Психогенетика

До сих пор мы говорили о гаметных мутациях. Однако примерно

90% случаев заболевания рака груди развивается в результате возник-

новения соматических мутаций.

Соматическими мутациями называются мутации в клетках, не

связанных с формированием гамет. Они воздействуют только на само-

го носителя мутации (определяют его фенотип). Наиболее широко

известные соматические мутации связаны с развитием рака. Сомати-

ческие мутации приводят к исчезновению исходных аллелей и замене

их аллелями-мутантами. Если клетка с таким аллелем-мутантом начи-

нает делиться, то во всех ее дочерних клетках появляются аллели-

мутанты. Вот почему у индивида-носителя соматических мутаций со-

существуют разные клеточные популяции — и та, которая развивает-

ся из «нормальных» клеток (неповрежденных влиянием мутагена), и

та, которая развивается из клеток, содержащих аллели-мутанты и яв-

ляющихся причиной заболевания. Таких индивидов-носителей сме-

шанных клеточных популяций называют «мозаиками».

Индуцированные мутации. До сих пор речь шла о спонтанных мута-

циях, т.е. происходящих без какой-либо известной причины. Возник-

новение мутаций — процесс вероятностный, и, соответственно, су-

ществует набор факторов, которые на эти вероятности влияют и из-

меняют их. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами,

а процесс изменения вероятностей появления мутации — индуциро-

ванном. Мутации, возникающие под влиянием мутагенов, называют

индуцированными мутациями.

В современном технологически сложном обществе люди подверга-

ются воздействию самых разных мутагенов, поэтому изучение инду-

цированных мутаций приобретает все большее значение.

К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующих из-

лучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.),

ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры; к хи-

мическим — многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых

оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры (например,

чужеродные ДНК и РНК), алкалоиды и многие другие химические аген-

ты. Некоторые мутагены увеличивают частоту мутаций в сотни раз.

К числу наиболее изученных мутагенов относятся радиация высо-

ких энергий и некоторые химические вещества. Радиация вызывает

такие изменения в геноме человека, как хромосомные аберрации и

потерю нуклеотидных оснований (гл. IV). Частота встречаемости мута-

ций половых клеток, индуцированных радиацией, зависит от пола и

стадии развития половых клеток. Незрелые половые клетки мутируют

чаще, чем зрелые; женские половые клетки — реже, чем мужские.

Кроме того, частота мутаций, индуцированных радиацией, зависит

от условий и дозы облучения.

Соматические мутации, возникающие в результате радиации, пред-

ставляют собой основную угрозу населению, поскольку часто появле-

ние таких мутаций служит первым шагом на пути образования рако-

вых опухолей. Так, одно из наиболее драматических последствий Чер-

нобыльской аварии связано с возрастанием частоты встречаемости

разных типов онкологических заболеваний. Например, в Гомельской

области было обнаружено резкое увеличение числа детей, больных

раком щитовидной железы. По некоторым данным, частота этого за-

болевания сегодня по сравнению с доаварийной ситуацией увеличи-

лась в 20 раз.

5. ЭКСПАНСИЯ

(ИНСЕРЦИЯ)

ПОВТОРЯЮЩИХСЯ

НУКЛЕОТИДНЫХ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ:

МИОТОНИЧЕСКАЯ ДИСТРОФИЯ (МД)

Встречаемость миотонической дистрофии составляет 1 на 8000.

Это заболевание наследуется как аутосомное доминантное заболева-

ние и представляет собой наиболее часто встречающуюся форму мы-

шечной дистрофии у взрослых. Клинически это заболевание крайне

разнообразно; его симптомы включают: миотонию, прогрессирую-

щую слабость, атрофию мышц, расстройства сердечно-дыхательной

системы, катаракты, раннее облысение, умственную отсталость и ат-

рофию половых органов. Обычно первые клинические проявления

МД наблюдаются в 30-40 лет, однако в некоторых случаях она раз-

вивается с момента рождения, и тогда ее симптоматика намного тя-

желее. Врожденная МД отличается высокой смертностью, у выжив-

ших же детей классическая симптоматика МД обнаруживается уже к

10-летнему возрасту.

Мутация, вызывающая развитие МД, была выявлена, описана и

картирована. Биологический механизм этой мутации связан с неста-

бильной природой повторяющейся последовательности азотистых ос-

нований (о структуре ДНК — гл. IV) на участке гена, расположенном

на длинном плече хромосомы 19 (гл. I). Генетический механизм неста-

бильных повторяющихся последовательностей был открыт сравнитель-

но недавно. По неизвестной до сих пор причине короткие сегменты

ДНК, состоящие из 2, 3 и 4 нуклеотидов (гл. I), выстраивают повто-

ряющиеся последовательности, которые включают от двух до несколь-

ких сотен таких сегментов, Повторяющуюся последовательность мож-

но представить следующим образом:

АСАСТ — сегмент повторяющейся последовательности;

АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ- повторяющаяся последова-

тельность из 5 сегментов;

(А) АСАСТ АСАСТ, (а) АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ - 2 разных

аллеля (А и а) локуса, содержащего повторяющуюся последовательность.

На языке генетики это означает, аллель А содержит 2 повтора (2 сегмента

нуклеотидов), а аллель а содержит 4 повтора (4 сегмента нуклеотидов),

Сегодня эти повторяющиеся последовательности найдены более

чем в 50 000 локусов человеческого генома. Каждый локус содержит

несколько (иногда до 20 и более) аллелей, включающих разное коли-

чество таких повторяющихся последовательностей. Эти аллели обыч-

но наследуются по законам Менделя, однако были обнаружены и

отклоняющиеся от них случаи, когда при переходе от одного поколе-

ния к другому количество повторяющихся сегментов меняется. Благо-

даря этому, а также высокой вариативности аллелей в каждом локу-

се, повторяющиеся последовательности привлекают особое внима-

ние генетиков, занимающихся картированием и локализацией генов

в геноме человека.

Было замечено, что чем больше количество повторяющихся после-

довательностей (т.е. чем длиннее вся повторяющаяся последовательность)

у больных с МД, тем тяжелее протекает заболевание (табл. 3.1).

Как правило, здоровые люди являются носителями повторяющихся

последовательностей длиной в 5—35 сегментов. Аллели больных, страда-

ющих легкой формой МД, содержат 50-150 повторов. Аллели больных

с классическим МД фенотипом (обычно это больные, у которых кли-

нические симптомы появляются в 30-40-летнем возрасте) содержат от

100 до 1000 повторов, а аллели больных МД, симптоматика которых

проявляется при рождении, могут содержать более 2000 повторов. В це-

лом, чем длиннее повторяющаяся последовательность (чем больше по-

второв она содержит), тем раньше обнаруживает себя заболевание и

тем тяжелее оно протекает, Это явление известно под названием «гене-

тическая антиципация». Генетическая антиципация характерна не толь-

ко для МД, но и для ряда других заболеваний (например, хореи Ген-

тингтона и синдрома «ломкой» Х-хромосомы — второго, после синдро-

ма Дауна, по частоте встречаемости среди умственно отсталых).

Таблица 3.1

Фенотипические проявления МД в зависимости от количества

сегментов нуклеотидных повторяющихся последовательностей

Фенотип

Клинические

симптомы

Количество повто-

ряющихся сегментов

Легкая форма

МД

катаракты

50-150

Классическая

форма МД

миотония

мышечная атрофия

преждевременное

облысение

атрофия половых органов

100-1000

Врожденная МД

гипотония

умственная отсталость

дисплегия

> 1000

6. НАСЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНЫХ

ПОВЕДЕНЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ

До сих пор мы говорили о наследовании качественных признаков

(формы и цвета семян гороха, половых различий, определенных забо-

леваний). При классификации этих признаков никаких трудностей не

возникает — мы легко различаем гладкие и шероховатые семена ду-

шистого горошка, четко разбиваем людей на группы страдающих и не

страдающих цветовой слепотой и т.д. Однако существует целый ряд

признаков человека, подобная классификация которых или вообще

невозможна, или возможна только со специальными оговорками. Та-

кие признаки называются количественными (или континуальными)

(например, рост, вес, баллы IQ и др.). Распределить людей на альтер-

нативные группы по таким признакам (высокие и низкие, «умные» и

«глупые») можно только условно.

Большинство признаков, изучаемых психогенетикой, характери-

зуется тем, что в середине вариационного ряда (ряда значений) тако-

го признака располагаются одна или две максимальные частоты, а

справа и слева от них располагаются убывающие к концам ряда часто-

ты, причем правые и левые частоты, одинаково удаленные от средне-

го, примерно равны. Оно относится к классу количественных и имеет

нормальное (или приближающееся к нему) распределение. Его свой-

ства описаны в любом руководстве по статистике, поэтому излагать

их здесь мы не будем. Отметим только, что кривая нормального рас-

пределения имеет чрезвычайно важное значение для психологии. Дело

в том, что каждый психологический признак в своем развитии зави-

сит от очень большого количества факторов (и многих генов, и мно-

гих средовых обстоятельств), действующих в благоприятном или не-

благоприятном направлении. И именно нормальное распределение от-

ражает фенотипическое разнообразие, возникающее в результате

воздействия множественных факторов на исследуемый признак.

Предваряя изложение того, что известно о наследовании количе-

ственных признаков, приведем более развернутый пример психогене-

тических исследований изменчивости сложных фенотипов человека.

Коэффициент интеллекта, а точнее, его оценки (баллы и т.п.,

полученные в результате выполнения испытуемым набора различных

субтестов, а затем усредненные с тем, чтобы получить обобщенную

переменную, описывающую познавательные признаки человека), рас-

пределен континуально, т.е. является примером количественного при-

знака. При исследовании континуальных характеристик невозможно

определить количество «больных» и «здоровых», т.е. нельзя приме-

нить законы Менделя, описывающие механизмы исследования дис-

кретных признаков. Тем не менее многочисленные психогенетичес-

кие исследования интеллекта показали, что они передаются по на-

следству (гл. IX). Например, родители с высокими показателями по

интеллекту обычно имеют детей, чьи интеллектуальные способности

выше среднего (об ограничениях, связанных с такой интерпретаци-

ей семейных данных, — в гл. VI, VII, VIII). Однако механизм переда-

чи по наследству интеллектуальных способностей не соответствует

законам Менделя.

С целью описания механизмов передачи по наследству континуальных

признаков Ф. Гальтон предложил статистический аппарат, который до сих

пор  широко  используется  учеными.  Он  создал  статистику,  которую  назвал
«ко-реляция» (англ. co-relation — со-отношение)  и  которая  затем  преврати-
лась  в  известный  всем  коэффициент  корреляции.  В  статистической  литера-

туре  этот  тип  корреляции  (а  всего  разных  видов  корреляции — около  дюжи-
ны)  называется  Пирсоновской  корреляцией,  названной  так  в  честь  К.  Пирсо-
на,  одного  из  учеников  Ф.  Гальтона,  детально  разработавшего  технику

получения  корреляции.  Корреляция  представляет  собой  индекс  сходства,  из-
меняющийся  от  нуля  (r  = 0), который  обозначает  отсутствие  какого-либо  сход-
ства,  до  единицы  (r = ±1,0),  обозначающей  абсолютное  сходство  (или  абсо-

лютную противоположность, если имеет отрицательный знак).

Корреляции, описывающие сходство родственников по тестам интеллек-

та, также зависят от степени их кровного родства. Только супруги, в отличие

от  других  неродственников,  коррелируют  между  собой  по  интеллекту  с  коэф-
фициентом  г = 0,30-0,40.  Это — весьма  примечательная  находка,  имеющая
особое  значение  для  интерпретации  сиблинговых  и  близнецовых  корреля-

ций (подробнее — в гл. VII, IX).

Что же известно сегодня о механизмах передачи по наследству

сложных поведенческих, т.е. количественных, континуальных, при-

знаков? Каковы генетические модели, описывающие механизмы этой

передачи?

Для менделирующих признаков и таких состояний, как болезнь

Гентингтона и фенилкетонурия, наличие одного гена-мутанта — не-

обходимое и достаточное условие формирования соответствующего

признака: наличие в генотипе вредоносного аллеля (одной или двух

его копий в зависимости от типа наследования) с неизбежностью

вызовет у его носителя развитие болезни. При этом другие генотипи-

ческие и средовые факторы роли практически не играют. В подобных

случаях фенотипические проявления признаков дихотомичны: гено-

тип — или носитель вредоносного аллеля, или нет; фенотип — или

характеризуется определенным признаком, или нет. Сегодня известно

примерно 3000 моногенных (т.е. вызываемых одним геном) заболева-

ний, наследуемых по правилу «или—или».

Наследуемость сложных поведенческих признаков обеспечивает-

ся, очевидно, многими генами. Такие признаки называются поли-

генными.

Когда законы Менделя были переоткрыты в начале XX столетия, серьез-

ные теоретические баталии развернулись между теми, кто считал, что все

признаки наследуются согласно закону Менделя (так называемые мендели-

сты), и теми, кто утверждал, что законы Менделя неверны (так называемые
биометристы), поскольку они не могут объяснить передачу по наследству

сложных поведенческих признаков.

Как выяснилось, обе стороны были одновременно и правы, и неправы,

Менделисты были правы в том, что признаки, контролируемые одним геном,

наследуются  по  законам  Менделя.  Ошибочность  их  позиции  заключалась  в
том,  что  они  считали  законы  Менделя  универсальными,  применимыми  ко
всем,  в  том  числе  сложным,  признакам.  Биометристы  были  правы  в  том,  что

многие сложные признаки распределены непрерывно, а не альтернативно,
но заблуждались, утверждая, что законы Менделя справедливы только для
растений.

Противоречие этих двух позиций разрешилось само собой, когда выясни-

лось, что законы Менделя применимы к наследованию полигенных признаков
при отдельном рассмотрении каждого из генов, вовлеченных в генетический

контроль исследуемого признака.

Кроме того, на функционирование каждого гена оказывают вли-

яние характеристики среды. Предположим, что некоторый ген А чув-

ствителен к изменению температуры в окружающей его клеточной

среде (т.е. экспрессия гена зависит от характеристик окружающей сре-

ды). Тогда можно предположить существование следующей причин-

ной цепочки: температура клеточной среды повышается (в ответ на

какие-то внешние средовые воздействия или на внутреннюю реак-

цию организма, например, на инфекцию); в измененных темпера-

турных условиях аллель А

производит больше белка (вероятнее все-

го, в какой-то своей измененной форме), который оказывает влия-

ние на изучаемый нами признак, и признак проявляется сильнее.

Рассуждение о подобных цепочках событий привело к возникнове-

нию еще одной модели наследования, называемой мультифакторной.

Согласно этой модели, формирование признака контролируется слож-

ным взаимодействием многих и генных, и средовых факторов.

Итак, в ситуации, когда рассматриваемый признак чувствителен

к средовым влияниям, когда аллелей у каждого гена больше двух и

когда каждый из этих аллелей может иметь или не иметь отличные по

величине вклады в фенотип, все эти факторы приводят к формиро-

ванию континуальных (непрерывных) распределений. Поэтому не уди-

вительно, что часто в природе наблюдается континуальность, даже в

тех случаях, когда сами аллели генов, контролирующих исследуемый

признак, наследуются в соответствии с законами Менделя.

Представление о том, что количественные признаки формиру-

ются в результате действия множества генов, является краеугольным

в разделе генетики, называемом генетикой количественных признаков.

Эта область науки была разработана Р. Фишером и С. Райтом. Гене-

тика количественных признаков представляет собой основу для об-

щей теории происхождения (этиологии) индивидуальных различий,

будучи междисциплинарной наукой. Ее междисциплинарность опре-

деляется как знаниями, создающими ее основу (общая биология,

генетика, психология и статистика), так и используемыми ею мето-

дологическими и концептуальными аппаратами разных наук (гене-

тики, психологии, психофизиологии и т.д.). В данном случае имеет

место двухстороннее движение, поскольку, обогащаясь от различ-

ных наук, генетика количественных признаков сама обогащает эти

науки. Центральной догмой генетики количественных признаков

является утверждение о том, что внутри популяции существуют кон-

тинуально (непрерывно) распределенные количественные оценки ин-

дивидуально-психологических

особенностей.

Генетика

количествен-

ных признаков систематизирует межиндивидуальные различия и

рассматривает их не как «шум в системе» (как это свойственно,

например, наукам, внимание которых сосредоточено на межгруппо-

вых различиях), а как закономерную изменчивость внутри изучаемой

группы. Кроме того, генетика количественных признаков указывает

на источники появления изменчивости и определяет вклад каждого

из этих источников.

Основные понятия генетики количественных признаков представ-

лены в гл. VI, VIII. Не останавливаясь здесь подробно на генных моде-

лях, лежащих в основе генетики количественных признаков, укажем

только, что полигенная модель, приведенная и обсуждаемая в этих

главах, является базой для объяснения сходства родственников раз-

ной степени по фенотипическим признакам. Если генетические фак-

торы влияют на формирование индивидуальных различий по како-

му-то признаку, то степень фенотипического сходства родственни-

ков должна изменяться в зависимости от степени их генетического

родства (подробнее о разных методах психогенетики — в гл. VII, VIII).

Например, родственники первой степени родства (родители — дети

и родные сиблинги) в среднем имеют 50% общих генов. Иными сло-

вами, ребенок наследует примерно по 50% генов от каждого из роди-

телей (но это — средняя величина; в каждом конкретном случае мо-

жет быть и больше, и меньше). Если один из сиблингов унаследует

какой-то аллель от одного родителя, то вероятность наследования

того же аллеля другим сиблингом составит в среднем 50%.

В случае познавательных способностей (и некоторых заболеваний,

например, шизофрении) степень фенотипического сходства между

родственниками увеличивается по мере увеличения их генетической

близости. Например, вероятность того, что отдельно взятый в популя-

ции человек заболеет шизофренией, составляет 1%. Если же в семье

есть больной, то риск заболевания шизофренией для его родственни-

ков второй степени (внуков и племянников) составит примерно 4%.

Однако для родственников первой степени родства (родителей, сиб-

лингов, детей) этот риск увеличивается до 9%. Наконец, риск разви-

тия шизофрении стремительно возрастает до 48% для монозиготных

близнецов-шизофреников. Эта цифра намного больше цифры, полу-

ченной для дизиготных пар (17%).

Но на каком основании мы предполагаем, что шизофрения пред-

ставляет собой континуальный признак? Мы привыкли рассуждать о

шизофрении в терминах дихотомии (человек или болен, или здоров),

а здесь почему-то предполагаем, что это заболевание возникает в ре-

зультате действия множества генов в сочетании с неблагоприятной

средой. Оказывается, что даже в случае, когда на признак оказывает

влияние множество генов, проявляться он может в альтернативной

форме (больной — здоровый). Для объяснения данного факта предло-

жены понятия «подверженность» («предрасположенность») и «порог».

Предрасположенность проявляется в том, что в случае наследствен-

ных заболеваний риск заболеть у родственников выше, чем у нерод-

ственников, причем сам по себе этот риск представляет континуум

возрастающей восприимчивости к заболеванию (чем выше степень

родства, тем выше риск). Порог проявляется в том, что на условной

шкале подверженности за этим порогом оказываются носители дан-

ного признака, т.е. больные.

«Подверженность» («предрасположенность») и «порог» — гипо-

тетические понятия. Используя их и основанные на них модели, мож-

но, тем не менее, получить много полезной статистической инфор-

мации о том, как осуществляется передача того или иного признака

по наследству. Например, если корреляция по признаку шизофрении

для кровных родственников первой степени родства равняется 0,45,

то, основываясь на оценках частоты встречаемости шизофрении в по-

пуляции (1%), можно подсчитать, что риск заболевания для таких

родственников составляет 9%.

Альтернативная

гипотеза наследования сложных поведенческих

признаков утверждает, что порогов, разделяющих различные состоя-

ния организма (например, состояния «больной» и «здоровый»), не

существует. Согласно этой гипотезе, симптоматика заболевания плав-

но возрастает, создавая непрерывный континуум между нормальным

и патологическим. В последнее время широкую поддержку получает

гипотеза о том, что, например, алкоголизм и депрессия являются

именно такими признаками без четких границ между нормой и пато-

логией.

Когда же речь идет о нормальных психологических признаках (бал-

лах IQ, скорости двигательных реакций, особенностях памяти, вни-

мания и т.д.), деление на альтернативные группы (например, «быст-

рых» и «медленных») возможно лишь условно, в пределах исследо-

ванной выборки («медленный» в данной выборке может оказаться

«быстрым» в другой). Поэтому для психогенетики модели количествен-

ной генетики оказываются наиболее адекватными.

Сходство родственников по анализируемым признакам позволяет

утверждать, что генетические факторы влияют на количественные

признаки, примером которых может служить как патология (напри-

мер, шизофрения), так и норма (например, когнитивные способнос-

ти). Однако неоспоримым доказательством генетической этиологии

анализируемых признаков сходство родственников считаться не мо-

жет. Дело в том, что большинство пар родственников живут под од-

ной крышей и проводят вместе много времени. Это сходство семей-

ной среды также может играть существенную роль в формировании

сходства родственников по фенотипическим признакам. Для того что-

бы разделить вклады среды и генов, исследователи применяют специ-

альные статистические модели или изучают несколько типов родствен-

ников одновременно (см. гл. VI-VIII).

* * *

Многие генетически контролируемые заболевания и поведенчес-

кие признаки развиваются в результате действия генетических меха-

низмов, не подчиняющихся законам Менделя. Среди таких механиз-

мов обычно называют хромосомные аберрации, сцепленное с полом

наследование, импринтинг, появление новых мутаций, экспансии

повторяющихся

нуклеотидных

последовательностей,

наследование

сложных континуально распределенных поведенческих признаков. На-

копление

новой

информации,

касающейся

наследования

немен-

делирующих признаков, не опровергло законы Менделя. Выяснилось,

что противоречия снимаются, когда все наследуемые признаки де-

лятся на моногенные, в развитие которых вовлечен только один ген,

и полигенные, в развитие которых вовлечено множество генов. Мен-

делевские принципы сохраняют свою значимость при наследовании

моногенных признаков, а также при наследовании каждого отдельно

взятого гена, включенного в полигенную систему.

Наследование континуально распределенных признаков не под-

чиняется законам Менделя. Эти признаки, в категорию которых по-

падает большинство сложных поведенческих характеристик человека,

наследуются согласно мультифакторным моделям — моделям, учиты-

вающим совместное влияние многих генов и многих факторов среды;

при этом гены и среда взаимодействуют между собой. Одна из таких

моделей строится вокруг понятия «подверженность» («предрасполо-

женность»). Генетическая предрасположенность — не достаточное ус-

ловие для развития признака, однако она определяет вероятность его

появления. Это понятие чаще используется в медицинской генетике,

но можно полагать, что концепция генетической предрасположенно-

сти применима и к нормальным психологическим признакам, по-

скольку они также являются признаками мультифакторными; сегод-

ня это предположение — только гипотеза.

Г л а в а I V

ДНК КАК ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Для психогенетики, главным объектом исследования которой яв-

ляется природа индивидуальных различий, ознакомление со структу-

рой и механизмами функционирования ДНК важно для понимания

того, как гены влияют на человеческое поведение. Гены само поведе-

ние не кодируют. Они определяют последовательности аминокислот в

белках, которые направляют и создают основу химических процессов

клетки. Между геном и поведением лежат многочисленные биохими-

ческие события, открытие и понимание которых — интереснейшая

задача, решаемая разными науками. Вариативность гена, тот факт,

что он существует во множественных формах (аллелях), создает осно-

ву для формирования индивидуальных различий — соматических, фи-

зиологических, психологических. Именно в этом смысле говорят, что

ДНК и есть материальная основа наследственности: вариативность

генетическая создает, в контексте средовой вариативности, вариа-

тивность фенотипическую.

1. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты являются непериодическими полимерами.

Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую

(ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). ДНК содержится главным обра-

зом в составе хромосом клеточного ядра; РНК находится и в ядре, и

в цитоплазме.

ДНК

Во всех живых организмах (за исключением некоторых вирусов)

наследственная информация передается из поколения в поколение с

помощью молекул ДНК. Каждая клетка организма человека содержит

примерно 2 метра ДНК. Обычно ДНК состоит из двух комплементар-

ных цепей, формирующих двойную правостороннюю спираль (рис.

4. 1a, б). Напомним, что каждая цепь представляет собой линейный

полинуклеотид, состоящий из четырех азотистых оснований: аденина

(А), гуанина (G), тимина (Т) и цитозина (С)*. При формировании

двойной спирали ДНК А одной цепи всегда спаривается с Т другой, а

G — с С. Эти основания называются комплементарными. Принцип

селективности этой связи чрезвычайно прост и определяется принци-

* Азотистые основания в соединении с сахаром и фосфатом называются нук-

леотидами.

пом наличия свободного пространства. Дело в том, что спиральная

лестница ДНК зажата с двух сторон в ограничивающие ее «перила»,

состоящие из сахара (дезоксирибозы) и фосфатных групп. Пары А-Т

и G-С вписываются в «межперильное» пространство безукоризненно,

а вот любые другие пары вписаться просто не могут— не помещаются.

Так, по своим геометрическим размерам аденин и гуанин (длиной 12

ангстрем* каждый) значительно крупнее тимина и цитозина, длина

каждого из которых составляет 8 ангстрем. Расстояние же между «пе-

рилами» всюду одинаково и равно 20 ангстремам. Так что пары А-Т и

G-С неслучайны: их структура определяется как размером (одно ос-

нование должно быть маленьким, а другое — большим), так и хими-

ческим строением азотистых оснований. Очевидно, что две цепи ДНК

комплементарны друг другу.

Две цепи ДНК соединены друг с другом водородными связями,

объединяющими пары нуклеотидов. А спаривается с Т двойной водо-

родной связью, a G с С — тройной. Водородные связи относительно

непрочны; под воздействием определенных химических агентов они

легко как разрушаются, так и восстанавливаются. Американский гене-

тик Р. Левонтин, описывая природу связей в молекуле ДНК, предло-

жил удачный образ застежки-молнии, которая многократно расстеги-

вается и застегивается без каких-либо повреждений самой молекулы.

Особенности макромолекулярной структуры ДНК были открыты

американскими учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Согласно

разработанной ими трехмерной модели структуры ДНК, шаг спирали

ДНК составляет примерно 34 ангстрема, а каждый ее виток содержит

10 нуклеотидов, расположенных на расстоянии 18 ангстремов друг от

друга.

ДНК обладает свойством ковариантной редупликации, т.е. ее мо-

лекулы способны копировать сами себя с сохранением возникших в

них изменений. Это удвоение происходит в ходе процессов, которые

называются митозом и мейозом (см. гл. I). В процессе удвоения (репли-

кации) ДНК, который осуществляется с участием ферментов, двой-

ная спираль ДНК временно раскручивается, и происходит построе-

ние новой цепи ДНК (комплементарной старой).

Структура ДНК динамична: двойная спираль находится в посто-

янном движении. Самые быстрые из известных нам процессов, разво-

рачивающихся в ДНК, связаны с деформацией связей в каждой из ее

цепей; эти процессы занимают пикосекунды (10

-12

с). Разрушение и

создание связей между комплементарными основаниями — процессы

более медленные; они занимают от тысячной доли секунды до часа.

Одной из поразительных особенностей ядерной (хромосомной)

ДНК является то, что она — не простой набор множества генов. В ДНК

* Ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра.

высших организмов много последовательностей, которые ничего не

кодируют. В организме человека эти последовательности составляют

примерно 80-90% всей ядерной ДНК, так что кодирующие последо-

вательности — скорее исключение, чем правило. Некодирующие пос-

ледовательности ДНК служат удобным источником так называемых

полиморфных маркёров.

Малые ДНК. В клетках ядро является не единственным «местом» в орга-

низме, где можно найти ДНК. Митохондрии — органеллы, находящиеся не в

ядре клетки, как хромосомы, а в цитоплазме, тоже имеют собственную ДНК, но
в целом митохондриальной ДНК в клетке значительно меньше, чем ядерной.

В разных организмах количество митохондриальной ДНК не одинаково,

оно  изменяется  от  организма  к  организму.  Например,  митохондриальная  ДНК
человека  содержит  16 569 пар  нуклеотидов.  Несмотря  на  то  что  в  каждой
клетке  имеется  несколько  тысяч  митохондрий,  а  организм  высших  животных

построен  из  миллиардов  клеток,  митохондриальный  геном  каждой  конкрет-
ной  особи,  по-видимому,  одинаков  во  всех  ее  митохондриях.  Это  позволяет
использовать  митохондриальную  ДНК  в  популяционных  и  эволюционных  ге-

нетических исследованиях.

РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержится как в одно-, так и в

двуцепочечных молекулах. РНК отличается от ДНК тем, что она со-

держит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (U) вместо тимина.

В соответствии с функцией и структурными особенностями разли-

чают несколько видов молекул РНК, два из которых — матричная,

или информационная, РНК (мРНК, или иРНК) и транспортная РНК

(тРНК). Матричная РНК принимает участие в транскрипции гена,

транспортная — в его трансляции. Правильная «сборка» последова-

тельности аминокислот в белковую цепь происходит с помощью ри-

босом — специальных частиц в цитоплазме клеток; они содержат тре-

тью форму РНК — рибосомную РНК (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Этапы синтеза белка.

ТРАНСКРИПЦИЯ

При самокопировании ДНК каждая из ее цепочек играет роль

образца для создания дополнительной к ней цепочки. Подобным же

образом при образовании молекулы матричной РНК одна из цепочек

ДНК служит образцом для построения дополнительной к ней цепоч-

ки, но уже не из нуклеотидов ДНК, а из нуклеотидов РНК. Иными

Рис. 4.3. Транскрипция — копирование ДНК молекулой матричной РНК.

словами, последовательность нуклеотидов строящейся цепочки РНК

определяется последовательностью нуклеотидов молекулы ДНК.

Синтез молекулы мРНК по матрице ДНК называется процессом

транскрипции.

Молекула мРНК имеет одноцепочечную структуру. Механизм ее

образования подобен тому, который используется при репликации

(самокопировании) ДНК (рис. 4.3). После окончания транскрипции

мРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму клетки, перемещаясь к

рибосомам — «фабрикам» по производству белков. На рибосомах и

осуществляется синтез белков.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот. Ами-

нокислотами называются органические (карбоновые) кислоты, со-

держащие, как правило, одну или две аминогруппы (-NH

) и кис-

лотную группу СООН (отсюда и название — аминокислоты). Друг от

друга аминокислоты отличаются химической группой, называемой

радикалом (R).

В табл. 4.1 перечислены двадцать аминокислот, являющихся ос-

новным «строительным материалом» при создании белков. (Главные

аминокислоты распадаются на три класса в зависимости от природы

группы R: нейтральные (полярные и неполярные), т.е. не несущие

заряда в растворе; основные, положительно заряженные в растворе; и

кислотные, отрицательно заряженные в растворе.)

Белки синтезируются с помощью ферментов путем соединения

аминокислот так называемой пептидной связью: СООН-группа одной

молекулы аминокислоты присоединяется к NH

-группе другой (при

этом выделяется молекула воды). Данный процесс чрезвычайно сло-

жен, но его скорость удивительна — аминокислоты строятся в цепоч-

Таблица 4.1

Названия аминокислот и их краткое обозначение

Нейтральные

Неполярные

Полярные

Основные (+)

Кислотные (-)

Триптофан (Тrр)

Фенилаланин (Phe)

Глицин (Gly)

Аланин (Ala)

Валин (Val)

Изолейцин (Ilе)

Лейцин (Leu)

Метионин (Met)

Пролин (Pro)

Тирозин (Туr)

Серин (Ser)

Треонин (Thr)

Аспарагин

(Asn)

Глутамин

(Gln)

Цистеин (Cys)

Лизин (Lys)

Аргинин (Arg)

Гистидин

(His)

Глутаминовая

кислота (Glu)

Аспарагиновая

кислота (Asp)

ки полипептидов (белков) со скоростью примерно 100 аминокислот в

секунду. В среднем белки содержат 100-1000 аминокислот, и от того,

какова последовательность аминокислот в этих длинных цепях, зави-

сят структура и функция данного белка. Любая аминокислота одина-

ково хорошо соединяется с любой другой (в том числе и с такой же);

при этом взаимодействуют между собой одинаковые у всех аминокис-

лот группы атомов NH

и СООН. Благодаря этой способности амино-

кислот могут образовываться длиннейшие цепи.

Как же осуществляется синтез белков? Оказывается, что для опи-

сания строения конкретного белка достаточно указать последователь-

ность аминокислот: какая из них занимает первое место, какая —

второе, третье и т.д. Например, строение белка инсулина таково:

аланин — лизин — пролин — ... — лейцин — аланин ...

Последовательность нуклеотидов в ДНК, а затем и в мРНК опре-

деляет, какой должна быть последовательность аминокислот, т.е. ка-

ким будет строение данного белка. Одна цепь ДНК содержит инфор-

мацию о химическом строении значительного числа различных бел-

ков. Таким образом, последовательность оснований мРНК кодирует

последовательность аминокислот. Сведения о строении белков — это

«зерно» информации, передаваемой потомкам из поколения в поко-

ление; кодирование аминокислот нуклеотидами и называется коди-

рованием наследственной информации.

Всего существует 64 возможных тройки нуклеотидов (4

= 64), ко-

дирующих 20 аминокислот. Некоторые из нуклеотидных комбинаций

играют роль «дорожных знаков», регулирующих синтез белка (напри-

7-1432

Рис. 4.4. Трансляция мРНК (синтез белка).

1-4 — кодоны: метионина, лейцина, валина, тирозина; тРНК: 5 — отделилась от

аминокислоты (лейцина), присоединив ее к белковой цепи; б — молекула тРНК,

несущая валин, готова присоединить его к растущей белковой цепи; 7 — молекула

тРНК, несущая тирозин, подходит к мРНК, определяя кодом тирозина.

мер, кодируя стоп-сигнал — сигнал окончания транскрибированной

последовательности). При этом излишние комбинации нуклеотидов

могут либо вообще не использоваться при кодировании наследствен-

ной информации, либо служить дополнительными (синонимически-

ми) способами записи тех же самых аминокислот.

«Сборка» молекулы белка из аминокислот обеспечивается весьма

сложным механизмом, главным образом в рибосомах — особых орга-

неллах клетки, находящихся в цитоплазме. Рибосомы примерно напо-

ловину состоят из рибонуклеиновой кислоты (отсюда и их название).

Напомним, что в процессе транскрипции формируется мРНК,

которая комплементарна определенному участку ДНК. В ходе трансля-

ции нуклеотидная последовательность мРНК выступает как основа,

матрица для синтеза белка. «Считывание» последовательности мРНК

происходит группами по 3 нуклеотида. Каждая аминокислота соответ-

ствует определенному сочетанию трех оснований — так называемому

триплету (отсюда — триплетный код), или кодону.

«Сырье» (аминокислоты), необходимое для синтеза белка, нахо-

дится в цитоплазме. Доставка аминокислот к рибосомам (рис. 4.4) про-

изводится с помощью сравнительно небольших специальных молекул

транспортной РНК (тРНК). Небольшими эти молекулы, состоящие

примерно из сотни нуклеотидов, можно считать только по сравнению

с матричной РНК, состоящей из тысяч нуклеотидов.

Психогенетика - часть 6