Узнай о своих генах. Азбука для небиологов - Эррол К. Фридберг

Организация двух нитей ДНК такова, что основание А в одной нити ДНК всегда спарено с основанием Т в противоположной нити, а основание G всегда спарено с основанием С. Например, если одна из нитей ДНК содержит последовательность нуклеотидов

ATCTGTTTTACGC,

в противоположной нити ДНК всегда будет последовательность

TTTAAGACAATGCG.

Каждую отдельную пару оснований на противоположных нитях ДНК (например А—Т или G—С) называют парой оснований. Ширина пары основания А—Т и G—С идентична. Будь это не так, ширина молекулы ДНК менялась бы случайным образом от одного основания к другому. Представьте себе, какой шаткой будет лестница, если у нее все ступени разной ширины. Это и объясняет, почему основание А всегда напротив основания Т в другой нити, а основание С всегда напротив основания G в другой нити.

У вас может возникнуть вопрос, сколько же всего пар оснований (А—Т и G—С) входит в целый геном человека. Представьте себе: 3,3 миллиарда, из которых всего 2 % непосредственно кодируют белки. Из остальных пар около 25 % составляют другие гены и их регуляторные элементы. Хотите верьте, хотите нет, но в 2018 году, через 65 лет после описания структуры ДНК Уотсоном и Криком, функции (функция) остальных оснований по-прежнему неизвестны. Высказывают предположение, что некоторая их часть может быть лишней информацией, доставшейся нам от эволюционного прошлого.

Глава 5

Хромосомы и репликация ДНК

Точное число генов в геноме человека (это понятие описывает полный набор генов) неизвестно, поскольку сосчитать их трудно. В настоящее время считается, что число известных генов человека, несущих информационный код для воспроизведения белков, составляет примерно 20 000. Другие гены регулируют те гены, которые кодируют белки. Однако общее число генов, информирующих клетку о том, какие белки ей производить, вместе с известными генами, которые регулируют эту функцию, составляет всего 2 % от всей ДНК в клетке. До сих пор нам неведома функция остальных участков ДНК в наших клетках! Совершенно очевидно, что мы еще многого не знаем о ДНК.

Как уже говорилось выше, ДНК присутствует в структурах под названием «хромосомы», расположенных в ядрах примерно 37,2 триллионов клеток нашего организма. Каждая клетка из этих 37 с лишним триллионов содержит 46 хромосом, организованных в 23 пары (рис. 5.1). Эти 23 пары хромосом содержат по две копии каждого из ваших генов: один из них, унаследованный от матери, – в одной из спаренных хромосом и еще один, унаследованный от отца, – в другом члене пары.

В среднем в одной хромосоме содержится столько ДНК, что, если ее растянуть, она будет длиной 5 см! Подсчитано, что суммарная длина ДНК одного человека с его 37 триллионами клеток эквивалентна чуть ли не 70 расстояниям от Земли до Солнца и обратно. Представьте себе это, если сможете. Неудивительно, что ДНК в каждой хромосоме упакована исключительно плотно.

Сперматозоиды у мужчин и яйцеклетки у женщин, называемые половыми клетками, содержат в два раза меньше хромосом – 23 непарные хромосомы, и всего по одной копии каждого гена. После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом она приобретает все 46 хромосом. По мере созревания плода снова появляются половые клетки с половиной исходного количества генетической информации.

Рис. 5.1. Хромосомы можно выделить из клеточных ядер и, рассматривая их под микроскопом, сосчитать, спарить и пронумеровать. Две голубые хромосомы – это пара

Возникает вопрос, почему в половых клетках (сперматозоиды и яйцеклетки) происходит уменьшение хромосомного содержания вдвое, – сложный процесс, получивший название «мейоз». Если бы наши половые клетки, как и все остальные клетки, содержали 46 хромосом, то каждый раз при оплодотворении женской клетки мужской число хромосом удваивалось бы и после всего нескольких поколений ранний эмбрион содержал бы клетки с гигантским числом хромосом, что привело бы к колоссальной генетической катастрофе! Мудрая Природа-мать во избежание подобной катастрофы придумала процесс мейоза.

Во время мейоза, кроме сокращения числа хромосом, генерируются новые комбинации ДНКК в каждой из четырех дочерних клеток, которые создаются во время этого процесса. Эти новые комбинации возникают в результате обмена ДНК между парными хромосомами, по одной от каждого родителя. Как следствие этого обмена, зародышевые клетки (сперматозоиды мужчины и яйцеклетки женщины), созданные во время мейоза, приобретают огромный диапазон генетических вариантов. Вот почему потомки, хоть генетически и похожие на своих родителей, все же генетически отличаются от каждого родителя.

* * *

Когда оплодотворенное яйцо вырастает и образуется эмбрион, клетки делятся в процессе, который называется «митоз» и который отличается от мейоза тем, что генетический материал не реорганизуется, как это происходит во время мейоза. Во время митоза делится отдельная клетка, создавая две идентичные клетки, что в конце концов приводит к полностью сформированному эмбриону. То, что эмбрион в итоге состоит из клеток разных типов с различными функциями (клетки мозга, сердца, печени, мышечные клетки и т. д.), является следствием абсолютно разных биологических событий, не имеющих отношения к генам. Митоз не приводит к изменениям в геноме. Он происходит, когда клетки в тканях и органах растут и размножаются в результате деления, создавая таким образом две идентичные дочерние клетки, например, во время роста от стадии полностью сформированного эмбриона до стадии младенца к моменту его рождения или у взрослых при заживлении ран. Во время митоза новые молекулы ДНК синтезируются из предшественников четырех оснований А, Т, G и С, которые встраиваются в новые цепочки ДНК под действием фермента под названием «ДНК-полимераза», что облегчает точное расположение А напротив Т, а G напротив С; этот процесс называется репликацией ДНК (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Во время репликации ДНК двунитевая ДНК (в верхней части рисунка) «расстегивается» и разворачивается и каждая отдельная нить (бирюзового цвета) становится матрицей для репликации новой парной нити (зеленого цвета). Основания сочетаются таким образом, что основание АА расположено всегда напротив основания Т в парной нити ДНК, а основание G – всегда напротив основания С

Как видно на рисунке, конечный результат репликации ДНК – это молекула новой двунитевой ДНК с составом оснований и порядком их расположения, идентичными исходной молекуле ДНК. Удивительно, что задолго до открытия фермента ДНК-полимеразы заключительное предложение знаменитой статьи Уотсона и Крика о структуре ДНК, напечатанной в журнале Nature 25 апреля 1953 года, являлось пророческим высказыванием: