ДНК и гены
Генетический код — инструкция, по которой строится и работает тело.
Что такое ДНК
ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — это молекула, в которой записана полная инструкция по строительству и работе живого организма. Если сравнить клетку с заводом, то ДНК — это главный архив с чертежами: в нём хранится информация о том, какие белки производить, когда и в каком количестве. Без этой инструкции клетка не знала бы, чем ей быть — нейроном, клеткой кожи или клеткой крови.
Молекула ДНК устроена как двойная спираль — две длинные цепочки, закрученные вокруг общей оси, как витая лестница. Перила этой лестницы — чередующиеся молекулы сахара (дезоксирибозы) и фосфата. Ступеньки — пары азотистых оснований: четырёх химических «букв» алфавита ДНК, обозначаемых A, T, G и C (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Буквы стоят строго парами: A всегда напротив T, G всегда напротив C. Это правило комплементарности (взаимного соответствия) — одно из ключевых свойств ДНК: благодаря ему каждую цепочку можно использовать как шаблон для точного копирования второй.
Как ДНК упакована в клетке
Двухметровая молекула не лежит в ядре свободным клубком — она свёрнута по строгой иерархии. Первый уровень: нить ДНК наматывается на гистоны (специальные белки-катушки), образуя структуры, напоминающие бусины на нитке, — их называют нуклеосомами. Эти «бусины» в свою очередь скручиваются в более плотные волокна, те — в петли, петли — в домены, и так далее, вплоть до финальной структуры — хромосомы.
Хромосома — это максимально упакованная ДНК вместе с белками, видимая под микроскопом в момент деления клетки в виде характерной X-образной формы. В норме у человека 46 хромосом, объединённых в 23 пары: 22 пары одинаковы у мужчин и женщин (аутосомы), и одна пара — половые хромосомы (XX у женщин, XY у мужчин). Одна хромосома каждой пары унаследована от матери, другая — от отца.
Упаковка ДНК — не просто способ сэкономить место. Плотность упаковки регулирует доступность генов: плотно свёрнутые участки хромосомы (гетерохроматин — «закрытый» хроматин) недоступны для считывания, а более рыхлые (эухроматин — «открытый» хроматин) активно используются. Это один из механизмов, с помощью которого клетка управляет тем, какие гены работают в данный момент.
23 хромосомы — по одной из каждой пары. Именно столько хромосом содержат половые клетки: яйцеклетка и сперматозоид. При слиянии двух гаплоидных (одинарных) наборов получается диплоидный (двойной) набор из 46 хромосом — полный геном нового организма.
46 хромосом — по две из каждой пары. Содержат все клетки тела, кроме половых. Наличие двух копий каждого гена — важная защита: если одна копия повреждена или несёт вредную мутацию (изменение в последовательности ДНК), вторая нередко компенсирует её работу.
Что такое ген
Ген — это участок ДНК, содержащий инструкцию для создания одной функциональной молекулы, чаще всего белка (сложной молекулы из аминокислот, выполняющей почти все функции в клетке). Один ген = одна инструкция. В геноме человека (совокупности всей генетической информации) насчитывается около 20–25 тысяч генов — примерно столько же, сколько у мыши, хотя человек значительно сложнее организован. Разница в сложности объясняется не количеством генов, а многообразием способов их использования.
Гены занимают лишь около 2% всей ДНК. Остальные 98% долгое время считались «мусорной ДНК» (junk DNA) — случайным балластом, накопившимся за миллионы лет эволюции. Сегодня известно, что бо́льшая часть этих участков выполняет регуляторные функции: содержит переключатели, определяющие, когда и насколько интенсивно читается тот или иной ген, а также структурные элементы хромосомы, необходимые для её стабильности и правильного деления.
Строение гена
Типичный ген состоит из нескольких функциональных частей. Промотор (от лат. promovere — «продвигать») — участок перед геном, к которому прикрепляется молекулярный аппарат считывания; именно он определяет, будет ли ген активирован. Экзоны (от греч. «внешний») — кодирующие участки, содержащие реальную инструкцию для белка. Интроны (от греч. «внутренний») — некодирующие вставки между экзонами, которые вырезаются после считывания. Терминатор — сигнал окончания гена.
Генетический код
Генетический код — это система соответствия между «буквами» ДНК и аминокислотами белка. Буквы читаются тройками — кодонами (каждая тройка из трёх нуклеотидов кодирует одну аминокислоту или служит знаком препинания — «старт» и «стоп»). Четыре буквы по три дают 64 возможных кодона — больше, чем 20 аминокислот, которые встречаются в белках. Поэтому код вырожден (избыточен): большинство аминокислот кодируется несколькими разными кодонами. Это служит буфером против мутаций: одна изменённая буква в кодоне нередко всё равно кодирует ту же аминокислоту.
Генетический код универсален: бактерии, грибы, растения, рыбы и человек используют один и тот же словарь. Кодон AUG (в РНК — молекуле, участвующей в считывании ДНК) везде означает аминокислоту метионин и служит стартовым сигналом; UGA, UAA и UAG везде — знак «конец». Универсальность кода — одно из свидетельств общего происхождения всего живого: все организмы на Земле восходят к общему предку, у которого этот код уже был устроен именно так.
Репликация: как ДНК копирует себя
Каждый раз, когда клетка делится, она должна передать полный комплект генетической информации обеим дочерним клеткам. Для этого ДНК копирует себя — этот процесс называется репликацией (от лат. replicare — «повторять»).
Схема репликации использует принцип комплементарности: двойная спираль «расстёгивается» в точке начала репликации, и каждая цепочка служит шаблоном для синтеза новой. Специальный фермент — ДНК-полимераза (фермент — белок-катализатор, ускоряющий химическую реакцию) — движется вдоль шаблонной цепи и присоединяет к растущей новой цепи комплементарные нуклеотиды (структурные единицы ДНК) один за другим. В результате из одной молекулы ДНК образуются две — каждая содержит одну старую и одну новую цепочку. Такой механизм называют полуконсервативным (консервативный — сохраняющий): половина исходной молекулы сохраняется в каждой копии.
ДНК-полимераза ошибается примерно один раз на 10 миллиардов включённых нуклеотидов — это один из самых точных биохимических процессов, известных науке. Такая точность достигается встроенной системой проверки: фермент сразу исправляет большинство ошибок в режиме реального времени. Оставшиеся ошибки устраняются системами репарации (восстановления) ДНК после репликации.
В клетке человека репликация запускается одновременно в тысячах точек по всему геному — иначе копирование трёх миллиардов пар оснований заняло бы недели. Благодаря параллельной работе весь геном копируется за 6–8 часов. Каждая точка репликации работает со скоростью около 50 нуклеотидов в секунду.
Мутации: когда инструкция меняется
Мутация — любое изменение в последовательности ДНК. Слово звучит тревожно, но большинство мутаций либо нейтральны (происходят вне кодирующих участков или меняют кодон на синонимичный), либо исправляются системами репарации ещё до того, как успеют передаться дочерним клеткам. Мутации — неизбежное следствие копирования трёх миллиардов букв: даже при точности один к десяти миллиардам каждое деление клетки добавляет несколько новых ошибок.
По масштабу мутации делятся на несколько типов:
- Точечные мутации — замена, вставка или удаление одного нуклеотида. Замена может быть «тихой» (кодон меняется, но кодирует ту же аминокислоту), «миссенс-мутацией» (кодируется другая аминокислота) или «нонсенс-мутацией» (вместо аминокислоты появляется стоп-сигнал — синтез белка обрывается раньше времени). Вставка или удаление одного нуклеотида сдвигает рамку считывания — фреймшифт (frameshift — «сдвиг рамки»): все кодоны после места мутации читаются неправильно, и белок в большинстве случаев теряет функцию.
- Хромосомные перестройки — делеции (утраты участка), дупликации (удвоения участка), инверсии (разворота участка на 180°) или транслокации (перемещения участка на другую хромосому). Затрагивают сразу множество генов.
- Геномные мутации — изменение числа хромосом. Например, трисомия по 21-й хромосоме (три копии вместо двух) — причина синдрома Дауна.
Строение генома человека
Геном человека содержит около 3,2 миллиарда пар оснований в гаплоидном наборе (то есть в одном комплекте из 23 хромосом). В каждой клетке с диплоидным набором их вдвое больше — около 6,4 миллиарда. Геном неоднороден по составу и функциям его участков:
Экзоны генов — те самые ~20–25 тысяч инструкций для белков. Несмотря на малую долю, именно здесь сосредоточена большая часть известных болезнетворных мутаций. Именно эту часть исследуют при экзомном (от слова «экзон») секвенировании — относительно быстром и дешёвом способе выявить генетические заболевания.
Промоторы, энхансеры (усилители — участки ДНК, усиливающие транскрипцию гена) и сайленсеры (глушители — участки, подавляющие транскрипцию). Их мутации не меняют структуру белка, но нарушают управление его производством — включают гены не вовремя или в неправильных клетках.
Транспозоны («прыгающие гены» — мобильные элементы, когда-то способные перемещаться по геному), многократно повторяющиеся короткие последовательности (SINE и LINE — два основных класса повторов). Большинство уже «заглушены» и не активны, но их следы образуют половину генома.
Теломеры (от греч. «конечная часть») — защитные «колпачки» на концах хромосом из повторяющихся последовательностей TTAGGG, предотвращающие слипание хромосом и потерю информации при делении. С каждым делением теломеры укорачиваются — это один из молекулярных механизмов клеточного старения. Центромеры — участки, к которым крепятся нити веретена деления, растаскивающие хромосомы к полюсам клетки.
Полиморфизмы: нормальная изменчивость генома
Не все различия в ДНК между людьми — это болезнетворные мутации. Большинство — полиморфизмы (от греч. «многообразие форм») — варианты генома, встречающиеся в популяции достаточно часто, чтобы считаться нормальной изменчивостью. Наиболее распространённый тип — SNP (Single Nucleotide Polymorphism — однонуклеотидный полиморфизм, то есть различие в одной «букве» ДНК в определённой позиции): в среднем геномы двух случайных людей отличаются примерно в одной позиции на тысячу оснований, то есть около 3–4 миллионов SNP на геном.
SNP определяют индивидуальные особенности метаболизма лекарств, предрасположенность к заболеваниям, цвет глаз, непереносимость лактозы (молочного сахара), реакцию на кофеин и тысячи других черт. Именно SNP анализируют коммерческие генетические тесты (23andMe, AncestryDNA и аналоги): они сравнивают определённые позиции в геноме с базами данных и выдают вероятностные оценки риска заболеваний или характеристик происхождения.
Что происходит при нарушениях
Вызваны мутациями, нарушающими функцию критически важных генов. Моногенные (мутация в одном гене) заболевания — муковисцидоз (мутация в гене CFTR, кодирующем белок-канал для хлорид-ионов), фенилкетонурия (мутация в гене фермента, перерабатывающего аминокислоту фенилаланин), серповидноклеточная анемия (мутация в гене гемоглобина). Полигенные заболевания — диабет 2-го типа, гипертония, шизофрения — определяются совокупным вкладом сотен генетических вариантов в сочетании с факторами среды.
Рак — болезнь нарушенного контроля над делением клеток, накапливающая мутации в ходе жизни. Критичны мутации в двух классах генов: протоонкогены (гены, в норме стимулирующие рост клеток) при мутации становятся онкогенами и постоянно сигналят «делись», даже без внешнего стимула; гены-супрессоры опухолей (гены, тормозящие деление и запускающие гибель повреждённых клеток) при мутации теряют тормозящую функцию. Классический пример — TP53, ген белка p53, «стража генома»: его мутации обнаруживаются примерно в половине всех злокачественных опухолей.
Нарушения числа или структуры хромосом, возникающие при ошибках деления. Трисомия 21 (лишняя 21-я хромосома) — синдром Дауна. Трисомия 18 — синдром Эдвардса. Моносомия X (одна X-хромосома вместо двух) — синдром Тёрнера у женщин. Такие аномалии, как правило, возникают заново (de novo) в родительских половых клетках и не наследуются от предыдущих поколений.
Связи с другими системами
- Все системы без исключения: ДНК — универсальный фундамент каждой клетки тела. Нейроны, кардиомиоциты (клетки сердечной мышцы), гепатоциты (клетки печени) и лимфоциты (клетки иммунной системы) содержат идентичный геном — разница между ними определяется только тем, какие гены в каждом типе клеток активны. Все наследственные заболевания и предрасположенности к ним записаны именно здесь.
- Эндокринная система: гормоны — белки или производные белков и жиров. Инсулин, гормон роста, тиреоидные гормоны — все они кодируются конкретными генами. Мутация в гене инсулина или рецептора к нему может стать причиной диабета. Гормоны, в свою очередь, регулируют экспрессию (активность) тысяч других генов — так эндокринная система общается с геномом в обе стороны.
- Иммунная система: способность различать «своё» и «чужое» закодирована в генах системы HLA (Human Leukocyte Antigens — лейкоцитарные антигены человека, белки на поверхности клеток, определяющие их «молекулярный паспорт»). Это самый полиморфный (изменчивый) участок генома человека — именно его разнообразие обеспечивает широкий иммунный репертуар популяции. Аутоиммунные заболевания — ревматоидный артрит, рассеянный склероз, сахарный диабет 1-го типа — имеют выраженную генетическую компоненту именно через гены HLA.
- Онкологические заболевания как пересечение всех систем: рак — это в конечном счёте болезнь ДНК, накапливающая мутации в генах клеточного цикла (последовательности событий при делении клетки), апоптоза (программируемой гибели клетки) и репарации. Понимание молекулярного профиля опухоли — какие конкретно мутации в ней есть — сегодня определяет выбор терапии: таргетные препараты (от англ. target — «мишень») работают именно против конкретных мутантных белков, а не против всех делящихся клеток, как традиционная химиотерапия.
- Эпигенетика как мост между средой и геномом: образ жизни, питание, стресс и физическая активность не меняют последовательность ДНК, но меняют паттерн (характер) её считывания через химические метки. Это механизм, через который внешние факторы разговаривают с геномом — подробно о нём в разделе Наследственность и эпигенетика. Механизм превращения генетической инструкции в реальный белок — в разделе Как работают гены.