Андрей Шляхов - Генетика на пальцах

Если изменяется код, то изменяется и кодируемый им признак! Иначе быть не может. Но мутация гена может не отразиться на фенотипе, то есть не проявиться в признаке, если действие мутировавшего гена будет подавлено парным геном из гомологичной хромосомы или если изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций.

Вы можете сейчас удивиться: каким образом изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций? Ведь химия учит, что любое изменение молекулы приводит к превращению одного вещества в другое. «Одна молекула – одно вещество» – на этом краеугольном камне стоит вся химическая наука.

Да, это так. Уберите из молекулы или добавьте в нее один атом, поменяйте местами одинарную и двойную связь – и вы получите новое вещество. Но дело в том, что белковые молекулы огромны и разные их участки (разные аминокислоты) различаются по своей значимости, по своим «полномочиям», точно так же как различаются детали автомобиля. Без фары или бампера автомобиль ехать может, а без двигателя или колеса – нет. Отсутствие одной аминокислоты или замена ее на другую может отразиться на функции белка, а может и не отразиться.

Так, например, замена глутаминовой кислоты на валин в молекуле глобина (белковой части гемоглобина, осуществляющего транспорт кислорода в крови) приводит к катастрофическим, без преувеличения, последствиям.

Структурная формула глутаминовой кислоты

Структурная формула валина

Гемоглобин начинает хуже связывать (а стало быть, и переносить) кислород. Эритроциты, в которых содержится гемоглобин, становятся непрочными и легко разрушаются. Вследствие замены одной из ста сорока шести аминокислот на другую развивается тяжелое заболевание – серповидноклеточная анемия. Серповидноклеточной ее назвали, потому что эритроциты с измененным гемоглобином имеют форму серпа.

Сравните структурные формулы валина и глутаминовой кислоты. Не такая уж и большая между ними разница, верно? И меняется всего одна аминокислота из ста сорока шести! И такие последствия…

Мутации, которые изменяют структуру хромосом, называются хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями, а то и просто хромосомными мутациями.

Хромосомные аберрации подразделяются на:

– транслокации – обмен сегментами между двумя негомологичными хромосомами;

– делеции – выпадение участка хромосомы;

– дупликации – повторение участка хромосомы, возникающее в результате неравного кроссинговера или самовоспроизведения какого-то фрагмента хромосомы; «самовоспроизведение» – это не опечатка, в молекулах ДНК существуют элементы, которые могут самовоспроизводиться, они называются транспозонами; разновидностью дупликации является амплификация – многократное повторение участка хромосомы, о которой мы поговорим особо, потому что она имеет важное практическое значение;

– инверсии – поворот отдельных участков хромосом на 180°;

Делеция

Дупликация

Инверсия

– кольцевые хромосомы, возникающие при разрывах в обоих плечах одной хромосомы, концевые фрагменты при этом теряются, а центральная часть хромосомы замыкается в кольцо;

Образование кольцевой хромосомы

– изохромосомы, образующиеся при поперечном, а не продольном делении центромеры в мейозе; вместо одного из плеч изохромосома обладает удвоенным вторым плечом.

Образование изохромосомы

Изменение числа хромосом правильнее считать не хромосомной, а геномной мутацией, поскольку она носит более глобальный характер, чем изменение одной хромосомы. Чаще всего наблюдается увеличение на одну хромосому (трисомия) или уменьшение на одну (моносомия).

Согласно принятой в наше время номенклатуре хромосомы нумеруются от 1 до 23 по мере убывания их длины. 23-я пара – это половые хромосомы. Изменение числа крупных хромосом приводит к гибели организма, а количественные изменения малых хромосом (начиная с 16-й пары) и половых X– и Y-хромосом совместимы с жизнью, но сопровождаются различными дефектами развития.

Разбирая репликацию молекул ДНК, мы с вами не рассмотрели амплификацию – процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК. Как правило, амплификация происходит на участках, содержащих гены, а не на «мусорных» участках. Хотя, возможно, на амплификации «мусорных» участков обращается меньше внимания, поскольку они никак себя не проявляют.

Амплификация – явление нежелательное, вредное. Лишние гены наносят вред организму. В лучшем случае ухудшится «обслуживание» хромосом подобно тому, как ухудшается оно при наличии дополнительной хромосомы. В худшем случае амплификация может привести к развитию онкологических заболеваний. В генетике не принято говорить «много – не мало» или «запас карман не тянет». Наследственной информации должно быть ровно столько, сколько ее должно быть.

Однако «в пробирке», то есть вне живого организма, амплификация используется очень широко. Просто невозможно представить, что бы делали генетики без амплификации.

Допустим, что вы криминалист-генетик, которому принесли на экспертизу пиджак с микроскопическим пятнышком крови на рукаве. Пятнышко давнее, да к тому же от него усердно пытались избавиться – замывали, обрабатывали какими-то химикатами. Вам удалось выделить из крови ДНК, но совсем чуть-чуть, буквально считанные молекулы. А вам предстоит масштабный поиск, в ходе которого придется сравнивать полученный образец с множеством образцов ДНК других людей, счет которым может идти на сотни. Кроме того, вам нужно отправить образец выделенной ДНК в центральную структуру, которая также будет вести поиск, и еще отправить образец в архив ДНК.

Или допустим, что вы генный инженер. Вам повезло, удалось получить ценный материал, какую-то уникальную ДНК, которую вы должны «пересадить» в клетки пшеницы, и тогда эта пшеница будет давать невероятное количество урожая. Только вот у вас этой уникальной ДНК буквально кот наплакал, а для пересадки нужно как минимум в тысячу раз больше.