Что такое гены
Гены — это небольшие участки молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), в которых закодирована информация о строении одной молекулы белка или РНК (рибонуклеиновой кислоты).
ДНК, РНК и белки — это строительные материалы для всех живых организмов. Поэтому информация, которую несет ген, очень важна: благодаря ей организм «знает», какие белки ему производить. В этом смысле ген часто сравнивают с чертежом или планом, по которому организм строит себя.
Ген — самый маленький кусочек, на который можно разделить ДНК. Его можно «разобрать» на более мелкие химические элементы, но именно ген передается от родителей потомству как одно целое.
У растений, грибов, животных и человека ДНК находятся в ядре любой клетки организма. Форма ДНК — перекрещивающиеся «нити»-хромосомы. Если мы увеличим ДНК и «растянем» ее на отдельные цепочки то увидим гены — отдельные участки ДНК.
Точное число генов в организме одного человека пока неизвестно: мы знаем только приблизительные данные, например, что генов, кодирующих белки, у человека около 20 тыс.
Еще в середине XIX века Грегор Мендель и другие ученые высказывали предположения, что наследование специфических черт у организмов происходит при помощи особых частиц. В 1889 году голландский ботаник, один из основателей генетики Хуго де Фриз в своей книге «Внутриклеточный пангенезис» (Intracellular Pangenesis) назвал такие частицы «пангенами», а в 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен ввел термин «ген». В 40-е годы XX века американские бактериологи доказали, что передача признаков от одного организма к другому происходит именно при помощи ДНК, а не других белков или химических соединений. Еще через несколько лет были получены первые высококачественные снимки структуры ДНК. С этого момента изучение отдельных участков ДНК — генов — пошло полным ходом.
Самый крупный международный проект, когда-либо проводившийся в биологии, — проект «Геном человека». Он был начат в 1990 году в США. Геном — это вся совокупность ДНК человека, включая всю информацию, которая содержится в генах.
Считается, что 85% генома человека к 2003 году были «прочитаны» или, говоря научным языком, секвенированы. И хотя проект уже закрыт, до сих пор термин «полная расшифровка генома человека» употребляют с осторожностью — к 2022 году около 8% генома остается «непрочитанным».
Доминантные и рецессивные гены
Аллели — это варианты одного гена, которых может быть огромное количество. Вариант гена, который подавляет другие, называется доминантным аллелем. Доминантный аллель будет подавлять вторую вариацию — рецессивную.
От родителей ребенку могут перейти и доминантные, и рецессивные варианты гена. Но рецессивный ген проявит себя только в том случае, если он присутствует у обоих родителей. В противном случае его подавит доминантный ген.
По наследству могут передаваться и другие внешние признаки: рост, цвет кожи, волос, какие-то отличительные черты. Это зависит от доминантных генов, которые передаются со стороны отца и матери.
Гены и наследственность
В большинстве клеток человека находится 23 пары хромосом ДНК, то есть 46 на клетку. Исключение составляют «родительские» клетки — сперматозоид и яйцеклетка. У каждой из них «половинный» набор — только 23 штуки. Когда половые клетки объединяются, они формируют зародыш, где гены из разных наборов встречаются друг с другом. И в каждом участке ДНК, ответственном за какой-либо признак, оказываются два гена. Но в виде внешнего признака проявится только доминантный ген, который подавит действие другого, рецессивного гена.
Это описание — очень упрощенная схема наследования. У разных организмов наследование может проявляться по-разному. Например, выделяют типы наследственности с полным и неполным доминированием:
При полном доминировании доминантный ген полностью подавляет рецессивный, который «маскируется», то есть совсем не проявляется. Так наследуется резус-фактор у человека, цвет волос и глаз.
При неполном доминировании встречаются два доминантных или два рецессивных гена, и ни один не может подавить другой. В этом случае появляется новый признак, отличный от родительского. Пример — волнистые волосы как результат взаимодействия кудрявых и прямых волос родителей. Или промежуточные цвета кожи и волос.
Не все типы наследования хорошо изучены: например, некоторые генетические заболевания пока невозможно классифицировать ни по одному из типов. Изучением механизмов наследования, зависимостью заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды занимается медицинская генетика.
На что влияют гены
Гены, полученные от родителей, во многом определяют:
- внешний облик человека: цвет кожи, глаз и волос, форму глаз, носа, ушей, рост, длину рук и размер ноги;
- физические качества: например, типы телосложения или скорость обмена веществ;
- предрасположенность или устойчивость к определенным болезням.
Многие важные параметры зависят не только от генов. Например, последние исследования говорят о том, что продолжительность жизни человека определяется наследственным факторами только на 15–30%, остальное зависит от среды и случайности. И даже эти процентные соотношения неточны: часто генетикам трудно отделить наследственные факторы от влияния среды.
То же касается и умственных способностей. Вопрос, можно ли унаследовать высокий интеллект — предмет ожесточенных споров, в том числе и в науке. Некоторые параметры мозга, например, размеры разных участков мозга, действительно зависят от генов — по меньшей мере на 85%, как говорят некоторые ученые. Но однозначные выводы о непременном наследовании интеллекта, таланта и гениальности сделать пока невозможно. Ученые убеждены, что «хорошие» гены помогают быстрее учиться и легче осваивать трудные дисциплины, но так же сильно на интеллект влияют образование и образ жизни.
Семья Иоганна Себастиана Баха обычно приводится в качестве примера передачи музыкального таланта по наследству. Среди 7 поколений ученые насчитывают более 20 талантливых музыкантов.
С психическими заболеваниями все тоже неоднозначно. Пока ученые не обнаружили ни одного гена, который может вызвать ту или иную психическую болезнь. Таких генов не существует — в том смысле, в каком есть гены цвета глаз, или гены, ответственные за определенные генетические заболевания. При этом обнаружены гены, которые увеличивают риск психического заболевания, например шизофрении или биполярного расстройства — на 5% или менее.
Влияют ли гены на характер?
Ученые также ищут связи между генами и поведением человека. Генетика поведения изучает, насколько гены определяют семейные отношения, социальные связи и даже политические убеждения. Несмотря на то, что четкой и однозначной связи между ними не обнаружено, ученые пришли к выводу, что определенные мутации генов могут менять поведение. Муха-дрозофил, у которой был определенный вариант особого гена, искала корм активнее, чем носители другого варианта. У людей ученые нашли участок гена, который соотносится с альтруизмом — взаимопомощью и добротой. Он влияет в том числе и на семейную жизнь: женщины, которым достался муж с «неправильным» вариантом гена, обычно недовольны отношениями в семье.
Константин Хоманов, врач-терапевт, клинический фармаколог, основатель приложения «Справочник Врача» и «Мое Здоровье» подчеркивает, что особенности поведения или характер нельзя объяснить только патологиями или особым набором генов. Но иногда изменения в генах могут вызвать нарушения аминокислотного, углеводного, жирового обмена — от этого страдает головной мозг и могут появиться специфические черты личности.
Анна Волкова, биохимик, нутрициолог и специалист по работе с генетическими тестами Basis Genomic Group, рассказывает, что гены определяют характер, склонность к заболеваниям, спортивные таланты, здоровье кожи и даже предпочтения в еде. Все основы нашего метаболизма заложены природой. Например, ген DRD4 отвечает за чувствительность нейронов к дофамину. Дофамин — это гормон радости, азарта, предвкушения и стремления к прекрасному. Есть несколько вариантов этого гена. Если чувствительность к дофамину низкая, то человек предпочитает тихий спокойный образ жизни, а если высокая — это охотник за яркими впечатлениями.
Еще один ген — FTO, кодирует белок, участвующий в энергетическом балансе. Если этот ген изменен, то такого белка вырабатывается мало, и человек постоянно испытывает голод. Чувство насыщения запаздывает, что приводит к перееданию и частым обильным перекусам. Предпочтения в еде, скорее всего, будут тоже нездоровые: выпечка, сладости, жирные жареные блюда, фаст-фуд. Носителям такого измененного гена нужно следить за своим рационом, быть физически активными и в целом вести здоровый образ жизни.
Почему возникают мутации генов
Генная мутация — это изменение, происходящее на маленьком участке ДНК, внутри одного гена, которое может быть унаследовано потомками. Изменения на более длинном участке ДНК называются хромосомными. Есть еще геномные мутации — изменения, затрагивающие целые хромосомы в геноме. У человека геномные мутации обычно приводят к тяжелым наследственным заболеваниям: например, к синдрому Шерешевского-Тернера, характеризующемуся физическим, умственным и половым недоразвитием у носителя этой мутации.
А вот последствия генных мутаций могут быть разными: некоторые из них связаны с генетическими особенностями или заболеваниями, такими как дальтонизм или гемофилия. Другие мутации дают своим носителями способности, которые пригодились бы каждому: например, люди с мутацией гена hDEC2 чувствуют себя отдохнувшими после всего 4 часов сна.
Что такое мутагенные факторы
Факторы, способствующие появлению мутаций, называются мутагенными. К таким факторам относится, например, радиация: в облученных клетках происходит повреждение ДНК. Еще в 1927 году американский генетик и впоследствии лауреат Нобелевской премии Герман Меллер продемонстрировал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к существенному увеличению частоты мутаций у мухи-дрозофилы.
Вирусы как биологический фактор также является причиной мутации — около 8% ДНК человека приходится на фрагменты древних вирусов. Эти фрагменты встроились в геном в древние времена, когда человечество переживало пандемии. Некоторые современные исследования подтверждают, что фрагменты генома коронавируса COVID-19 тоже способны встраиваться в геном человека.
Есть и химические вещества, которые вызывают мутации ДНК — например, бензол, который входит в состав нефти и бензина. Если человек надышится парами бензола, то может умереть. Даже в небольших количествах бензол может вызвать мутации, приводящие к раковым заболеваниям.
Мутации — необходимое условие многообразия жизни на планете. Без них живые существа не смогли бы приспособиться к постоянно меняющимся условиям существования. Но у этого есть и своя отрицательная сторона — последствия от мутаций для отдельного организма могут быть фатальными. Радует то, что только небольшой процент генетических изменений вызывает генетические отклонения. Большинство мутаций не оказывают никакого влияния на развитие и здоровье человека.
Зачем изучать свои гены
Генетическое тестирование — это метод, с помощью которого можно выявить мутации в генах. Генетические тесты отличаются друг от друга по технологии: например, полимеразная цепная реакция исследует набор конкретных участков ДНК, а секвенирование нового поколения (NGS) может прочесть за один раз большинство участков полного генома человека. Врач-генетик знает о преимуществах и недостатках методов и посоветует пациенту подходящий, исходя из его проблемы.
Обращаются за генетическим исследованием, чтобы:
- диагностировать заболевание, тип заболевания, а иногда найти причину и варианты лечения — например, при определенных видах онкологии генетическое тестирование очень важно;
- определить риск заболеть определенным заболеваниям;
- измерить риск передачи заболевания потомкам;
- определить непереносимость каких-то лекарств;
- обследовать эмбрион или плод на предмет генетических мутаций.
Генетические тесты делают и государственные, и крупные частные лаборатории, их востребованность с каждым годом увеличивается. Константин Хоманов объясняет, что часто по направлению от врача-генетика генетическое тестирование проходят, чтобы поставить верный диагноз у детей, иногда — взрослым. Тесты дают врачу и пациенту информацию для персонализированного лечения — чтобы правильно спланировать беременность или успеть начать лечение ребенка до прогрессирования патологии. Например, лечение самым дорогим лекарством в мире — «Золгесма», которое заменяет отсутствующий или нерабочий ген на его функциональную копию, лучше проводить до двухлетнего возраста. Если диагноз поставлен слишком поздно, то в получении лекарства могут отказать.
Наверное, самые «известные» генетические тесты — это ДНК-тесты на родство. С их помощью можно не только определить отцовство или материнство, но и в целом степень родственных отношений между людьми. Кроме того, пользуются популярностью тесты на определение генетических болезней перед зачатием или ЭКО, в ранние сроки беременности — это так называемый неинвазивный пренатальный тест (НИПТ).
А еще генетическое тестирование помогает определить свой этнический состав. Национальность человека по ДНК узнать нельзя, так как она определяется не генетикой, а самосознанием. Но зато можно выяснить, сколько различных народов оставили след в геноме. С помощью тестов можно выявить предрасположенность к алкогольной и другим зависимостям и даже суицидальному поведению.
Генетические тестирование пригодится и людям, увлеченным спортом. Анна Волкова поясняет, что есть несколько генов, которые отвечают за выносливость, если они «правильные», то такому человеку подойдет бег на длинные дистанции, плавание, лыжи, коньки, велосипед. При других генетических особенностях можно выбрать другой вид спорта — силовой или забеги на короткие дистанции. Также с помощью специальных генетических тестов можно определить скорость восстановления после физической нагрузки.
