Павел Бородин - Кошки и гены

Сколько их - генов у кошки?

Двадцать лет назад я считал, что у кошки 50 000 генов. И был неправ. Тогда генетики сильно переоценивали количество генов у млекопитающих. При этом оценка в 50 000 считалась очень низкой. Многие говорили о 150 000 генов. Разочарование пришло после расшифровки генома человека. Оказалось, что у человека всего около 30 тысяч генов, кодирующих белки. Это гораздо меньше, чем ожидалось.

Когда были расшифрованы геномы других организмов, таких как нематода и плодовая мушка дрозофила, оказалось, что у человека не просто мало, но оскорбительно мало генов: всего в полтора раз больше, чем у нематоды и в два раза больше, чем у дрозофилы. В 2007 году появились первые результаты расшифровки генома кошки. Пока расшифровано примерно 65% кошачьих генов. Сравнение последовательности нуклеотидов в геноме кошки с хорошо исследованными геномами человека, шимпанзе, собаки, коровы, мыши и крысы позволило выявить у кошки 20285 генов. Следовательно, общее число генов кошки, по- видимому, равно числу генов человека - 30 000.

Нужно помнить, однако, что речь здесь идет о генах в традиционном понимании этого слова: то есть об участках ДНК, которые кодируют белки. Применение методов молекулярной генетики к анализу хромосом показало, что они содержат огромное количество многократно повторенных и, по-видимому, не кодирующих белки последовательностей ДНК.

Вы, конечно, знаете, что гены, не болтаются в клетках по отдельности, но организованы в хромосомы.

У кошки 19 пар хромосом. Мы говорили с вами о том, что для обеспечения надежности у всех высших организмов каждый ген представлен как минимум в двух экземплярах, а поскольку гены организованы в хромосомы, то, следовательно, и каждая хромосома должна быть в двух экземплярах. Хромосомы, несущие аллели одних и тех же генов, называются гомологичными хромосомами, или гомологами.

Хромосомы - это сложные комплексы ДНК с различными белками, которые служат для упаковки ДНК. Эти белки выполняют функцию регуляции активности генов: закрывают и плотно упаковывают те гены, которые не должны считываться в данной клетке [зачем нервной клетке печеночные белки?], и наоборот, открывают для считывания те гены, которые несут информацию о строении белков, нужных данной клетке в данный момент.

Плотно упакованные участки легко отличить от свободно лежащих при специфическом окрашивании гистологическими красителями. Поскольку в разных хромосомах находятся разные гены, то и окрашиваются разные хромосомы по-разному. Кроме того, хромосомы отличаются друг от друга по количеству находящихся в них генов, то есть по количеству ДНК, что находит свое цитологическое выражение в разных размерах хромосом.

Легко заметить, что каждая пара, гомологичных хромосом имеет совершенно специфичный рисунок полос. Именно по этому рисунку ее легко отличить от остальных. Вы видите, что каждая хромосома представлена в двух экземплярах. У кошек каждой отдельной хромосоме вы можете найти ее пару. У котов 18 хромосом имеют гомологов, а еще две хромосомы оказываются разными и по размеру, и по характеру полосатости. Это так называемые половые хромосомы. У самок они одинаковые — гомологичные — и называются Х-хромосомами, а у самцов разные. Одна из них Х-хромосома, а другая, гораздо меньшего размера, — Y-хромосома. О роли половых хромосом в определении пола мы поговорим позже. Сейчас же отметим, что остальные хромосомы, кроме половых, называются аутосомами.

Получение наибольшего количества полос, выявление более мелких полос в пределах более крупных позволяет повысить надежность идентификации не только отдельных хромосом, но и районов внутри хромосом. Последнее очень важно, поскольку дает возможность следить за судьбой этих районов при их перемещении по кариотипу (так называется хромосомный набор] в ходе эволюции. Сама эта работа — получение максимальной полосатости — во многом остается искусством. Поэтому тот, кто получит больше полос, считает себя чемпионом и очень этими полосами гордится.

Довольно любопытно было бы узнать, в какой хромосоме и в каком участке ее находится тот или иной ген. Оставим пока в стороне вопрос, зачем нам это знать. (Я вообще считаю этот вопрос глупым. Что значит, зачем знать? Затем, что это неизвестно!]. Разберемся сначала с тем, как это можно узнать.

По распределению полос вы можете легко опознать конкретные хромосомы в гибридных клетках. Например, в клеточных гибридах хомяка с кошкой. Нет, конечно, кошку с хомяком никто не скрещивал. Речь идет именно о клеточных гибридах. Как их получить? Нужно взять культуры фибробластов (активно делящихся клеток соединительной ткани) обоих видов и смешать их. Существуют методы, облегчающие слияние этих клеток друг с другом. Из этого слияния и получаются гибриды клеток, содержащие хромосомы обоих видов: кошки и хомяка. В процессе клеточных делений при культивировании гибридных клеток в питательной среде происходит постепенная утеря тех или иных хромосом. Чьи (кошачьи или хомячьи) и какие именно (первая, вторая или десятая) хромосомы теряются, мы можем установить по специфическому рисунку полосатости оставшихся хромосом.

Что это дает для решения задачи картирования? Допустим, мы обнаружили, что в гибридном клоне №1232 (клоном мы называем группу клеток, которая возникла в результате деления одной- единственной клетки) утеряна Л1-хромосома кошки. Проведя биохимический анализ клеток этого клона, мы установили, что в них присутствует только хомячий вариант фермента эстеразы D, а кошачий утерян. Тогда логично сделать вывод, что именно в Al- хромосоме локализован ген, кодирующий структуру этого фермента.

В последнее время получил распространение и другой подход к картированию. Были выделены или искусственно синтезированы фрагменты ДНК, соответствующие тем или иным генам. Показано, что гены, выполняющие одинаковые функции у разных видов, имеют идентичную или чрезвычайно сходную последовательность оснований в ДНК. Такие гены называют гомологичными. Как можно проверить гомологию двух фрагментов ДНК? Довольно просто. Нам не нужно расшифровывать последовательность каждого' из них. Если последовательности гомологичны, то они в подходящих условиях будут гибридизоваться друг с другом: образовывать двойную спираль гибридной молекулы ДНК. Более того, оказалось, что эти фрагменты могут гибридизоваться и с гомологичными участками ДНК в фиксированных хромосомах прямо на предметном стекле. Именно на этой особенности базируется метод картирования хромосом гибридизацией с генами, мечеными радиоактивными изотопами.