Путешествие в генетику

Унаследует ли малыш голубой цвет глаз мамы, густые вьющиеся волосы папы или другие черты своих родственников? Подобные вопросы мучают практически всех будущих родителей и становятся особенно актуальными, если речь идет не только о внешней привлекательности, но и о здоровье ребенка. Оказывается, наследование того или иного признака и его передачу от поколения к поколению можно с различной долей вероятности спрогнозировать. Занимается этим наука медицинская генетика, которая представляет собой область знаний о наследственности и изменчивости человека. Основным предметом ее изучения являются, в первую очередь, генетические основы заболеваний человека.
Основы генетики (от греческого слова genos — происхождение) были заложены Г. Менделем (1822–1884 гг.), описавшим законы наследственности в своих известных экспериментах на горохе. Как ни странно, впоследствии оказалось, что главные закономерности наследственности, установленные для живых организмов (включая растительные), в полной мере справедливы и для человека. Это открытие во многом способствовало дальнейшему развитию медицинской генетики, в которой возможности использовать человека как объект генетических исследований, сильно ограничены. Как точно подметил ученый Н.К. Кольцов еще в 1923 году: «…мы не можем заставить Нежданову выйти за Шаляпина только для того, чтобы посмотреть, какие у них будут дети…». Современная генетика человека шагнула далеко вперед и изучает не только механизмы и закономерности наследственности и изменчивости, но и активно разрабатывает методы управления этими процессами.
Главные хранители
Носителями всей наследственной информации в живых организмах являются молекулы ДНК. ДНК (ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА) — высокополимерное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток. Молекула ДНК состоит из двух длинных нитей, закрученных одна вокруг другой в двойную спираль. Основная структурная единица каждой цепи — нуклеотид. В ДНК выделяют 4 вида нуклеотидов, различающиеся строением азотистого основания, входящего в их состав. Для краткости каждый нуклеотид обозначается русской или латинской заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: А (А) аденин, Г (G) гуанин, Ц (С) цитозин, в ДНК Т (Т) тимин. Сочетание трех подряд стоящих нуклеотидов в цепи ДНК составляет генетический код. Соответственно последовательность из трех букв, обозначающих тот или иной нуклеотид, представляет собой графическое выражение генетического кода. Чередование различных нуклеотидов позволяет создавать огромное количество вариантов генетических кодов, что позволяет, таким образом, хранить информацию о практически неограниченном количестве различных признаков. За каждый признак «отвечает» свой ген. Получается, что ген (от греческого слова genos — рождение) — элементарная единица наследственности, участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка.
ДНК, в которой заключена наследственная информация организма, входит в состав хромосом, являющихся структурными элементами ядра клетки. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Участок хромосомы, в котором локализирован ген, называется локусом. Каждая хромосома имеет специфическую форму и размер, что строго определено и специфично для каждого вида животного мира. Индивидуальный набор хромосом, который содержится в соматических (не половых) клетках организма, является кариотипом.
Кариотип человека состоит из 46 хромосом (23-х пар), из которых 44 хромосомы (22 пары) — это аутосомы, а последняя пара — половые хромосомы (определяют пол человека). В отличие от половых хромосом, аутосома всегда морфологически идентична своей парной хромосоме. Половые хромосомы бывают X и Y. Половые хромосомы женского организма (ХХ) одинаковы и определяют женский пол. Половые хромосомы мужского организма разные (ХУ), но именно такой набор определяет мужской пол. Соответственно женский кариотип обозначается 46ХХ, а мужской — 46ХУ.
Наследуем по правилам
Функции молекул ДНК связаны не только с хранением, но и с передачей генетической информации. Эта информация способна копироваться в процессе синтеза молекул ДНК в клетке. Принцип удвоения ДНК называется полуконсервативным, поскольку каждая из двух нитей молекулы, входящей в спираль, служит основой (матрицей) для синтеза новой нити. В результате на основе одной двухцепочечной молекулы появляются две одинаковые двухцепочечные молекулы, в каждой из которых одна цепочка является старой, а другая — вновь синтезированной. В норме ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и типа обмена веществ. Таким образом, наследственность — это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и свойства путем передачи наследственных факторов:

• особенностей строения;
• типов обмена веществ;
• психологических особенностей;
• типов индивидуального развития.
  

Основные закономерности наследования признаков родителей их потомками в условиях полового размножения были установлены Г. Менделем в 1866 г. в опытах при скрещивании гороха, а также мушек дрозофил. При анализе передачи генов оказалось, что признаки или особенности, имеющиеся у родителей, могут наследоваться: всеми потомками; только девочками или мальчиками; передаваться через поколение; проявляться через несколько поколений. Поэтому в генетику было введено два понятия: генотип и фенотип. Генотип — это совокупность всего генетического материала организма, а фенотип — совокупность наследуемых признаков. Поясним на примере. У женщины — карие глаза. Это один из ее фенотипических признаков. У нее рождается ребенок с голубым цветом глаз, как у мамы женщины (бабушки ребенка по материнской линии). Это возможно потому, что у женщины в генотипе содержится ген, отвечающий за голубой цвет глаз. Данный ген у женщины хранится в генотипе, не проявляясь, но при этом он может передаваться потомству.
Секрет заключается в том, что каждый ген существует в одной или нескольких альтернативных формах, которые называют аллелями. Аллельные гены занимают одинаковые локусы парных хромосом и отвечают за одну форму проявления признака. Аллельные гены принято обозначать одной и той же прописной или строчной буквой латинского алфавита, например, Аа, либо АА. При этом ген, который контролирует доминантный (проявляющийся) признак, обозначается заглавной буквой, а ген, отвечающий за рецессивный (не проявляющийся при наличии доминантного гена) признак, прописной буквой. В свою очередь гены, которые контролируют разные признаки организма, называются неаллельными и обозначаются разными буквами алфавита, например, Ав или АВ.
При составлении символической схемы наследования у человека принято делать обозначения генотипов родительского организма — P, их гамет (половых клеток — сперматозоидов и яйцеклеток, содержащих половинный набор хромосом) — G и появившегося потомства — F.

P (родители)
Aa x Aa
Генотипы мужчины и женщины содержат доминантный ген А и рецессивный ген а,
G (гаметы)
Сперматозоиды: ген A или a; яйцеклетки: ген A или a,
F (потомство)
AA (25%); 2Aa (всего 50%); aa (25%)
Потомство получает свой генотип в результате объединения генетического материала, содержащегося в яйцеклетке и сперматозоиде, поэтому оно с определенной долей вероятности может иметь генотип АА, Аа, аа. При этом, если ген А полностью доминирует над геном а, то 75% детей внешне будет иметь признак, контролирующийся геном А и только 25% детей будут иметь признак, за который отвечает ген а. В это время их мама и папа внешне имеют признак гена А.
Несколько отличаются принципы наследования генов, расположенных в половых хромосомах (то есть передающихся вместе с X и Y хромосомами). Такое наследование называется сцепленным с полом. Рассмотрим особенности наследования, сцепленного с полом, для семьи, в которой жена является носительницей гена дальтонизма (с) — нарушения цветового зрения, а муж — носитель нормального признака цветового зрения (С). Ген дальтонизма локализуется в Х-хромосоме, всегда передается только с ней и при этом является рецессивным. То есть при наличии в генотипе второй Х хромосомы (что бывает у женщин) заболевание не развивается.
P (родители)
XC Xc (женщина) x XC Y (мужчина)
G (гаметы)
яйцеклетки: XC, Xc; сперматозоиды: XC, Y
F (потомство)
девочки: XC XC (25%), XC Xc (25%); мальчики: XC Y(25%); Xc Y (25%)
Среди потомства все дети женского пола будут с нормальным восприятием цвета, тогда как у 50% мальчиков ожидается появление дальтонизма. Таким образом, если ген дальтонизма есть у матери, то она передает его с равной вероятностью детям обоего пола, но так как у девочек есть ген-носитель нормального признака цветового зрения во второй Х хромосоме (доставшейся от отца), то они не болеют, а страдают мальчики. В свою очередь, отец передает ген дальтонизма только дочерям, а сыновья остаются здоровыми.

Изменяемся по законам
Наряду с наследственностью все живые организмы обладают также свойством, которое обозначают термином «изменчивость». Изменчивость — это способность организма приобретать новые состояния генотипа и фенотипа. Под влиянием различных факторов среды признак может измениться, но при этом не будет отмечаться нарушения генетического материала. Такой процесс, который не наследуется, называется фенотипической изменчивостью. От поколения к поколению передается только генетическая изменчивость.
Важнейшим свойством генов является их высокая устойчивость к изменчивости. Однако нарушения последовательности нуклеотидов в цепи ДНК все-таки происходят, что приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям. Мутация — наследственное изменение генотипа, основа наследственной изменчивости и естественного отбора (без нее все особи в живой природе были бы одинаковыми). Нарушения наследственного материала обычно происходят на уровне гена, который в этом случае называют мутантным. Среди мутаций нередки и такие, которые приводят к изменению числа хромосом в составе кариотипа, а также изменению структуры хромосом.
Фактор, который привел к мутации, считается мутагеном. В зависимости от природы внешние мутагены делят на физические, химические и биологические: ионизирующее, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, соли тяжелых металлов, полимеры, вирусы и т.д. Изменения в генах, возникающие без видимой причины, называются спонтанными. Это означает, что даже у здоровых людей не исключено появление половых клеток, содержащих мутантные гены. Генетические изменения могут проявляться внешне или быть скрытыми, а потом незаметно передаваться в другое поколение.
Мутация может стать причиной заболевания, которое в этом случае называется наследственным. В настоящее время известно более 5000 генетически обусловленных заболеваний и по статистике около 5% детей рождаются с тем или иным генетическим дефектом. Предотвратить появление наследственных болезней призвано медико-генетическое консультирование. Актуальность его в последние годы во многом связана с достижениями медицинской генетики. В настоящее время они позволяют не только предупреждать рождение больного ребенка в семье с наследственной патологией, но проводить генную терапию — лечение самых разнообразных, в том числе наследственных, болезней с помощью введения больному нормальных генов, играющих ключевую роль в развитии соответствующих заболеваний. В это трудно поверить, потому что это похоже на фантастику. Хотя… генетика — это и есть фантастика!