2.6.Явление полиморфизма

Полиморфизм – это локальные изменения в нуклеотидной последовательности ДНК в пределах генома у индивидуумов в популяции. Эти изменения могут встречаться, как внутри смысловых (внутри экзонов), так и вне смысловых

29

(например, в интронах и др.) нуклеотидных последовательностях ДНК. Так ген CCR5 у подавляющего числа людей имеет строго определённую последовательность нуклеотидов. В Европе таких людей около 92 %. Но, примерно, у 8 % населения в этом гене имеется мутация (выпало несколько нуклеотидов), которая привела к укорочению гена. Люди с укороченным геном не болеют иммунодефицитом человека (СПИД).

Известны различные типы полиморфизма, но наиболее распространённым является однонуклеотидный полиморфизм (ОНП), когда варианты последовательностей ДНК у разных людей различаются по одной паре нуклеотидов (рис. 16). Эти варианты встречаются на протяжении всего генома – в экзонах, интронах, регуляторных элементах, повторах и т.д. Подсчитано, что в геноме человека примерно 3 млн пар нуклеотидов должны быть вариабельными. ОНП возникают в результате мутаций, которые связаны с заменой одного нуклеотида у человека на другой. Важно то, что такие мутации не приводят к гибели индивидуума, а потому чаще всего закрепляются в геноме человека. Отсюда важный вывод – ОНП чаще встречается в избыточной ДНК (99 %), функционально не активной, т.к. мутации в ней в большинстве своём не приводят к их элиминации за счёт гибели особи.

А А А Т Т Г Г Ц А Ц Ц Т Т Г

А А А Т Т Ц Г Ц А Ц Ц Г Т Г

Рис. 16. Однонуклеотидный полиморфизм у двух индивидуумов (однонуклеотидные различия в геномных последовательностях выделены четырёхугольниками). На рисунке показана одна нить ДНК

Исследования показали, что однонуклеотидные различия обнаруживаются с частотой 1-2 на 1000 – 2000 нуклеотидов. На всю длину генома (3,2 млрд пар нуклеотидов) должно быть 1,2 – 3,2 млн ОНП. Отсюда два человека на 99,9 % идентичны по нуклеотидным последовательностям, т.е. только 0,1% различий по одному нуклеотиду создаёт огромные фенотипические вариации среди людей.

Предполагают, что различия по одному основанию между определёнными отрезками генов лежат не только в основе генных болезней, но и в основе чувст- вительности или устойчивости к патогенам. Оказалось, что около 93 % генов со-

30

держат ОНП. Сравнение частот определённых типов ОНП у пациентов и в контрольных группах позволяет идентифицировать ОНП, с которыми ассоциируется заболевание. В настоящее время составляются карты ОНП, что позволит выяснить вклад отдельных различий в возникновение, течение и тяжесть заболевания.

Предполагается, что имеется около 3 млн ОНП. Поэтому было предложено разделить их по группам. В одну группу объединяют рядом лежащие ОНП генома. Такие наследуемые вместе группы ОНП получили название – гаплотипы. Оказалось, что гаплотипы можно выделить в отдельных генах. Причём число их может колебаться в одном и том же гене от единиц (у Иванова) до десятков (у Петрова). Иными словами в человеческой популяции существуют вариации генов по гаплотипам. Математический расчёт показал, что каждый ген человека в среднем может иметь в популяции около 14 вариаций. Если у человека около 35 тысяч генов, с которых транскрибируется иРНК, следовательно, имеется 400 – 500 тысяч их вариаций.

В последнее время накапливаются данные о том, что полиморфизм ДНК Х-хромосомы отмечается реже, чем для ДНК аутосом. Это свидетельствует о том, что Х-хромосома намного более консервативна в эволюции.

Наиболее простой пример полиморфного признака у человека – система группы крови. Высокий уровень полиморфизма выявлен в генах, контролирующих синтез многих сывороточных белков, ферментов плазмы крови, эритроцитов и лейкоцитов. Сравнивая профили (расположение) ОНП в группе больных и здоровых лиц, можно установить предрасположенность человека к тому или иному заболеванию, особенности его метаболизма, поведение лекарств в организме.

Полиморфизм генома для человека чаще всего не оказывает существенного влияния на жизнедеятельность особи. Однако изменения в целом ряде генов, не проявляющиеся в нормальных условиях существования индивидуума, могут реализоваться в какую-либо патологию при изменении среды обитания. Гены, на проявление которых влияют условия существования индивидуума, его образ жизни получили название «гены предрасположенности». Достаточно часто изменения в гене могут касаться только одного нуклеотида. Уже известны гены предрасположенности к сердечно-сосудистым заболеваниям, атеросклерозу, раку, наркомании, алкоголизму и др.

Резюме. Геном – это весь генетический материал вируса, бактерии, эукариотической клетки, организма. Геномика – наука, изучающая строение и функцию генома. Геном содержит следующие сегменты ДНК: гены, регуляторные элементы, копии генов, псевдогены, прямые и обратные повторы, повторяющиеся последовательности, полиморфные структуры, локальные изменения ДНК (полиморфизм ДНК), транспозоны и некоторые другие. Псевдогены и локальные изменения внутри генов формируются в результате мутаций. Прямые и обратные повторы изменяют вторичную структуру ДНК. Транспозоны – сегменты ДНК с определённой структурой, способные перемещаться по геному. Однонуклеотидный полиморфизм – различия в геномах по одной паре нуклеотидов – характерен для генома различных людей.

31

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО

МАТЕРИАЛА. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ЕГО СВОЙСТВА

1. Общие представления о матричном принципе передачи информации

Первые представители живого на Земле скорее всего жили недолго – окружающая среда была достаточно агрессивной, а системы защиты ещё не были способны эффективно ей противостоять. Поэтому можно считать вполне закономерным формирование в эволюции механизмов, направленных на длительное сохранение возникших в первичном океане органических веществ. Сейчас мы уже не узнаем по каким конкретно путям осуществлялась конструкция механизмов, обеспечивающих сохранение жизни на Земле. Скорее всего, в эволюции апробировались несколько вариантов. Часть из них были забракованы, а некоторые сохранились и, постоянно усовершенствуясь, сохранились до наших дней.

К последним можно отнести механизмы, в основе которых лежит создание некоторых органических молекул в соответствии с заранее намеченным планом. Это уже был не прежний способ формирования органических молекул за счёт случайной встречи активных соединений в благоприятных (а потому немногочисленных) местах Мирового океана. Новый способ включал механизмы, которые по заранее намеченному плану воспроизводили информацию в структуру органических молекул. При наличии определённых условий и ингредиентов этот процесс способен был в короткое время воспроизвести громадное число полимеров. Имеются свидетельства, что самой первой воспроизводящей молекулой была РНК. Эта функция РНК сохранилась и до наших дней: короткие молекулы РНК могут синтезироваться на РНК-матрице в ходе чисто химических реакций, без участия каких-либо ферментов. С появлением и совершенствованием полипептидов, способствующих репликации РНК, образовались примитивные белки, которые катализировали образование на РНК первых молекул ДНК. Эволюционное усовершенствование новых молекул привело к тому, что они по целому ряду физико-химических свойств оказались намного эффективнее других молекул в сфере воспроизводства.

Не будем обсуждать вопрос, почему природа поскупилась на создание механизмов, обеспечивающих воспроизведение всех содержащихся в организме высокомолекулярных веществ – белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и т.д. Созданные механизмы были предназначены для воспроизведения всего 3 типов молекул – молекул ДНК, РНК и белков. Причём ДНК воспроизводила сама себя, РНК синтезировалась на ДНК и затем участвовала в синтезе белка.

В любом случае между нуклеиновыми кислотами и белками произошло своеобразное разделение функций. Нуклеиновые кислоты хранили и передавали информацию белкам, а белки осуществляли фенотипическое выражение этой информации (через реакции метаболизма). Принцип, по которому поток информации передаётся от ДНК через РНК на белок, имеет в биологии специальное название – «центральная догма биологии» (рис. 17).

32

В настоящее время центральная догма биологии претерпела существенные изменения. Исследования показали, что поток информации может осуществляться не только в направлении ДНК-РНК-белок, но и в других направлениях (см. рис. 17).

Например, при размножении вируса в клетке человека на вирусной РНК с участием фермента обратной транскриптазы происходит синтез ДНК. О син-

тезе на РНК молекул других РНК мы уже писали выше.

Стоит упомянуть об открытых недавно белковых инфекционных частицах – прионах. Они вызывают такие заболевания как «коровье бешенство». Проникая в клетку, прионы «навязывают» свою структуру нормальным клеточным белкам-аналогам. Последние приобретают свойства приона, что приводит к быстрому развитию заболевания. В этом случае информация передаётся от белка к белку, что также не предусмотрено центральной догмой.

Принцип сохранения жизни на Земле путём самовоспроизведения оказался настолько эффективным, что был закреплён практически у всех живущих на земле организмов и получил название – матричный. Появление этого принципа, скорее всего, было связано с двумя уникальными химическими свойствами нуклеотидов, которые были подтверждены в экспериментальных условиях.

1. Нуклеотиды в водном растворе спонтанно соединятся друг с другом в линейные полинуклеотидные цепочки.

2. Сформировавшаяся полинуклеотидная цепочка способна спонтанно формировать другую параллельную с ней дочернюю цепочку за счёт присоединения нуклеотидов из раствора (см. рис. 18).

Вышеперечисленные свойства нуклеотидов во многом определяются уникальной химической структурой и связями между составляющими элементами.

Резюме. Центральная догма биологии заключается в утверждении, что генетическая информация передаётся с молекулы ДНК на РНК, а с неё на белок. Обратный процесс возможен только с РНК на ДНК и с РНК на РНК.

2. Основные свойства и функции наследственного материала

Мы не случайно подробно остановились на матричном принципе передачи информации. Все другие многочисленные свойства, присущие наследственному материалу, практически являются отражением этой главной характеристики генетического материала. Важно отметить, что перевести информацию из одной биологической системы в другую можно различными путями, например, при помощи электромагнитных волн, электрического сигнала и т.д. В системах, функционирующих по матричному принципу, информация передаётся путём синтеза на молекуле, несущей информацию, других молекул, в структуре которых воспроизводится эта информация. Это воспроизведение основано на принципе комплементарности (см. ранее). Синтезированные таким путём дочерние молекулы по химическому строению могут быть трёх типов: идентичные матричным, родственные им и совершенно иными.

Идентичными дочерними молекулами считаются такие, которые сходны по химическому строению с молекулой, которая была матрицей во время синтеза.

33

Репликация Транскрипция Трансляция

Р Н К

Обратная транскрипция

Репликация РНК

Рис. 17. Схема информационных потоков между ДНК, РНК и белками. Движение информации от белка к ДНК и от белка к РНК не выявлено

Одноцепочечный полинуклеотид Двухцепочечный полинуклеотид

Спонтанное

образование

Свободные нуклеотиды второй нити

Рис. 18. Спонтанная полимеризация нуклеотидов в одноцепочечный и двухцепочечный полинуклеотид

В этом случае обе молекулы (и матричная и дочерняя) относятся к одному классу или обе молекулы являются ДНК, или обе молекулы – РНК. Если же на молекуле ДНК синтезируется РНК, то последняя является родственной матричной молекуле ДНК. И, наконец, синтезированные белки будут совершенно отличаться по химической структуре от молекулы ДНК, в которой хранилась ин-

34

формация об их структуре. В соответствии с этим процессы, обеспечивающие синтез различных типов молекул, также подразделяют на три типа.

1. Репликация – воспроизведение информации путём синтеза на одной молекуле её копии – ДНК на ДНК или РНК на РНК. Вновь синтезированная молекула называется дочерней и полностью идентична материнской (или матричной молекуле). Синонимы репликации – ауторепликация, редупликация, ауторедупликация, авторепродукция, самовоспроизведение, самокопирование и т.д.

Процесс репликации ДНК у человека осуществляется в ядре и митохондриях клетки. У вирусов он осуществляется в ядре клетки-хозяина. Репликация молекул нуклеиновых кислот может быть двух типов – репликация ДНК и репликация РНК (рис. 19). Репликация РНК ограничена узким кругом РНК содержащих вирусов. К таким вирусам относится, например, всем известный вирус гриппа.

2. Транскрипция – передача информации с одной нити ДНК на родственную ей нить РНК. Этот процесс осуществляется путём синтеза молекулы РНК на матрице (одной нити) ДНК. Синтез всех видов РНК осуществляется в ядре или митохондриях.

3. Трансляция – перевод информации с иРНК на структуру белка в результате матричного синтеза. Синтез белка осуществляется в цитоплазме, на ЭПС и в митохондриях.

Перечисленные процессы обеспечивают три важных свойства наследственного материала – воспроизведение информации (репликация), передачу информации (транскрипция) и реализацию информации (трансляцию). В любом случае все перечисленные свойства реализуются одним путём – за счёт синтеза на матричных молекулах других молекул. Такая общность трёх процессов позволяет разбить их на три одинаковых этапа.

1. Инициация – подготовительный этап.

1. Элонгация – синтез дочерних молекул, РНК или полипептида.

2. Терминация – окончание синтеза.

Следует подчеркнуть, что наследственный материал имеет ещё несколько важных свойств, без которых живые существа имели бы мало шансов на выживание. К ним относятся – способность наследственных структур записывать, сохранять и изменять имеющуюся информацию.

Запись информации осуществляется на основе генетического кода. Тройка нуклеотидов в ДНК шифрует определённые аминокислоты, а последовательность их расположения в ДНК определяет последовательность аминокислот в белке.

Правильное сохранение информации в ДНК обеспечивается процессом репарации и коррекции репликации. Возникшие повреждения в ДНК и ошибки в генетическом кодировании «ремонтируются» специальными системами.

Изменение информации. Это свойство обеспечивает создание различных вариантов генома организмов, что открывает широкие возможности для создания в эволюции новых адаптационных вариантов. В основе этого свойства лежат различные механизмы – генетическая рекомбинация, мутагенез и т.д.

35