Генетика

Генетика - это раздел биологии, занимающийся изучением генов, генетической изменчивости и наследственности организмов.

Хотя наследственность наблюдалась на протяжении тысячелетий, Грегор Мендель, ученый и монах-августинец, работавший в 19 веке, был первым, кто изучил генетику с научной точки зрения. Мендель изучал «наследование черт», закономерности в том, как черты передаются от родителей к потомству. Он заметил, что организмы (растения гороха) наследуют признаки посредством дискретных «единиц наследования». Этот термин, который все еще используется сегодня, является несколько двусмысленным определением того, что называют геном.

Наследование признаков и молекулярные механизмы наследования генов по-прежнему являются основными принципами генетики в 21 веке, но современная генетика вышла за рамки наследования и занялась изучением функций и поведения генов. Структура и функция генов, вариации и распределение изучаются в контексте клетки, организма (например, доминирование) и в контексте популяции. Генетика дала начало ряду подразделов, включая молекулярную генетику, эпигенетику и популяционную генетику. Организмы, изучаемые в широком масштабе, охватывают сферы жизни (археи, бактерии и эукарии).

Генетические процессы работают в сочетании с окружающей средой и опытом организма, чтобы влиять на развитие и поведение, что часто называют природой против воспитывать. Внутриклеточная или внеклеточная среда живой клетки или организма может включать или выключать транскрипцию генов. Классический пример - два семени генетически идентичной кукурузы: одно помещено в умеренный климат, а другое - в засушливый (без достаточного количества водопада или дождя). В то время как средняя высота двух стеблей кукурузы может быть генетически определена как равная, один в засушливом климате вырастает только до половины высоты, чем в умеренном климате из-за недостатка воды и питательных веществ в окружающей среде.

Содержание

Этимология

Слово генетика происходит от древнегреческого γενετικός genetikos означает «родительный падеж» / «порождающий», что, в свою очередь, происходит от γένεσις genesis , что означает «происхождение».

История

Наблюдение о том, что живые существа наследуют черты своих родителей, использовалось с доисторических времен для улучшения сельскохозяйственных культур и животных путем селекции. Современная генетика, стремящаяся понять этот процесс, началась с работ монаха-августинца Грегора Менделя в середине 19 века.

До Менделя Имре Фестетич, венгерский дворянин, который жил в Кёсег до Менделя был первым, кто использовал слово «генетика». Он описал несколько правил генетической наследственности в своей работе Генетический закон природы (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Его второй закон совпадает с тем, что опубликовал Мендель. В своем третьем законе он разработал основные принципы мутации (его можно считать предшественником Гюго де Вриза).

Работам Менделя предшествовали другие теории наследования. Популярной теорией XIX века, которая подразумевается в книге Чарльза Дарвина « О происхождении видов » 1859 года, было смешанное наследование: идея о том, что люди наследуют плавное сочетание черт от своих родителей. В работе Менделя приводятся примеры, когда признаки определенно не смешивались после гибридизации, показывая, что признаки создаются комбинациями отдельных генов, а не непрерывным смешиванием. Смешение признаков в потомстве теперь объясняется действием нескольких генов с количественными эффектами. Другая теория, которая имела некоторую поддержку в то время, была наследованием приобретенных характеристик: вера в то, что люди наследуют черты, усиленные их родителями. Эта теория (обычно ассоциируемая с Жан-Батистом Ламарком), как теперь известно, ошибочна - опыт людей не влияет на гены, которые они передают своим детям, хотя данные в области эпигенетики возродили некоторые аспекты теории Ламарка. Другие теории включали пангенезис Чарльза Дарвина (который имел как приобретенные, так и унаследованные аспекты) и переформулировку пангенезиса Фрэнсисом Гальтоном как частичную и унаследованную.

Менделирующая и классическая генетика

Современная генетика началась с исследованиями Менделя о природе наследования у растений. В своей статье « Versuche über Pflanzenhybriden » («Эксперименты по гибридизации растений»), представленной в 1865 г. в Naturforschender Verein (Общество исследований в области природы) в Брюнне, Мендель проследил паттерны наследования определенных признаков у растений гороха и описали их математически. Хотя этот образец наследования можно было наблюдать только для нескольких черт, работа Менделя предполагала, что наследственность была частичной, а не приобретенной, и что образцы наследования многих черт можно было объяснить с помощью простых правил и соотношений.

Важность работы Менделя не получила широкого понимания до 1900 года, после его смерти, когда Гуго де Фрис и другие ученые заново открыли его исследования. Уильям Бейтсон, сторонник работы Менделя, придумал слово генетика в 1905 году (прилагательное генетический , образованное от греческого слова генезис —γένεσις, «происхождение» предшествует существительному и впервые было использовано в биологическом смысле в 1860 году). Бейтсон одновременно выступал в качестве наставника, и ему в значительной степени помогли работы других ученых из Ньюнхэм-колледжа в Кембридже, в частности, работы Бекки Сондерс, Норы Дарвин Барлоу и Мюриэл Велдейл Онслоу. Бейтсон популяризировал использование слова генетика для описания изучения наследования в своей инаугурационной речи на Третьей Международной конференции по гибридизации растений в Лондоне в 1906 году.

После повторного открытия Менделя. В ходе работы ученые попытались определить, какие молекулы в клетке отвечают за наследование. В 1900 году Нетти Стивенс начала изучать мучного червя. В течение следующих 11 лет она обнаружила, что у женщин есть только Х-хромосома, а у мужчин - Х- и Y-хромосомы. Она смогла сделать вывод, что пол является хромосомным фактором и определяется мужчиной. В 1911 году Томас Хант Морган утверждал, что гены находятся в хромосомах, основываясь на наблюдениях за сцепленной с полом мутацией белого глаза у дрозофил. В 1913 году его ученик Альфред Стертевант использовал феномен генетической связи, чтобы показать, что гены расположены в хромосоме линейно.

Молекулярная генетика

Хотя гены были известно, что хромосомы существуют на хромосомах, они состоят как из белка, так и из ДНК, и ученые не знали, какая из двух отвечает за наследование. В 1928 году Фредерик Гриффит открыл феномен трансформации (см. Эксперимент Гриффита): мертвые бактерии могут передавать генетический материал, чтобы «трансформировать» другие еще живые бактерии. Шестнадцать лет спустя, в 1944 году, эксперимент Эйвери-Маклауда-Маккарти определил ДНК как молекулу, ответственную за трансформацию. Роль ядра как хранилища генетической информации у эукариот была установлена ​​Хэммерлингом в 1943 году в его работе над одноклеточной водорослью Acetabularia . Эксперимент Херши-Чейза в 1952 году подтвердил, что ДНК (а не белок) является генетическим материалом вирусов, инфицирующих бактерии, что стало дополнительным доказательством того, что ДНК является молекулой, ответственной за наследование.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определила структуру ДНК в 1953 году, используя результаты рентгеновской кристаллографии Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса, которые показали, что ДНК имеет спиральную структуру (т.е. имеет форму штопора). В их модели двойной спирали были две цепи ДНК с нуклеотидами, направленными внутрь, каждая из которых соответствовала комплементарному нуклеотиду на другой цепи, образуя нечто похожее на ступеньки на скрученной лестнице. Эта структура показала, что генетическая информация существует в последовательности нуклеотидов на каждой цепи ДНК. Структура также предлагает простой метод репликации: если цепи разделены, новые партнерские цепи могут быть реконструированы для каждой на основе последовательности старой цепи. Это свойство придает ДНК ее полуконсервативный характер, когда одна нить новой ДНК происходит от исходной родительской цепи.

Хотя структура ДНК показала, как работает наследование, до сих пор не было известно, как ДНК влияет на поведение клеток. В последующие годы ученые пытались понять, как ДНК контролирует процесс производства белка. Было обнаружено, что клетка использует ДНК в качестве матрицы для создания соответствующей информационной РНК, молекул с нуклеотидами, очень похожих на ДНК. Нуклеотидная последовательность информационной РНК используется для создания аминокислотной последовательности в белке; это преобразование между нуклеотидными последовательностями и аминокислотными последовательностями известно как генетический код.

С новым молекулярным пониманием наследования произошел взрыв исследований. Известная теория возникла у Томоко Охта в 1973 году, когда она внесла поправку в нейтральную теорию молекулярной эволюции, опубликовав почти нейтральную теорию молекулярной эволюции. В этой теории Охта подчеркивал важность естественного отбора и окружающей среды для скорости генетической эволюции. Одним из важных достижений было секвенирование ДНК с обрывом цепи в 1977 году Фредериком Сэнгером. Эта технология позволяет ученым считывать нуклеотидную последовательность молекулы ДНК. В 1983 году Кэри Бэнкс Маллис разработал полимеразную цепную реакцию, обеспечивающую быстрый способ выделения и амплификации определенного участка ДНК из смеси. Усилия проекта Human Genome Project, Министерства энергетики, NIH, и параллельные частные усилия Celera Genomics привели к секвенированию генома человека в 2003 году.

Особенности наследования

Discrete наследование и законы Менделя

На самом фундаментальном уровне наследование в организмах происходит путем передачи дискретных наследуемых единиц, называемых генами, от родителей к потомству. Это свойство впервые заметил Грегор Мендель, изучавший разделение наследственных признаков у растений гороха. В своих экспериментах по изучению признака цвета цветка Мендель заметил, что цветы каждого растения гороха были либо пурпурными, либо белыми, но никогда не были промежуточными между двумя цветами. Эти разные дискретные версии одного и того же гена называются аллелями.

В случае гороха, который является диплоидным видом, каждое отдельное растение имеет две копии каждого гена, по одной копии, унаследованной от каждого родителя. Многие виды, в том числе и люди, имеют этот образец наследования. Диплоидные организмы с двумя копиями одного и того же аллеля данного гена называются гомозиготными по этому локусу гена, а организмы с двумя разными аллелями данного гена называются гетерозиготными.

Набор аллелей для данного организма называется его генотипом, а наблюдаемые признаки организма - его фенотипом. Когда организмы гетерозиготны по гену, часто один аллель называют доминантным, поскольку его качества доминируют над фенотипом организма, а другой аллель называют рецессивным, поскольку его качества уменьшаются и не наблюдаются. Некоторые аллели не имеют полного доминирования, а вместо этого имеют неполное доминирование за счет выражения промежуточного фенотипа или кодоминирования за счет одновременного выражения обоих аллелей.

Когда пара организмов размножается половым путем, их потомство случайным образом наследует один из двух. аллели от каждого родителя. Эти наблюдения дискретного наследования и сегрегации аллелей в совокупности известны как первый закон Менделя или закон сегрегации.

Обозначения и диаграммы

Генетики используют диаграммы и символы для описания наследования. Ген представлен одной или несколькими буквами. Часто символ «+» используется для обозначения обычного немутантного аллеля гена.

В экспериментах по оплодотворению и селекции (и особенно при обсуждении законов Менделя) родители упоминаются как «P "поколение и потомство" как поколение "F1" (первое дочернее). Когда потомство F1 спаривается друг с другом, потомство называют поколением «F2» (вторым сыном). Одна из распространенных диаграмм, используемых для прогнозирования результатов скрещивания, - это квадрат Пеннета.

При изучении генетических заболеваний человека генетики часто используют родословные диаграммы для представления наследования признаков. Эти диаграммы отображают наследование признака в генеалогическом древе.

Множественные взаимодействия генов

У организмов есть тысячи генов, а у организмов, размножающихся половым путем, эти гены обычно сортируются независимо друг от друга. Это означает, что наследование аллелей желтого или зеленого горошка не связано с наследованием аллелей белого или пурпурного цветов. Это явление, известное как «второй закон Менделя» или «закон независимого ассортимента», означает, что аллели разных генов перемешиваются между родителями, образуя потомство с множеством различных комбинаций. (Некоторые гены не сортируются независимо друг от друга, что демонстрирует генетическую связь - тема, которая обсуждается далее в этой статье.)

Часто различные гены могут взаимодействовать таким образом, что влияет на один и тот же признак. У Голубоглазой Марии ( Omphalodes verna ), например, существует ген с аллелями, определяющими цвет цветов: голубой или пурпурный. Другой ген, однако, контролирует, имеют ли цветы вообще цвет или белые. Когда у растения есть две копии этого белого аллеля, его цветки белые, независимо от того, имеет ли первый ген аллели синего или пурпурного цвета. Это взаимодействие между генами называется эпистазом, причем второй ген эпистатичен первому.

Многие черты не являются дискретными чертами (например, фиолетовые или белые цветы), а являются непрерывными чертами (например, рост человека и цвет кожи) . Эти сложные черты являются продуктом многих генов. Влияние этих генов в той или иной степени опосредовано окружающей средой, в которой находится организм. Степень, в которой гены организма способствуют формированию сложного признака, называется наследуемостью. Измерение наследуемости признака является относительным - в более изменчивой среде окружающая среда имеет большее влияние на общую вариацию признака. Например, человеческий рост - это характеристика, имеющая комплекс причин. В США его наследственность составляет 89%. Однако в Нигерии, где люди имеют более разнообразный доступ к полноценному питанию и медицинскому обслуживанию, рост имеет наследуемость только 62%.

Молекулярная основа наследования

ДНК и хромосомы

Молекулярная основа генов - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК состоит из цепочки нуклеотидов, из которых есть четыре типа: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Генетическая информация существует в последовательности этих нуклеотидов, а гены существуют в виде участков последовательности вдоль цепи ДНК. Вирусы - единственное исключение из этого правила - иногда вирусы используют очень похожую молекулу РНК вместо ДНК в качестве своего генетического материала. Вирусы не могут воспроизводиться без хозяина и не подвержены влиянию многих генетических процессов, поэтому обычно не считаются живыми организмами.

ДНК обычно существует в виде двухцепочечной молекулы, свернутой в виде двойной спирали. Каждый нуклеотид в ДНК предпочтительно спаривается со своим партнерским нуклеотидом на противоположной цепи: A пары с T, а C пары с G. Таким образом, в своей двухцепочечной форме каждая цепь фактически содержит всю необходимую информацию, дублирующуюся со своей партнерской цепью. Эта структура ДНК является физической основой наследования: репликация ДНК дублирует генетическую информацию путем разделения цепей и использования каждой цепи в качестве матрицы для синтеза новой цепи-партнера.

Гены расположены линейно вдоль длинных цепей. последовательностей пар оснований ДНК. У бактерий каждая клетка обычно содержит один кольцевой генофор, в то время как ДНК эукариотических организмов (таких как растения и животные) расположены в нескольких линейных хромосомах. Эти нити ДНК часто бывают очень длинными; самая большая хромосома человека, например, имеет длину около 247 миллионов пар оснований. ДНК хромосомы связана со структурными белками, которые организуют, уплотняют и контролируют доступ к ДНК, образуя материал, называемый хроматином; у эукариот хроматин обычно состоит из нуклеосом, сегментов ДНК, намотанных вокруг ядер гистоновых белков. Полный набор наследственного материала в организме (обычно объединенные последовательности ДНК всех хромосом) называется геномом.

ДНК чаще всего находится в ядре клеток, но Рут Сагер помогла в открытии нехромосомные гены, обнаруженные вне ядра. У растений они часто обнаруживаются в хлоропластах, а у других организмов - в митохондриях. Эти нехромосомные гены могут передаваться любым партнером при половом размножении, и они контролируют множество наследственных характеристик, которые воспроизводятся и остаются активными на протяжении поколений.

Хотя гаплоидные организмы имеют только одну копию каждой хромосомы, у большинства животных и многие растения являются диплоидными, содержащими по две хромосомы каждой и, следовательно, по две копии каждого гена. Два аллеля гена расположены в идентичных локусах двух гомологичных хромосом, каждый аллель унаследован от другого родителя.

Многие виды имеют так называемые половые хромосомы, которые определяют пол каждого организма. У людей и многих других животных Y-хромосома содержит ген, который запускает развитие специфических мужских качеств. В процессе эволюции эта хромосома потеряла большую часть своего содержимого, а также большую часть своих генов, в то время как Х-хромосома похожа на другие хромосомы и содержит множество генов. При этом Мэри Фрэнсис Лайон обнаружила, что во время репродукции происходит инактивация Х-хромосомы, чтобы избежать передачи вдвое большего количества генов потомству. Открытие Лиона привело к открытию других вещей, включая Х-сцепленные заболевания. Х- и Y-хромосомы образуют сильно разнородную пару.

Воспроизведение

Когда клетки делятся, их полный геном копируется, и каждая дочерняя клетка наследует одну копию. Этот процесс, называемый митозом, представляет собой простейшую форму размножения и является основой бесполого размножения. Бесполое размножение также может происходить у многоклеточных организмов, производя потомство, которое наследует свой геном от одного родителя. Потомство, которое генетически идентично своим родителям, называется клонами.

Эукариотические организмы часто используют половое размножение для создания потомства, которое содержит смесь генетического материала, унаследованного от двух разных родителей. В процессе полового размножения чередуются формы, содержащие одиночные копии генома (гаплоид) и двойные копии (диплоид). Гаплоидные клетки сливаются и объединяют генетический материал, чтобы создать диплоидную клетку с парными хромосомами. Диплоидные организмы образуют гаплоиды путем деления, без репликации своей ДНК, с образованием дочерних клеток, которые случайным образом наследуют по одной из каждой пары хромосом. Большинство животных и многие растения диплоидны на протяжении большей части своей жизни, а гаплоидная форма сокращается до одноклеточных гамет, таких как сперма или яйца.

Хотя они не используют гаплоидный / диплоидный метод полового размножения, у бактерий есть много методов получения новой генетической информации. Некоторые бактерии могут подвергаться конъюгации, передавая небольшой кольцевой фрагмент ДНК другой бактерии. Бактерии также могут захватывать необработанные фрагменты ДНК, обнаруженные в окружающей среде, и интегрировать их в свои геномы - явление, известное как трансформация. Эти процессы приводят к горизонтальному переносу генов, передаче фрагментов генетической информации между организмами, которые в противном случае не были бы связаны между собой. Естественная бактериальная трансформация происходит у многих видов бактерий и может рассматриваться как половой процесс передачи ДНК от одной клетки к другой клетке (обычно того же вида). Трансформация требует действия многочисленных продуктов бактериальных генов, и ее основная адаптивная функция, по-видимому, заключается в восстановлении повреждений ДНК в клетке-реципиенте.

Рекомбинация и генетическое сцепление

Диплоидная природа хромосом позволяет генам на разных хромосомах сортироваться независимо или отделяться от их гомологичной пары во время полового размножения, при котором образуются гаплоидные гаметы. Таким образом, новые комбинации генов могут возникать у потомков от пары. Гены на одной и той же хромосоме теоретически никогда не рекомбинируют. Однако они это делают через клеточный процесс хромосомного кроссовера. Во время кроссовера хромосомы обмениваются участками ДНК, эффективно перемещая аллели генов между хромосомами. Этот процесс хромосомного кроссовера обычно происходит во время мейоза, серии клеточных делений, в результате которых образуются гаплоидные клетки. Мейотическая рекомбинация, особенно у микробных эукариот, по-видимому, выполняет адаптивную функцию восстановления повреждений ДНК.

Первая цитологическая демонстрация кроссинговера была проведена Харриет Крейтон и Барбарой МакКлинток в 1931 году. Их исследования и эксперименты на кукуруза предоставила цитологические доказательства генетической теории о том, что сцепленные гены на парных хромосомах действительно меняют места от одного гомолога к другому.

Вероятность хромосомного кроссовера, происходящего между двумя заданными точками хромосомы, связана с расстояние между точками. Для сколь угодно большого расстояния вероятность кроссовера достаточно высока, чтобы наследование генов фактически не коррелировало. Однако для генов, которые расположены ближе друг к другу, более низкая вероятность кроссовера означает, что гены демонстрируют генетическое сцепление; аллели для двух генов обычно наследуются вместе. Степень сцепления между рядом генов может быть объединена, чтобы сформировать линейную карту сцепления, которая примерно описывает расположение генов вдоль хромосомы.

Экспрессия генов

Генетический код

Гены обычно выражают свой функциональный эффект посредством выработки белков, которые представляют собой сложные молекулы, ответственные за большинство функций клетки. Белки состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых состоит из последовательности аминокислот, и последовательность ДНК гена (через промежуточную РНК) используется для получения определенной аминокислотной последовательности. Этот процесс начинается с производства молекулы РНК с последовательностью, соответствующей последовательности ДНК гена, этот процесс называется транскрипцией.

Затем эта молекула РНК-мессенджера используется для получения соответствующей аминокислотной последовательности посредством процесса, называемого трансляцией. . Каждая группа из трех нуклеотидов в последовательности, называемая кодоном, соответствует либо одной из двадцати возможных аминокислот в белке, либо инструкции завершить аминокислотную последовательность; это соответствие называется генетическим кодом. Поток информации является однонаправленным: информация передается из нуклеотидных последовательностей в аминокислотную последовательность белков, но никогда не переносится из белка обратно в последовательность ДНК - феномен, который Фрэнсис Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии.

Определенная последовательность аминокислот приводит к уникальной трехмерной структуре этого белка, а трехмерные структуры белков связаны с их функциями. Некоторые из них представляют собой простые структурные молекулы, такие как волокна, образованные белком коллагеном. Белки могут связываться с другими белками и простыми молекулами, иногда действуя как ферменты, облегчая химические реакции внутри связанных молекул (без изменения структуры самого белка). Структура белка динамична; белок гемоглобин принимает несколько иные формы, поскольку он способствует захвату, транспортировке и высвобождению молекул кислорода в крови млекопитающих.

Одно нуклеотидное различие в ДНК может вызвать изменение аминокислотной последовательности белка. Поскольку белковые структуры являются результатом их аминокислотных последовательностей, некоторые изменения могут резко изменить свойства белка, дестабилизируя структуру или изменяя поверхность белка таким образом, чтобы изменить его взаимодействие с другими белками и молекулами. Например, серповидно-клеточная анемия - это генетическое заболевание человека, которое возникает из-за различия в одном основании в кодирующей области для β-глобинового участка гемоглобина, вызывающего одно изменение аминокислоты, которое изменяет физические свойства гемоглобина. Серповидно-клеточные версии гемоглобина прилипают друг к другу, складываясь в волокна, которые искажают форму красных кровяных телец, несущих этот белок. Эти серповидные клетки больше не проходят гладко по кровеносным сосудам, имеют тенденцию засоряться или деградировать, вызывая медицинские проблемы, связанные с этим заболеванием.

Некоторые последовательности ДНК транскрибируются в РНК, но не транслируются в белок продукты - такие молекулы РНК называются некодирующими РНК. В некоторых случаях эти продукты складываются в структуры, которые участвуют в важнейших функциях клетки (например, рибосомная РНК и транспортная РНК). РНК также может иметь регулирующие эффекты посредством гибридизационного взаимодействия с другими молекулами РНК (например, микроРНК).

Природа и воспитание

Хотя гены содержат всю информацию, которую организм использует для функционирования, окружающая среда играет играет важную роль в определении основных фенотипов, отображаемых организмом. Фраза «природа и воспитание» относится к этим взаимодополняющим отношениям. Фенотип организма зависит от взаимодействия генов и окружающей среды. Интересный пример - окраска шерсти сиамской кошки. В этом случае температура тела кошки играет роль окружающей среды. Гены кошки кодируют темные волосы, поэтому клетки кошки, производящие волосы, производят клеточные белки, в результате чего волосы темные. Но эти белки, производящие темные волосы, чувствительны к температуре (то есть имеют мутации, вызывающие температурную чувствительность) и денатурируют в более высоких температурах окружающей среды, неспособные производить пигмент темных волос в областях, где у кошки более высокая температура тела. Однако в низкотемпературной среде структура белка стабильна и обычно образует пигмент темных волос. Белок остается функциональным на более холодных участках кожи, таких как ноги, уши, хвост и морда, поэтому у кошек темные волосы на конечностях.

Окружающая среда играет важную роль в воздействии человека. генетическое заболевание фенилкетонурия. Мутация, вызывающая фенилкетонурию, нарушает способность организма расщеплять аминокислоту фенилаланин, вызывая токсическое накопление промежуточной молекулы, которая, в свою очередь, вызывает серьезные симптомы прогрессирующей умственной отсталости и судорог. Однако, если человек с мутацией фенилкетонурии следует строгой диете, исключающей эту аминокислоту, он останется нормальным и здоровым.

Распространенный метод определения того, как гены и окружающая среда («природа и воспитание») способствуют развитию фенотип включает изучение однояйцевых и разнояйцевых близнецов или других братьев и сестер от многоплодных родов. Идентичные братья и сестры генетически одинаковы, поскольку происходят от одной зиготы. Между тем, разнояйцевые близнецы генетически отличаются друг от друга так же, как и нормальные братья и сестры. Сравнивая частоту того или иного расстройства у пары однояйцевых близнецов с частотой его возникновения у пары разнояйцевых близнецов, ученые могут определить, вызвано ли это расстройство генетическими или постнатальными факторами окружающей среды. Одним из известных примеров стало исследование четвероногих детей Genain, у которых была идентичная четверка с диагнозом шизофрения. Однако такие тесты не могут отделить генетические факторы от факторов окружающей среды, влияющих на развитие плода.

Генная регуляция

Геном данного организма содержит тысячи генов, но не все эти гены должны быть активными в любой момент. Ген экспрессируется, когда он транскрибируется в мРНК, и существует множество клеточных методов контроля экспрессии генов, так что белки продуцируются только тогда, когда это необходимо клетке. Факторы транскрипции - это регуляторные белки, которые связываются с ДНК, способствуя или ингибируя транскрипцию гена. Например, в геноме бактерий Escherichia coli существует ряд генов, необходимых для синтеза аминокислоты триптофана. Однако, когда триптофан уже доступен для клетки, эти гены синтеза триптофана больше не нужны. Присутствие триптофана напрямую влияет на активность генов - молекулы триптофана связываются с репрессором триптофана (фактором транскрипции), изменяя структуру репрессора таким образом, что репрессор связывается с генами. Репрессор триптофана блокирует транскрипцию и экспрессию генов, тем самым создавая регуляцию процесса синтеза триптофана с отрицательной обратной связью.

Различия в экспрессии генов особенно очевидны в многоклеточных организмах, где все клетки содержат один и тот же геном, но имеют очень разные структуры и поведение из-за экспрессии разных наборов генов. Все клетки в многоклеточном организме происходят из одной клетки, дифференцируясь на различные типы клеток в ответ на внешние и межклеточные сигналы и постепенно устанавливая разные паттерны экспрессии генов для создания различного поведения. Поскольку ни один ген не отвечает за развитие структур в многоклеточных организмах, эти закономерности возникают в результате сложных взаимодействий между многими клетками.

Внутри эукариот существуют структурные особенности хроматина, которые влияют на транскрипцию генов, часто в виде модификаций ДНК и хроматина, которые стабильно наследуются дочерними клетками. Эти особенности называются «эпигенетическими», потому что они существуют «поверх» последовательности ДНК и сохраняют наследование от одного поколения клеток к другому. Из-за эпигенетических особенностей разные типы клеток, выращенные в одной среде, могут сохранять очень разные свойства. Хотя эпигенетические особенности обычно динамичны в ходе развития, некоторые, например феномен парамутации, наследуются от нескольких поколений и существуют как редкие исключения из общего правила ДНК как основы для наследования.

Генетические изменения

Мутации

В процессе репликации ДНК иногда возникают ошибки при полимеризации второй цепи. Эти ошибки, называемые мутациями, могут влиять на фенотип организма, особенно если они происходят в последовательности, кодирующей белок, гена. Частота ошибок обычно очень низкая - 1 ошибка на каждые 10–100 миллионов оснований - из-за способности ДНК-полимераз «корректировать». Процессы, которые увеличивают скорость изменений в ДНК, называются мутагенными: мутагенные химические вещества вызывают ошибки в репликации ДНК, часто вмешиваясь в структуру спаривания оснований, в то время как УФ-излучение вызывает мутации, вызывая повреждение структуры ДНК. Химическое повреждение ДНК также происходит естественным путем, и клетки используют механизмы восстановления ДНК для устранения несоответствий и разрывов. Однако ремонт не всегда восстанавливает исходную последовательность. Особенно важным источником повреждений ДНК, по-видимому, являются активные формы кислорода, продуцируемые клеточным аэробным дыханием, и они могут приводить к мутациям.

У организмов, которые используют кроссовер хромосом для обмена ДНК и рекомбинации генов, ошибки выравнивания во время мейоз также может вызывать мутации. Ошибки в кроссовере особенно вероятны, когда сходные последовательности заставляют хромосомы-партнеры принимать ошибочное выравнивание; это делает некоторые участки генома более склонными к подобным мутациям. Эти ошибки вызывают большие структурные изменения в последовательности ДНК - дупликации, инверсии, делеции целых участков - или случайный обмен целыми частями последовательностей между разными хромосомами (хромосомная транслокация).

Естественный отбор и эволюция

Мутации изменяют генотип организма, и иногда это приводит к появлению различных фенотипов. Большинство мутаций мало влияют на фенотип, здоровье или репродуктивную способность организма. Мутации, которые действительно имеют эффект, обычно вредны, но иногда могут быть полезными. Исследования на мухе Drosophila melanogaster показывают, что если мутация изменяет белок, продуцируемый геном, около 70 процентов этих мутаций будут вредными, а остальные будут либо нейтральными, либо слабо полезными.

Популяционная генетика изучает распределение генетических различий внутри популяций и то, как эти распределения меняются с течением времени. На изменения частоты аллеля в популяции в основном влияет естественный отбор, когда данный аллель обеспечивает селективное или репродуктивное преимущество для организма, а также другие факторы, такие как мутации, генетический дрейф, генетический автостоп, искусственный отбор и миграция. .

На протяжении многих поколений геномы организмов могут значительно измениться, что приведет к эволюции. В процессе, называемом адаптацией, отбор полезных мутаций может привести к тому, что вид эволюционирует в формы, более способные выжить в окружающей среде. Новые виды образуются в процессе видообразования, часто вызванного географическим разделением, которое не позволяет популяциям обмениваться генами друг с другом.

Сравнивая гомологию между геномами разных видов, можно рассчитать эволюционное расстояние между ними и время, когда они могли разойтись. Генетические сравнения обычно считаются более точным методом характеристики родства между видами, чем сравнение фенотипических характеристик. Эволюционные расстояния между видами можно использовать для формирования эволюционных деревьев; эти деревья представляют собой общее происхождение и расхождение видов с течением времени, хотя они не демонстрируют передачу генетического материала между неродственными видами (известный как горизонтальный перенос генов и наиболее часто встречается у бактерий).

Модельные организмы

Хотя генетики изначально изучали наследование у широкого круга организмов, исследователи начали специализироваться на изучении генетики определенного подмножества организмов. Тот факт, что для данного организма уже проводились значительные исследования, побудит новых исследователей выбрать его для дальнейшего изучения, и поэтому в конечном итоге несколько модельных организмов стали основой для большинства генетических исследований. Общие темы исследований в области генетики модельных организмов включают изучение регуляции генов и участие генов в развитии и раке.

Отчасти организмы были выбраны для удобства - короткое время генерации и легкость генетических манипуляций сделали некоторые организмы популярные инструменты генетических исследований. К широко используемым модельным организмам относятся кишечная бактерия Escherichia coli , растение Arabidopsis thaliana , пекарские дрожжи ( Saccharomyces cerevisiae ), нематода Caenorhabditis elegans , обыкновенная плодовая муха ( Drosophila melanogaster ) и обыкновенная домашняя мышь ( Mus musculus ).

Медицина

Медицинская генетика пытается понять, как генетические вариации связаны со здоровьем и болезнями человека. При поиске неизвестного гена, который может быть вовлечен в заболевание, исследователи обычно используют диаграммы генетической связи и генетические родословные, чтобы найти место в геноме, связанное с заболеванием. На уровне популяции исследователи используют Менделирующую рандомизацию для поиска участков в геноме, связанных с заболеваниями, - метод, особенно полезный для мультигенных признаков, четко не определяемых одним геном. После того, как ген-кандидат найден, часто проводятся дальнейшие исследования соответствующих (или гомологичных) генов модельных организмов. Помимо изучения генетических заболеваний, возросшая доступность методов генотипирования привела к области фармакогенетики: изучению того, как генотип может влиять на реакцию на лекарства.

Люди различаются по наследственной склонности к развитию рака и рака. это генетическое заболевание. Процесс развития рака в организме - это совокупность событий. Иногда при делении внутри клеток тела происходят мутации. Хотя эти мутации не передаются потомству, они могут влиять на поведение клеток, иногда заставляя их чаще расти и делиться. Существуют биологические механизмы, которые пытаются остановить этот процесс; Сигналы передаются ненадлежащим образом делящимся клеткам, которые должны вызывать гибель клеток, но иногда возникают дополнительные мутации, заставляющие клетки игнорировать эти сообщения. В организме происходит внутренний процесс естественного отбора, и в конечном итоге в клетках накапливаются мутации, способствующие их собственному росту, создавая злокачественную опухоль, которая растет и проникает в различные ткани тела.

Обычно клетка делится только на реагирует на сигналы, называемые факторами роста, и прекращает рост при контакте с окружающими клетками и в ответ на сигналы, подавляющие рост. Затем он обычно делится ограниченное количество раз и умирает, оставаясь в эпителии, где он не может мигрировать в другие органы. Чтобы стать раковой клеткой, клетка должна накопить мутации в нескольких генах (от трех до семи). Раковая клетка может делиться без фактора роста и игнорирует тормозящие сигналы. Кроме того, он бессмертен и может бесконечно расти, даже после того, как вступит в контакт с соседними клетками. Он может ускользнуть из эпителия и, в конечном итоге, из первичной опухоли. Затем ускользнувшая клетка может пересечь эндотелий кровеносного сосуда и транспортироваться кровотоком для колонизации нового органа, образуя смертельные метастазы. Хотя есть некоторые генетические предрасположенности в небольшой части раковых заболеваний, основная часть связана с набором новых генетических мутаций, которые первоначально появляются и накапливаются в одной или небольшом количестве клеток, которые будут делиться с образованием опухоли и не передаются в потомство (соматические мутации). Наиболее частые мутации - это потеря функции белка p53, супрессора опухоли или пути p53, и усиление функциональных мутаций в белках Ras или других онкогенах.

Методы исследования

ДНК можно манипулировать в лаборатории. Рестрикционные ферменты - это обычно используемые ферменты, которые разрезают ДНК по определенным последовательностям, производя предсказуемые фрагменты ДНК. Фрагменты ДНК можно визуализировать с помощью гель-электрофореза, который разделяет фрагменты в соответствии с их длиной.

Использование ферментов лигирования позволяет соединять фрагменты ДНК. Связывая («лигируя») фрагменты ДНК из разных источников, исследователи могут создавать рекомбинантную ДНК, ДНК, часто связанную с генетически модифицированными организмами. Рекомбинантная ДНК обычно используется в контексте плазмид: короткие кольцевые молекулы ДНК с несколькими генами на них. В процессе, известном как молекулярное клонирование, исследователи могут амплифицировать фрагменты ДНК, вставляя плазмиды в бактерии и затем культивируя их на пластинах с агаром (для выделения клонов бактериальных клеток - «клонирование» также может относиться к различным способам создания клонированных («клонированных»). clonal ") организмов).

ДНК также можно амплифицировать с помощью процедуры, называемой полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Используя определенные короткие последовательности ДНК, ПЦР может изолировать и экспоненциально амплифицировать целевой участок ДНК. Поскольку он может амплифицироваться с очень малых количеств ДНК, ПЦР также часто используется для обнаружения присутствия конкретных последовательностей ДНК.

Секвенирование ДНК и геномика

Секвенирование ДНК, одно из наиболее фундаментальные технологии, разработанные для изучения генетики, позволяют исследователям определять последовательность нуклеотидов во фрагментах ДНК. Методика секвенирования с окончанием цепи, разработанная в 1977 году группой под руководством Фредерика Сэнгера, до сих пор обычно используется для секвенирования фрагментов ДНК. Используя эту технологию, исследователи смогли изучить молекулярные последовательности, связанные со многими заболеваниями человека.

Поскольку секвенирование стало дешевле, исследователи секвенировали геномы многих организмов, используя процесс, называемый сборкой генома, который использует вычислительные инструменты для сшивания последовательностей из множества различных фрагментов. Эти технологии использовались для секвенирования генома человека в проекте "Геном человека", завершенном в 2003 году. Новые технологии высокопроизводительного секвенирования резко снижают стоимость секвенирования ДНК, и многие исследователи надеются снизить стоимость повторного секвенирования генома человека до тысячи. долларов.

Секвенирование нового поколения (или секвенирование с высокой пропускной способностью) появилось из-за постоянно растущего спроса на дешевое секвенирование. Эти технологии секвенирования позволяют одновременно производить потенциально миллионы последовательностей. Большой объем доступных данных о последовательностях создал область геномики, исследований, в которых используются вычислительные инструменты для поиска и анализа закономерностей в полных геномах организмов. Геномику также можно рассматривать как подполе биоинформатики, которая использует вычислительные подходы для анализа больших наборов биологических данных. Общей проблемой для этих областей исследований является то, как управлять данными, относящимися к человеческому субъекту и личной информацией, и обмениваться ими.

Общество и культура

19 марта 2015 г. ведущие биологи призвали к всемирному запрету на клиническое использование методов, в частности, использования CRISPR и цинкового пальца, для редактирования генома человека таким образом, чтобы его можно было унаследовать. В апреле 2015 года китайские исследователи сообщили о результатах фундаментальных исследований по редактированию ДНК нежизнеспособных человеческих эмбрионов с помощью CRISPR.