остальных животных, что объясняет его долгожительство и низкую
восприимчивость к раковым заболеваниям.
Генетикой вирусов и бактерий занимаются многие научные центры.
Например, московский центр им. Гамалеи и новосибирский центр «Век-
тор» создают вакцины против вирусных заболеваний на основе данных
о молекулярных механизмах их действия. В Центре физико-химической
медицины в Москве изучают связь микробиома кишечника человека
с различными заболеваниями. При многих заболеваниях состав микробио-
ма изменяется и может служить как маркером болезнетворного состоя-
ния, так и мишенью для лечения. Создание микробиомов с заданным со-
ставом и свойствами — один из путей развития персонализированной ме-
дицины будущего.
261
Огромные массивы компьютерных данных, с которыми приходится
работать современному биологу, анализируют с помощью методов биоин-
форматики. Крупнейшие биоинформатические школы в нашей стране
сформировались в Новосибирске (Институт цитологии и генетики),
Санкт-Петербурге (СПбГУ), Москве (Институт проблем передачи инфор-
мации, МГУ).
В связи с тем, что биологические процессы в живых клетках не про-
текают по отдельности, а интегрированы в единую систему, управляемую
сложными генными сетями, недавно появилась новая дисциплина —
системная биология. Этим направлением занимаются в Институте ци-
тологии и генетики в Новосибирске, Политехническом университете
в Санкт-Петербурге, Институте проблем передачи информации в Москве.
........> НЕКОТОРЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ НАШЕЙ СТРАНЫ
• Федеральный исследовательский центр «Всероссийский институт генетических
ресурсов растений им. Н. И. Вавилова» (ВИР), Санкт-Петербург.
• Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ), Санкт-Петербург.
• Институт общей генетики имени Н. И. Вавилова Российской академии наук
(ИОГен РАН), Москва.
• Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехно-
логии» Российской академии наук, Москва.
• Федеральный исследовательский центр «Институт цитологии и генетики Сибир-
ского отделения Российской академии наук» (ИЦиГ СО РАН), Новосибирск.
• Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова (МГУ), Мо-
сква.
• Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной био-
технологии (ВНИИСБ), Москва.
• Институт биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и
Ю. А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН), Москва.
• Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской акаде-
мии наук, Уфа.
• Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской
академии наук, Саратов.
• Научно-технологический университет «Сириус», Сочи.
• «Курчатовский геномный центр» — консорциум во главе с НИЦ «Курчатовский
институт».
• Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения жи-
вотных (ВНИИГРЖ) (филиал Федерального научного центра животноводства —
ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста), Санкт-Петербург.
• Федеральный научный центр животноводства — ВИЖ имени академика
Л. К. Эрнста, Москва.
• Российский государственный аграрный университет Московская сельскохозяй-
ственная академия имени К. А. Тимирязева (РГАУ—МСХА), Москва.
262
• Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной ми-
кробиологии (ФГБНУ ВНИИСХМ), Санкт-Петербург.
• Институт цитологии Российской академии наук (ИНЦ РАН), Санкт-Петербург.
• Медико-генетический научный центр имени академика Н. П. Бочкова
(МГНЦ), Москва.
• Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской ака-
демии наук (Томский НИМЦ), Томск.
• Институт молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта Российской акаде-
мии наук (ИМГ РАН), Москва.
• Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отде-
ления Российской академии наук (ИХБФМ СО РАН), Новосибирск.
• Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва.
• Институт биологии гена Российской академии наук (ИБГ РАН), Москва.
• Институт проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН (ИППИ
РАН), Москва.
• Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ),
Санкт-Петербург.
• Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной
Азии ДВО РАН, Владивосток.
• Национальный научный центр морской биологии имени А. В. Жирмунского,
Владивосток.
• Иркутский государственный университет (ИГУ), Иркутск.
• Государственное учреждение Научно-исследовательский институт эпидемиоло-
гии и микробиологии имени почётного академика Н. Ф. Гамалеи Российской
академии наук, Москва.
• Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» Феде-
ральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека, Новосибирск.
• Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Феде-
рального медико-биологического агентства, Москва. <
Таблицу с интернет-адресами генетических центров нашей страны вы можете
найти по адресу: https://sites.icgbio.ru/tutorial/
263
ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ
Модуль 4
Задача «Организм из зиготы». 1013 за 44 дня.
Модуль 5
Задача «Окраска кракозябров». Характер наследования: полное до-
минирование, голубой доминирует. В первой паре — кракозябр гетерози-
гота (Аа), во второй паре кракозябр гомозиготен по доминантному аллелю
(А А), кракозябрихи — гомозиготы по рецессивному аллелю (аа).
Задача «Огнедышащий дракон». 1) Для огнедышащего дракона в ге-
нотипе должны присутствовать доминантные аллели А, В, Е, F и не долж-
но быть доминантного аллеля D. Например: AaBbddEeFf 2) Вероятность
0,75 • 0,75 • 0,25 • 0,75 • 0,75 = 0,079 (примерно 8%).
Задача 1. Чёрная окраска — рецессивный признак. Кот аа, кошки АА.
Задача 2. Вывезти гетерозигот и скрестить их.
Задача 3. Отец имеет нормальную окраску, но гетерозиготен по алле-
лю сиамской окраски.
Задача 4. Родители — гетерозиготы по аллелю бесхвостости; гомози-
готы по аллелю бесхвостости погибают; половина хвостатых и половина
бесхвостых котят; более многочисленным будет второй помёт, так как
в нем никто из эмбрионов не погибает.
Задача 5. Серый и короткошёрстный (гетерозигота).
Задача 6. 1) Скрестить сиамскую короткошёрстную кошку ccLLww
с белым длинношёрстным CCUWw котом. 2) Все потомки первого поко-
ления будет короткошёрстными, половина будут белыми, половина — не
белыми (либо чёрными, либо серыми, либо рыжими, либо черепаховыми).
3) Не белых потомков первого поколения CcLlww скрестить друг с другом.
1/16 потомков второго поколения будут длинношёрстными сиамскими.
Модуль 6
Задача «Гетерозиготность». Задание 1. Максимальное значение ча-
стоты гетерозигот наблюдается при q = 0,5.
Задание 2. Частота встречаемости гетерозигот Н = 2pq, при равной
частоте аллелей р = q — 0,5, соответственно, Н = 2pq = 0,5. Вероятность
того, что особь гетерозиготна по двум локусам, будет равна произведению
вероятностей Нх • Н2 = 0,5 • 0,5 = 0,52 = 0,25. Вероятность гетерозиготности
по п локусам одновременно будет равна 0,5”.
Модуль 7
Задача 1. 2,5' кг.
Задача 2. Рост Ани 172 см, рост Юры 184 см.
Задача 3. Ожидаемый рост Юрия Александровича 178,7 см.
264
Задача 4. Ожидаемый рост Анны Александровны 165,9 см.
Практическое задание «Расчёт коэффициента наследуемости при-
знака». КМБ = 24/30 = 0,8 (80%), КДБ = 12/60 = 0,2 (20%), Н = (КМБ -
- КДБ)/(100 - КДБ) = (80 - 20)/(100 - 20) = 60/80 = 0,75 (75%).
Модуль 9
Практическое задание «Определение дистанции между таксонами»
Задание 1. А и В = 8%, С и D = 1%, С и Е = 12,5%, А и Е = 16,5%,
В и F = 29%, Е и G = 34%.
Задание 2. А и В = 8% попарной дивергенции произойдёт за 2 млн
лет. Си Е = 12,5% попарной дивергенции произойдёт за 3,125 млн лет. Для
группы ABCDE — 16,5% попарной дивергенции произойдёт за 4,125 млн
лет. Для общего предка всех представленных таксонов (ABCDEF) = 34%
попарной дивергенции произойдёт за 8,5 млн лет.
265
предметный указатель
Активатор 36
Активный центр фермента 15
Аллель 93
Анафаза 107
Антикодон 17
Археи 29
Бесполое размножение 116
Биваленты 110
Биуретовая реакция 25
Близнецовый метод 169
Веретено деления 106
Вирион 47
Гаметы 110
Гаплотип 113
Гемоглобин 99
Генбанки 241
Генетика 4
Генетическая дактилоскопия 201
Генетическая криминалистика 201
Генетически модифицированные организмы (ГМО) 80
Генетические маркеры 201
Генетический код 15
Генная инженерия 72
Геном 4
Геномное редактирование 83
Генотипирование 165
Гены домашнего хозяйства 30, 99
Гетерогаметный пол 132
Гетерозиготы 93
Гетерозис 239
Гистоны 42
Гоминиды 212
Гомогаметный пол 132
Гомозиготы 94
Гомологичные хромосомы 110
Горизонтальный перенос генов 31, 51
Делеции 21
Денисовский человек 220
Дивергенция 191
Дигибридное скрещивание 128
Диплоиды 35
ДНК 10
ДНК-лигаза 73
ДНК-полимераза 59
266
Доместикация 198, 234
Дрейф генов 145
Естественный отбор 150
Законы Менделя
— второй (расщепления) 127
— первый (единообразия гибридов первого поколения) 125
— третий (независимого наследования) 130
Затравка 59
Зигота 132
Инактивация Х-хромосомы 133
Инсерция 21
Инсулин 99
Интерфаза 107
Интрон 36
Кариотип 36
Катализатор 15
Качественные реакции 25
Клада 190
Клеточный цикл 104
Клонирование 245
— репродуктивное 246
— терапевтическое 248
Когезины 104
Конвергенция (конвергентная эволюция) 192
Консервативность 187
Конъюгация 31
Короткие тандемные повторы (577?) 201
Коэффициент наследуемости 160
Кроссинговер (перекрёст хромосом) 113
Ксантопротеиновая реакция 25
Локус 167
Массовый отбор 237
Межхромосомный мостик 112
Мейоз 110
Метаболом 231
Метафаза 107
Метод
— молекулярного баркодирования 209
— молекулярных часов 183
— секвенирования в нанопорах 69
Микротрубочки 106
Митоз 103
Митохондриальная Ева 217
Молекулярная филогенетика 189
Моногибридное скрещивание 128
Мутации 20
267
Неандертальцы 219
Неклеточная форма жизни 47
Нуклеосомы 42
Нуклеотид 10
Нуклеотиды-терминаторы 64
Облигатные паразиты 48
Обратная генетика 230
Однонуклеотидные замены (однонуклеотидные полиморфизмы,
ОНП) 20, 165
Омиксные исследования 230
Онколитические вирусы 51
Оперон 30
Ортологичные последовательности 183
Ответ на отбор 161
Палеогенетика 195
Палеонтология 184
Пандемии 50
Плазмиды 31, 72
Плейотропия 95
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) 59
Полимеры 10
Полипептид 14
Полногеномный анализ ассоциаций 165
Половое размножение 116
Половые хромосомы 132
Популяционная генетика 139
Популяция 139
— идеальная (равновесная) 144
Порода 239
Признаки
— доминантные 94
— количественные 159
— простые 80
— рецессивные 94
— сложные 98
Принцип
— комплементарности 11
— триангуляции 190
Прокариоты 29
Промотор 30
Протеом 231
Профаза 107
Процессинг 43
Расщепление 127
Рекомбинация 117
Репарация 22
Репликация 11
Репрессор 36
Рестриктазы 73
268
Рибосома 15
РНК 10
— матричные (мРНК) 12
— микроРНК 36, 44, 45
— рибосомные (рРНК) 36
— транспортные (тРНК) 36
Сдвиг рамки считывания 21
Секвенирование 63
Секвенограмма 64
Селекционный дифференциал 160
Селекция 237
— гибридная 239
— комбинационная 239
Системная биология 262
Сорт 239
Сплайсинг 44
Структура молекулы белка 14
Субстрат 15
Схема скрещивания 124
Сцепленное наследование 130
Телофаза 107
Тельце Барра 134
Терминатор 30
Тканеспецифичные гены 99
Трансгенные организмы 72
Транскриптом 37, 231
Транскрипционные факторы 41
Транскрипция 12
Трансляция 17
Транспозоны 37
Триплет(кодон) 15
Уравнение Харди—Вайнберга 143
Феномика 232
Ферменты 15
Филогенетическая сеть 194
Филогенетическое дерево 189
Хроматиды 35, 106
Хромосомы 29
Центромера 106
Эволюция 153
Экзон 36
Эпигенетика 172
Эпистаз 96
Эубактерии 29
Эукариоты 29
Эффект бутылочного горлышка 147
Эффект основателя 145
269
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................... 3
Модуль 1. Из чего сделаны гены.............................. 9
Глава 1. Молекулы жизни ................................ 9
Глава 2. Белки и генетический код ..................... 14
Глава 3. Ошибки в ДНК — мутации ....................... 20
Практикум.............................................. 25
Модуль 2. Устройство и работа генов ....................... 28
Глава 4. Мир прокариот................................. 28
Глава 5. Устройство генов у эукариот................... 34
Глава 6. Управление генами у эукариот ................. 41
Глава 7. Вирусы — геномные хулиганы ................... 47
Практикум.............................................. 52
Модуль 3. Методы молекулярной генетики .................... 58
Глава 8. Размножение ДНК в пробирке:
полимеразная цепная реакция............................ 58
Глава 9. Расшифровка ДНК: секвенирование .............. 63
Глава 10. Кройка и шитьё ДНК: генная инженерия......... 72
Глава 11. Конструирование организмов:
трансгенные животные .................................. 76
Глава 12. Редактирование генов......................... 81
Практикум.............................................. 86
Модуль 4. От генов к признакам ............................ 92
Глава 13. От гена к признаку: как раскрасить кота...... 92
Глава 14. Гены строят организм......................... 98
Глава 15. Хромосомные танцы в клетках тела: митоз......103
Глава 16. Хромосомные танцы в половых клетках: мейоз...110
Глава 17. Зачем нужна рекомбинация......................116
Практикум...............................................120
Модуль 5. Законы Менделя ...................................123
Глава 18. Законы Менделя: один ген — один признак .....123
Глава 19. Законы Менделя: несколько генов —
несколько признаков....................................128
Глава 20. Определение пола.............................132
Практикум..............................................136
Модуль 6. Гены в популяциях: как увидеть эволюцию..........139
Глава 21. Гены в популяциях: великое равновесие .......139
Глава 22. Популяции меняются: численность,
миграция и выбор супруга ..............................145
Глава 23. Популяции меняются: естественный отбор ......150
Практикум..............................................153
270
Модуль 7. Генетика количественных признаков.................159
Глава 24. Наследование количественных признаков........159
Глава 25. Поиск генов количественных признаков.........165
Глава 26. От поведения к генам.........................168
Глава 27. От генов к поведению.........................173
Практикум..............................................179
Модуль 8. Генетика открывает исторические тайны ............182
Глава 28. ДНК как хронометр эволюции ..................182
Глава 29. Кто от кого произошёл: филогенетические деревья ... 189
Глава 30. Генетика на археологических раскопках........195
Глава 31. Генетическая криминалистика..................200
Практикум..............................................207
Модуль 9. Генетическая история человечества.................212
Глава 32. Предыстория возникновения человека ..........212
Глава 33. Неандертальцы, денисовцы и другие люди.......216
Глава 34. Великое переселение народов .................221
Практикум..............................................225
Модуль 10. Геномные технологии..............................228
Глава 35. «Омы» над геномом............................228
Глава 36. Доместикация и центры генетического
разнообразия...........................................234
Глава 37. Сохранить и изучить гены, чтобы менять будущее.240
Глава 38. Воскрешение мамонтов и клонирование
организмов.............................................245
Глава 39. Три истории о том, как генетика спасает жизни...............249
Практикум..............................................255
Заключение..................................................259
Ответы на задачи............................................264
Предметный указатель........................................266
271
н:
Учебное издание
Серия «Молодые учёные — школе»
Аульченко Юрий Сергеевич
Баттулин Нариман Рашитович
Бородин Павел Михайлович и др.
Естественно-научные предметы
Практическая молекулярная генетика для начинающих
8—9 классы
Учебное пособие
Центр биологии и естествознания
Ответственный за выпуск Е. П. Балакирева
Редакторы А. В. Евсеев, Л. Н. Кузнецова
Художественный редактор Л. А. Овчарова
Художник О. В. Посух
Внешнее оформление и макет Л. А. Овчаровой
Компьютерная вёрстка Т. М. Дородных
Технический редактор И. В. Грибкова
Корректоры Р. В. Низяева, Е. В. Плеханова
Подписано в печать 21.02.2022. Формат 70 х 100/16. Гарнитура Journal.
Уч.-изд. л. 19,59. Усл. печ. л. 22,1. Тираж 500 экз.
Заказ № 54236ВКС.
Акционерное общество «Издательство «Просвещение».
Российская Федерация, 127473, г. Москва, ул. Краснопролетарская, д. 16,
стр. 3, этаж 4, помещение I.
Адрес электронной почты «Горячей линии» — vopros@prosv.ru.
Отпечатано в ООО «Принт» 607061, Нижегородская обл., г.
Выкса, ул. Вавилина, д. 10. Тел.:8(83177)6-10-24