Генетика

Генетика - одна из фундаментальных биологических наук, изучающая явления наследственности и изменчивости на всех уровнях организации жизни: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Исследования по генетике проводятся на всех биологических объектах и охватывают любые жизненно-важные процессы (биохимические, физиологические и др.). Основными задачами генетики являются:

1. выяснение материальной структуры, хранящей генетическую информацию, способы ее константного воспроизведения и реализации в признаки и
2. выяснение механизмов возникновения наследственной изменчивости.

↑Основные области исследований, задачи и методы

Генетика использует множество методов исследования : морфологический, физиологический, биохимический, цитологический, физико-химический, математический и др., но основным, принципиально отличающимся от других, является метод генетического (гибридологического) анализа. Интегрирующая роль генетики заключается в том, что она исследует универсальные свойства на всех уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном и на всех таксономических группах организмов, включая и человека.

В зависимости от целей и решаемых задач генетика, как наука, подразделяется на: общую и частную.

Общая генетика изучает фундаментальные закономерности наследственности и изменчивости на модельных объектах, которые различаются разрешающей способностью генетического анализа (горох посевной, дрозофила, кишечная палочка. вирусы, фаги, дрожжи, крестоцветное растение - арабидопсис, шпорцевая лягушка, нематода). Модельные объекты должны отвечать следующим требованиям:

1. относительно короткий цикл развития,
2. высокая плодовитость и
3. относительно дешевая стоимость разведения.

Общая генетика исследует структуру и функции отдельных генов и их совокупности (геномов), закономерности возникновения спонтанных и индуцированных мутаций, взаимодействие генов друг с другом и с факторами среды при формировании признаков и др. Частная генетика занимается приложением общих закономерностей к конкретному биологическому виду, с учетом особенностей биологии воспроизведения, основного типа производственной направленности (молочная, яичная, шерстная продуктивности, урожайность, биотехнологическая направленность и др.).

↑История генетики

Основоположником научной генетики является Г. Мендель, который в 1865 году опубликовал работу “Опыты над растительными гибридами“. Он разработал и обосновал метод гибридологического анализа, принципиальные положения которого используются генетиками до сих пор. Он сформулировал и обосновал идею о существовании дискретных наследственных факторов, ввел понятие об альтернативных наследственных факторах и признаках ( принцип аллелизма). Доказал, что наследственные факторы ( гены), объединяясь в зиготе, не смешиваются и не сливаются ( позже это явление стало называться законом чистоты гамет). В опытах по скрещиванию самоопыляющихся растений гороха посевного, отличающихся по альтернативным признакам (окраска семян: желтая - зеленая, форма семян: гладкая - морщинистая и др.) Г. Мендель наблюдал:

1. доминирование одного из признаков у гибридов F1;
2. расщепление у потомков F2 по изучаемому признаку в соотношении 3 : 1;
3. и в дигибридном скрещивании - независимое наследование и комбинирование двух или более признаков.

Логические схемы объяснения результатов расщепления, основанные на сочетании в зиготе идентичных факторов (гомозиготы) и разных (гетерозиготы), введение в анализ парных буквенных символов для обозначения факторов и признаков, точный количественный учет потомков с разным проявлением признаков позволили Г. Менделю предвосхитить механизм деления клеток ( митоз и мейоз).

Датой рождения генетики является 1900 год, когда три ученых (Г. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак) независимо друг от друга переоткрыли закономерности, выявленные Менделем. Они фактически открыли миру Г. Менделя и началось бурное развитие генетики как науки. Название «генетика» ввел В. Бетсон в 1906г.

Рис. Дискретность наследственности

Развитие генетики в Советском Союзе было сосредоточено в Москве ( Институт экспериментальной биологии под руководством Н.К. Кольцова и Московском университете) и Петрограде(Ленинграде) в институте растениеводства под руководством Н.И. Вавилова и Университете, где была создана первая кафедра генетики Ю.А. Филипченко. Научные достижения и авторитет отечественных ученых Н.И. Вавилова, Н.К. Кольцова, С.С. Четверикова, Г.Д. Карпеченко, А.С. Серебровского были настолько высоки, что шла подготовка к проведению VII Международного генетического конгресса в 1938 г. в Москве. Однако, этим планам не суждено было сбыться из-за нападок на генетику со стороны политизированных ученых – биологов и философов. Речь в первую очередь идет о приверженцах так называемого «творческого дарвинизма» под руководством Т.Д. Лысенко, которые вели агрессивную борьбу с «менделизмом-морганизмом», а на самом деле, против «классической генетики», наклеивая на генетику ярлыки «идеализма», «механицизма». «буржуазной лженауки». Эти дискуссии 30 –х годов оказались предвестниками репрессий, которые привели к разгрому отечественных генетических научных школ. Августовская сессия ВАСХНИЛ 1948 года на шестнадцать лет прервала развитие генетики и ее преподавание в нашей стране. Из Московского университета были уволены кроме преподавателей генетиков (Н,И, Шапиро, С.И. Алиханян, Р.Б. Хесин, но и выдащиеся биологи других специальностей М.М. Завадовский, И.И. Шмальгаузен, Д.С. Сабинин, декан биофака Юдинцев.

Трудная судьба генетики как науки определяется ее тесной связью с производством (селекция, биотехнология), с медициной (наследственные и мультифакториальные заболевания). С такими социальными явлениями как демография, рассология, этнография, обучение и др. Например, в начале ХХ века во всех странах мира бурно развивалось евгеническое движение с целью «улучшения» человеческого рода методами селекции.

В СССР в 1920 году было образовано « Русское евгеническое общество, издавались два журнала. В них публиковались генеалогические древа выдающихся семей России, статьи по наследственным болезням, другим медико - генетическим проблемам. Это был этап становления генетики человека и медицинской генетики в нашей стране. Наши выдающиеся генетики Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский, Ю.А. Филипченко и др., исходя из того что в популяциях человека накапливается вредный «генетический груз», который может привести к вырождению отдали дань евгенике. Н.К. Кольцов ориентировался на просветительскую деятельность, а А.С. Серебровский предлагал улучшать человеческую «породу» методами селекции, в частности путем искусственного осеменения семенем отобранных по физическим и умственным способностям мужчин.

В других странах (США, Швеция, Эстония и др.) евгенические мероприятия вылились в принудительную стерилизацию душевно больных, алкоголиков; в Германии, после прихода к власти фашистов речь пошла о расовой гигиене, высших и низших расах и уничтожении целых народов и государств. В Советском союзе евгеническое движение подверглось серьезной, справедливой критике и наши ученые - генетики уже в 1929 году убежденно отказались от развития евгеники. Обидно то, что вместе с евгеникой в нашей стране полностью прекратились медико – генетические исследования и мы на четверть века отстали от ведущих стран мира в развитии медицинской генетики и системы государственного медико- генетического консультирования. В обществе любые достижения генетики получают неоднозначное восприятие. Генная инженерия, трансгенные растения и животные, стволовые клетки, клонирование – все вызывает определенную настороженность, особенно, когда речь идет о применении этих технологий на человеке.

↑Основные научные результаты и достижения

На основе экспериментальных данных о сцепленном наследовании некоторых признаков и параллелизма поведения хромосом и наследования признаков Т.Г. Морганом и его школой была разработана хромосомная теория наследственности.

Основополагающим моментом при создании теории являлось доказательство существования структур-хромосом в ядре клетки, ответственных за хранение и передачу наследственной информации от клетки к клетке, от родителей потомству. Это подтверждалось поведением хромосом в митозе и мейозе, экспериментами по наследованию признаков, сцепленных с полом, хромосомным механизмом определения пола, цитологическим доказательством кроссинговера, явлением гинандроморфизма и др.

Рис. Сходство и различия кариотипов и геномов человека и гоминид. Несмотря на различия в гаплоидном числе хромосом человека(23) и человекообразными обезьянами(24), нуклеотидный состав генома шимпанзе более сходен с человеком, чем с горилой или орангутанном. Имеется <1% различий между ДНК человека и шимпанзе!

Основными положениями хромосомной теории являются следующие:

1.  Наследственные факторы – гены локализованы в хромосомах. Каждый ген имеет свое определенное местоположение в хромосоме - локус.
2. Гены расположены в хромосоме в линейном порядке и составляют группу сцепления генов и наследуются совместно.
3. Число групп сцепления характерно для каждого конкретного биологического вида и соответствует гаплоидному числу хромосом ( для дрозофилы – 4, для мыши – 20, для кукурузы – 10, для гороха – 7, для человека – 23) .
4. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер), что приводит к нарушению сцепления генов, т.е. генетической рекомбинации.
5. Величина кроссинговера есть функция расстояния между генами на хромосоме. Процент кроссинговера между двумя генами не превышает 50. На основе определения частот кроссинговера между разными парами генов составляются генетические карты, характеризующие относительные расстояния между ними, выраженные в процентах кроссинговера (1% кроссинговера = 1 сантиморгану, сМ ).

С позиций хромосомной теории наследственности к 30-м годам ХХ века ген представлялся как единица функции, мутации и рекомбинации. Для определения аллельности мутаций использовались:

1. функциональный тест аллелизма;
2. рекомбинационный тест.

Представление о сложном строении гена было высказано советским генетиком А.С. Серебровским в 1928 году. В экспериментах на дрозофиле с использованием мутаций в локусе scute ( редукция некоторых щетинок) была показана возможность возникновения мутаций в разных участках одного гена, т.е. дробимости гена ( явление ступенчатого аллелизма, центровая теория гена).

В последующем Э. Льюисом, С. Бензером и другими на разных объектах было показано, что единицей мутации и рекомбинации могут являться отдельные части гена, а функционально ген представляет единое целое.

Сформировавшееся в генетике четкое представление о том, что по наследству передаются не признаки, а гены, и что признак формируется в ходе онтогенеза, послужило развитию феногенетики – изучающей все этапы реализации генетической информации от гена до фена (признака).

В 1911 году В. Иогансен ввел в генетику термины: генотип и фенотип.

Генотип – совокупность всех генов, полученных организмом от родителей.

Фенотип – весь комплекс признаков организма, сформированный в онтогенезе при взаимодействии генотипа с факторами среды. Хотя реализация генотипа в конкретный фенотип зависит от условий среды, тем не менее существуют генотипические границы проявления признака, определяемые нормой реакции генотипа. Это наглядно подтверждается при наследовании количественных признаков. Изменчивость признака в пределах нормы реакции носит модификационный характер и не наследуется.

Изменчивость, выходящая за границы нормы реакции генотипа, являяется мутацией и наследуется.

Наиболее острые дискуссии в генетике возникли по проблемам мутагенеза, изменчивости гена. Факты константного наследования признаков на протяжении многих поколений воспринимались генетиками до 20-х годов как проявление высокой консервативности генов и изолированности от обмена веществ в клетке. С другой стороны, абсолютизировался принцип случайности при возникновении мутаций. Сторонники наследования благоприобретенных свойств (Т.Д. Лысенко и др.) считали, что любые изменения условий жизни адекватно изменяют свойства организма и передаются по наследству. Изменчивость живых организмов подразделяется на наследственную (мутационная и комбинативная) и не наследственную (модификационная). Мутационные изменения возникают в наследственных структурах клеток (генеративных и соматических ). У многоклеточных организмов от родителей при половом размножении к потомству передаются лишь генеративные мутации, возникшие в ходе онтогенеза сохраняются в виде мутанных клеточных клонов у данного индивида. Основателем мутационной теории является Гуго де Фриз (1901-1903 г.г.). Основные положения этой теории сохранились до наших дней , это:

1. универсальность;
2. скачкообразность (качественный характер изменений);
3. статистический, вероятностный характер;
4. не направленность возникновения мутаций.

В дополнение к этому следует назвать причинность и растянутость во времени возникновения мутаций. Существует множество систем классификации мутаций: спонтанные – индуцированные; генные, хромосомные и геномные; биохимические (прототрофные и ауксотрофные); летальные, полулетальные, витальные и другие. Мутации могут индуцироваться различными факторами среды (физические – ионизирующие излучения, ультра - фиолетовое излучение; химические – окислители-восстановители, аналоги азотистых оснований, алкилирующие соединения, акридиновые красители и др.; биологические – вирусы. фаги). При индуцированном мутационном процессе установлена универсальная зависимость «доза – эффект». Это означает, что с увеличением дозы и времени воздействия фактора возрастает частота возникновения мутаций. Открытие в 1927 году Г. Мёллером мутационного действия рентгеновских лучей и выяснение механизмов спонтанных и индуцированных мутаций утвердило представление о причинности и статистичности мутационных событий. Но еще долгое время оставалось непонятным, как «ген» в горниле активного обмена веществ сохраняет высокую константность. Открытие универсальной системы восстановления генетических повреждений ДНК (генетическая репарация) вскрыло суть этого непонятного феномена. ДНК и хромосомы в клетке участвуют во всех физико-химических реакциях, подвергаются воздействию физических и химических агентов (УФ-лучи, Х-лучи, температура, ферменты и др.), в результате чего возникают генетические повреждения. Если бы все эти повреждения нарушали структуру генов, то ни о какой передаче константных признаков, а следовательно, и об эволюции органического мира не могло быть и речи. В ходе эволюции у организмов выработалась система слежения за сохранением генетической информации, и в случае возникновения структурных нарушений в ДНК соответствующие ферменты репарации восстанавливают нативную структуру (по принципу матричного синтеза). Часть неисправленных повреждений реализуется в мутации. Если у нормальных организмов (дрожжи, дрозофила, человек) частота спонтанных мутаций на один ген на поколение составляет 10 ⁶степени, то в репарционно-дефектных линиях она выше на 1-2 порядка (10 ⁵, 10 ⁶ степени). Примером нарушения репарации у человека является наследственное заболевание «пигментная ксеродерма».

Геном любых клеток состоит из многих тысяч генов, но одновременно функционируют или экспрессируют лишь некоторые и на определенное время. В ходе эволюции в клетках выработались механизмы регуляции действия генов, ибо и излишек, и недостаток генного продукта приводят к аномальному росту и развитию клетки.  

Для понимания природы действия генов большое значение имело изучение синтеза в клетке специфических ферментов (элементарных признаков).

Дж. Бидл и Э. Тейтум на основе анализа биохимических мутаций у нейроспоры обосновали принцип: «один ген – один фермент», с последующим уточнением «один ген – один полипептид».

Стало ясно, что мутантные гены теряют функции нормальных генов и не вырабатывают в клетке определенных ферментов, в силу чего цепь биосинтеза обрывается в соответствующем месте.

Многоэтапность и сложность биохимических процессов при формировании признака можно проследить на примере биосинтеза пигментов ( меланина у животных и антоцианов у растений). Исходным предшественником меланина является аминокислота фенилаланин, которая под действием специфического фермента превращается в тирозин, а он под действием фермента тирозиназы превращается в вещество ДОФА, а затем в меланин. Если мутация в гене тирозиназы приведет к блокированию фермента тирозиназы, то оборвется цепь биосинтеза меланина , что приведет к альбинизму. Следует отметить, что первым случаем биохимической мутации было описание А. Гарродом в 1902 году заболевание человека, известного как алькаптонурия.

Биохимическая генетика способствовала раскрытию истинных механизмов наследования признаков при неаллельных взаимодействиях генов. Формально- генетическая схема наследования признаков при комплементарном взаимодействии, эпистазе и полимерии получила биохимическое подтверждение.

Молекулярная природа гена длительный период ассоциировалась с молекулой белка ввиду их огромного разнообразия и высокой специфичности. Так в 1926 году Н.К. Кольцов предложил гипотезу о и матричном синтезе гена на модели структуры белка. Матричный принцип аутокатализа гена в последующем подтвердился на примере молекулы другого биологического полимера- ДНК.

Однако революционным событием в понимании молекулярных основ наследственности и изменчивости явилось доказательство генетической роли другой молекулярной структуры - ДНК, сделанные в 1944 году О. Эйвери с сотрудниками в экспериментах по генетической трансформации на бактериях – пневмококках. ДНК явилось действующим агентом в бактериальной трансформации. Затем роль ДНК и РНК в генетических процессах была подтверждена в явлениях трансдукции и трансфекции.

Открытие в 1953 году “двойной спирали ДНК“ Дж. Уотсоном и Ф. Криком (Нобелевская премия 1962 года) стало новой эрой в развитии генетики - эпохой молекулярной генетики.

Еще на заре развития генетики были сформулировали три условия, которым должен отвечать гипотетический ген:

1. консерватизм при хранении генетической информации,
2. способность к ауторепродукции и
3. способность к наследуемым изменениям.

Гипотеза двойной спирали ДНК объясняла, как структура ДНК сохраняет специфичность и дискретность гена ( линейная последовательность нуклеотидов); самовоспроизведение - репликацию гена за счет матричного синтеза на основе принципа комплементарности оснований в оппозитной цепи ( А-Т и Г-Ц); и наконец, каким путем могут возникать генные мутации :

1. замена основания и
2. вставки или выпадения нуклеотидов в одной цепи.

Выяснение природы и свойств генетического кода (триплетность , универсальность, неперекрываемость, вырожденность и колинеарность) позволили в кратчайший срок расшифровать триплеты для 20 незаменимых аминокислот (М. Ниренберг, Нобелевская премия 1968 года ) и понять детальные механизмы таких генетических процессов как репликация, трансляция, рекомбинация и репарация.

Процессы репликации, транскрипции, трансляции, рекомбинации и репарации являются ферментативными и осуществляются под контролем множества генов, мутации в которых могут ускорять или замедлять или блокировать процесс.

Путь биосинтеза белка начинается с транскрипции генетической информации с участка молекулы ДНК (определенной последовательности нуклеотидов ) на и - РНК (информационная), которая на основе триплетного кода служит матрицей для сборки соответствующих аминокислот в полипептид.

Рис. Генетический код

К комплексу и - РНК + рибосома в цитоплазме клетки различные т - РНК (транспортная) подводят определенные аминокислоты. т - РНК своим специфическим триплетом-антикодоном соединяется с кодоном и - РНК , другая т - РНК подстраивается к соседнему триплету и между рядом расположенными аминокислотами возникает пептидная связь. Таким образом, последовательность триплетов от ДНК через и - РНК колинеарно передается на последовательность аминокислот в полипептиде. Генетическая информация может передаваться как от ДНК к и - РНК, так и обратно, на основе принципа комплементарности с участием специальных ферментов (например, обратная транскриптаза). От и-РНК к белку информация однонаправленна, ибо нет механизма перевода языка аминокислот на язык нуклеотидов.

Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации, рекомбинации и репарации изучены детально и имеют много общего. Процесс репликации осуществляет точную передачу генетической информации, записанной в молекулах ДНК, от клетки к клетке и от родителей к потомкам в ходе митоза и мейоза (на принципах матричного синтеза). Часть неисправленных повреждений реализуется в мутации. Если у нормальных организмов (дрожжи, дрозофила, человек) частота спонтанных мутаций на один ген / на поколение составляет 10 ^–6 , то в репарационно - дефектных линиях она выше на один - два порядка (10^-5 , 10^-4 ). Примером нарушения системы репарации у человека является наследственное заболевание “пигментная ксеродерма “.

Геном любых клеток состоит из многих тысяч генов, но одновременно функционируют или экспрессируются лишь некоторые и на определенное время. В ходе эволюции в клетках выработались механизмы регуляции действия генов, ибо и излишек, и недостаток генного продукта приводят к аномальному росту и развитию клетки. Регуляция генного действия осуществляется на уровне транскрипции. Классическим примером является оперонная система, предложенная в 1961 г. Ф. Жакобом и Ж. Моно (лактозные опероны).

Существует много других механизмов регуляции генного действия, например, дозовая компенсация для генов Х-хромосомы самок дрозофилы или инактивация одной из Х-хромосом ( тельце Барра) у самок млекопитающих.

Если каждый признак или биохимическая реакция контролируются генетически, то несомненно, что и деление клеток, и развитие многоклеточного организма находятся под контролем генов. Так универсальные механизмы клеточного деления ( митоз и мейоз) контролируются десятками и сотнями генов, а мутация в ключевом гене может привести к гибели клетки или к злокачественному росту.

Дифференциальная активность генов, или образование многих клеточных фенотипов из одного генотипа является общей, центральной проблемой как генетики, так и эмбриологии, и составляет предмет исследования бурно развивающегося направления биологии – генетики развития.

В ходе индивидуального развития организма (онтогенеза) происходят сложные и координированные ростовые и формообразовательные процессы, в результате которых из одной единственной клетки (оплодотворенной яйцеклетки- зиготы) развивается высокоорганизованный многоклеточный организм. В процессе онтогенеза реализуется генетическая информация (генотип) в комплекс признаков (фенотип) организма. То, что индивидуальное развитие организма находится под генетическим контролем, доказывается фактом наследственной изменчивости по всем рассматриваемым процессам. Выявлены мутации генов, контролирующие скорость первых делений дробления; обнаружены онкогены, контролирующие ростовые процессы; установлены тысячи мутаций, отвечающих за формирование морфологических признаков от самых ранних до конечных этапов онтогенеза. В процессе эволюции позвоночные животные полностью утратили способность воспроизводить потомство бесполым путем – делением соматических клеток. Однако многие беспозвоночные животные, наряду с половым размножением, могут размножаться путем деления клеток и создавать генетически идентичные клоны.

У позвоночных животных в период эмбрионального развития на определенной стадии дифференцировки соматические клетки теряют способность к образованию всех типов клеток, т.е. утрачивают тотипотентность. Под тотипотентностью ядра понимается его способность передавать информацию о формировании всех типов клеток, характерных взрослому организму.

У растений из соматических клеток любых тканей сформированного организма можно получить взрослое полноценное растение (морковь, табак, томаты), способное к половому размножению. Из изолированной клетки под воздействием растительных гормонов можно получить целое растение.

Ведь при обычном скрещивании и животных, и растений уникальное сочетание генов животного- рекордиста или растения с комплексом признаков “рассыпается “, потомство получает лишь половину генов родителя и то в новой комбинации. Уникальные свойства уже не повторятся в поколениях.

В 1997 году ученые из Эдинбурга под руководством Яна Вилмута провели успешные эксперименты по генетическому клонированию овцы. Для этого использовали ядра соматических клеток, полученных из ткани молочной железы взрослой овцы, которые вводили в энуклиированную яйцеклетку. Образовавшуюся диплоидную зиготу стимуровали к дроблению и трансплантировали в овцу-реципиент. Через 148 дней приемная мама родила живую овечку Долли. У этой овечки нет отца, но зато три матери: овца, давшая свой генетический материал; овца, от которой взяли яйцеклетку и овца-реципиент, выносившая знаменитого ягненка.

Успех генетического клонирования млекопитающего выплеснул на страницы печати идею получения генетических копий человека. Технически клонирование человека вполне возможно, но моральные, этические и юридические проблемы, связанные с манипуляциями над эмбрионами человека, на наш взгляд, не допустимы.

Дифференциальная активность генов в онтогенезе может регулироваться гормонами. Так, экдизон (гормон роста насекомых) регулирует последовательность образования ранних и поздних пуффов в гигантских хромосомах клеток слюнных желез личинок насекомых, что доказывается активным синтезом и-РНК в соответствующих пуффах.

Рис. Клонирование овечки Долли

Благодаря использованию молекулярно-генетических методов удалось выделить и охарактеризовать гены, обеспечивающие выбор пути развития в процессе организации плана строения эмбриона. При этом ключевую роль играют гомеозисные гены, осуществляющие подразделение раннего эмбриона на клеточные поля, которые обладают способностью развиваться в определенные органы и ткани. Анализу гомеозисных генов у дрозофилы многие годы посвятил Э. Льюис (Нобелевская премия 1995 года совместно с Э. Витаусом и К. Нюсслайн-Фольхардом). У гомеозисных мутантов вместо определенного органа или части тела возникает структура, которая в норме располагается в другом месте. При мутации Bithorax вместо одной пары крыльев развиваются две, а при мутации Antennapedia на месте антенн вырастает дополнительная пара ног. Во всех гомеозисных генах выявлены консервативные последовательности ДНК. Консервативный участок в гомеозисных генах получил название гомеобокс.

Используя консервативные последовательности ДНК дрозофилы в качестве зонда удалось выделить ген у лягушки XJH box1, группу НОХ-генов у мыши.

Расшифровка генетического кода, тонкой структуры гена способствовали решению задачи выделения индивидуальных генов, химического и ферментативного синтеза гена. Сбылась заманчивая мечта генетиков “осязать” реальный ген, целенаправлено изменять его структуру, регулировать его действие и переносить в другие клетки и организмы.

В отличие от структуры генов бактерий, где последовательность нуклеотидов ДНК полностью соответствует последовательности в т - РНК, гены эукариот состоят из кодирующих и некодирующих участков (экзонов и интронов). На первичной и - РНК считана полная генетическая информация с ДНК. Затем некодирующие участки (интроны) вырезаются рестриктазами и воссооединяются (сплайсинг) лишь экзоны. Молекула зрелой и - РНК намного меньше по молекулярной массе первичной и - РНК, но ее достаточно для синтеза определенного полипептида. Такая сложная структура позволяет осуществляться альтернативному сплайсингу - соединению между собой не всех экзонов или соединению их друг с другом в ином порядке. В результате один ген может контролировать синтез нескольких различающихся по функциям полипептидов.

↑Генная инженерия

В 70 –е годы ученым удалось открыть простые приемы для манипуляций с молекулами ДНК в пробирке. Это созданные самой природой ферменты. Одни из них - рестриктазы – рассекают молекулы ДНК в строго определенных участках на куски различной длины, а другие – лигазы- наоборот, сшивают их в единое целое. Была выработана стратегия анализа генома в целом и анализа отдельных генов. Возникла возможность получения рекомбинантных молекул, секвенирования ДНК, клонирования генов и создания банков фрагментов гена, модификации ДНК in vitro, введения чужеродных клонированных генов в клетки и их экспрессия.

Так началась эра генетической (генной) инженерии. Генная инженерия – система экспериментальных приемов, позволяющая создавать в пробирке искусственные генетические структуры. Генно-инженерные технологии включают в себя два этапа:

1. Выделение (или синтез) конкретных генов и их клонирование (размножение).
2. Перенос в целостности генов в другие клетки и организмы, и экспрессия этих генов в новом генетическом окружение.

Перенос генов из организмов (клеток) одних генотипов в организмы отличающихся генотипов получил название трансгеноз, а организмы с внедренными в них и работающими чужеродными генами называются трансгенными. Уже созданы тысячи “трансгенных бактерий”, “трансгенных растений”, “трансгенных животных”.

Достижения генной инженерии открыли новые перспективы перед биотехнологией для промышленного производства биологически активных веществ. Так, трансгенные бактерии или грибы-дрожжи с введенными в них генами человека, контролирующими синтез инсулина, интерферона, гормона роста – соматропина, используются для производства соответствующих препаратов для лечения больных людей.

В настоящее время получены трансгенные культурные растения с генами устойчивости к гербицидам, к заражению грибами, генами устойчивости к поражению вредными насекомыми.

Перед селекционерами открываются возможности создания за короткий срок высокоурожайных сортов растений с повышенным содержанием определенных аминокислот, например, лизина, витаминов, растительных пигментов и др.

Трансгенные животные могут стать продуцентами необходимых лекарств для человека: интерферона, инсулина, соматотропина, фактора крови IX (лечение гемофилии) и этими препаратами будут обогащены коровье или овечье молоко, куриные яйца.

Для лечения наследственных заболеваний разрабатываются приемы генотерапии. Если наследственное заболевание связано с дефектом работы мутантного аллеля конкретного гена, то введение в клетки больного достаточного количества копий нормального аллеля может компенсировать дефект.

Генно-инженерные манипуляции воспринимаются общественностью многих стран с опаской, а в ряде случаев и отрицательно. Примером может служить волна протестов в Западной Европе и в нашей стране против употребления продуктов, выработанных из трансгенных растений.

Ученые-разработчики генно-инженерных методов понимают, какая высокая ответственность ложится на их плечи, и сами устанавливают строгий регламент подобных исследований и необходимость общественного контроля, Во многих странах приняты законы по генной инженерии, строго регламентирующие объекты исследования и области применения.

Интерес "Человека" к генетике собственного биологического вида Homo sapiens, вероятно, зародился на заре человечества. До 80-х годов ХХ столетия раздел науки «генетика человека» развиивался медленно и тому были объективные причины:

1. невозможность запрограммированных скрещиваний;
2. малочисленность потомства;
3. длительная смена поколений;
4. большое число хромосом (2n = 46 );
5. биосоциальная природа человека.

Генетика человека включает в себя два направления :

1. нормальная генетика;
2. медицинская генетика.

В качестве методов исследования используются:

1. генеалогический (анализ родословной).
2. близнецовый – анализ конкордантности (совпадения) и неконкордантности (несовпадения) проявления признаков у моно- и дизиготных близнецов.
3. цитогенетический – исследование митотических и мейотических хромосом в клетках костного мозга, семенников, лимфоцитов крови.
4. популяционно-статистический – определение частот проявляения признака, болезни, гена в популяции.
5. биохимический и молекулярно-генетический.

С начала ХХ века накоплен обширный материал по наследственным болезням и наследованию признаков человека. А.Гаррод описал алькаптонурию ( у больных темнеет моча при стоянии ) как врожденную ошибку метаболизма. Сейчас известно более 4000 болезней обмена веществ, связанных с мутациями в определенных генах (идентифицировано более полутора тысяч). Описаны и изучены сотни «хромосомных» болезней. Среди них синдромы Кляйнфельтера (ХХY), Тернера – Шершевского(ХО), Дауна (трисомия по 21-ой хромосоме) и др. Были также описаны синдромы, связанные с транслокациями, делециями и дупликациями хромосом.

Преимущества человека, связанные с детальной изученностью анатомо-морфологических, цитологических, биохимических, физиологических и иммунологических признаков, не увязывались с генетическими картами.

В 1987 году имелась генетическая карта лишь 17 хромосом человека с 475 маркерами, в то время как у кишечной палочки, дрозофилы и мыши было прокартировано от 1000 до 2000 генов.

Картирование аутосомного гена впервые было проведено в 1968 году. К этому времени в Х-хромосоме было картировано 68 генов. В настоящее время на хромосомах человека уже картировано свыше 11000 тысяч генов, т.е. около половины всех генов.

Достижения молекулярной и клеточной биологии позволили за относительно короткий срок реализовать грандиозную программу "Геном человека".К настоящему времени расшифрованы геномы сотен видов организмов. Кроме генома человека, это геномы сотен видов бактерий и вирусов. Геномы животных - курицы, мыши, крысы, собаки. шимпанзе, сумчатого опоссума. рыбки Pufo; растений – арабидопсиса, риса, горчичной травы и др.

Рис. Хромосомы человека

Если ХХ век заслуженно называют веком генетики в биологии, то двадцать первый уже называют веком геномики.