Генетика и эволюция (работа 2)

Введение

Генетика представляет собой одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди биологических наук определяются тем, что она изучает основные свойства организмов - наследственность и изменчивость .

В результате многочисленных – блестящих по своему замыслу и тончайших по исполнению – экспериментов в области молекулярной генетики современная биология обогатилась двумя фундаментальными открытиями, которые уже нашли широкое отражение в генетике человека, а частично и выполнены на клетках человека.

Без преувеличения можно сказать, что, наряду с молекулярной генетикой, генетика человека относится к наиболее прогрессирующим разделам генетики в целом. Ее исследования простираются от биохимического до популяционного, с включением клеточного и организменного уровней.

Генетика и эволюция

Под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.

Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Генетика - это наука о наследственности. Под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем - ядерной и цитоплазматической.

Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов - цитотип.[¹]

Открытия Г. Менделя (к истории вопроса). Грегором Менделем (1822-1884), были открыты основные законы наследуемости, которые были описаны более века назад.

Когда чешский монах, Георг Мендель в 1865 году опубликовал свою теорию наследственности, то, как это часто бывает в научном мире со слишком смелыми теориями, ее не приняли. Понадобилось почти 40 лет, аж до 1900 года, когда были открыты хромосомы, опыты его вспомнили, выделенные законы стали основой новой науки.

В истории генетики очень велика была роль концептуальных открытий, к которым следует отнести введение новых терминов, понятий, способов представления данных, символики, а также собственно концептуальных конструктов и открытий. Уже Г.Г.Мендель ввел буквенную символику для обозначения разных факторов и обозначения фенотипически контрастных и отличающихся по характеру доминантности – рецессивности состояний одного и того же наследственного фактора. Это дало возможность представить в ясной форме характер наследования признаков в ряду поколений, установить количественные закономерности расщепления и анализировать его сложные случаи. Удивительна судьба понятия "ген".[¹]

Открытие двойной спирали ДНК и принципов редупликации - выдающееся научное открытие XX века - расшифровка двойной спирали ДНК - стало своеобразной вехой, знаменующей рождение принципиально новой, молекулярной генетики, появились новые направления и уникальные методы исследований, основанные на анализе структуры макромолекул.

Благодаря открытию Уотсона и Крика, удалось, в частности, понять лишь ощущавшийся в 20-40-е годы прошлого столетия принцип редупликации, самовоспроизведения генов.

Уотсон и Крик в знаменитой публикации 1953 года в журнале "Nature" так его сформулировали: "От нашего внимания не ускользнул тот факт, что из постулируемой нами избирательной сочетаемости пар (нуклеотидов А-Т, Г-Ц. - Ю.А.) вытекает возможный механизм копирования генетического материала". Работа Уотсона и Крика связала генетику с такими точными науками, как физика и химия, способствовала открытию генетического кода и породила лавину исследований, сделавших молекулярную генетику передовым краем биологии. Современная генетика - молекулярной своей частью, не исчерпывается, это - сложная и сильно дифференцированная наука.

Ее можно представить в виде древа, корнями которого служат законы наследственности, открытые в середине XIX века Грегором Менделем, а ветвями - различные научные направления, сформировавшиеся в процессе естественного развития генетики, в том числе и в последние десятилетия. Если обратиться к уровням организации жизни, то можно выделить популяционную генетику (ведет исследования на уровне популяций), физиологическую генетику и генетику развития (изучают наследственные свойства целостного организма), цитогенетику (клеточный уровень), молекулярную генетику (молекулярный уровень).

Существуют и так называемые частные генетики, которые описывают наследственные особенности различных биологических видов: дрозофилы, крупного рогатого скота, курицы, собаки, кошки, человека и т.д. Наконец, могут быть и более крупные подразделения: генетика животных, генетика растений, генетика микроорганизмов и, кроме того, существует огромная область, именуемая медицинской, или клинической, генетикой.[¹]

Геном человека и геном животных – сходства и различия. Сравнение геномов человека, шимпанзе и других млекопитающих позволяет выявить все больше генетических особенностей, отличающих нас от других животных. Однако функциональное значение большинства выявленных отличий пока не установлено, и даже сколько-нибудь обоснованные гипотезы удается выдвинуть лишь в немногих случаях.

Вопрос отличия человека от животного, издавна не дает покоя ученым. Хотя этологи и зоопсихологи в последние годы превзошли самих себя в отыскании у животных многих особенностей мышления и поведения, считавшихся ранее чисто человеческими, какие-то отличия все же, безусловно, имеются.

Особые надежды возлагаются на сравнение человеческого генома с геномом шимпанзе. Это позволяет сразу исключить из рассмотрения те 98% генома, которые идентичны у наших видов. Где-то там, в оставшихся двух процентах, зашифрована тайна человеческой уникальности. За успехами этих исследований общественность следит с неослабевающим интересом. На сегодняшний день узнать о тех изменениях, которые произошли в нашем геноме после того, как около 6 млн. лет разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе?

1. Изменения белков. Те части генома, которые кодируют белки, изменились очень мало. Различия в аминокислотных последовательностях белков у человека и шимпанзе составляют значительно менее 1%, да и из этих немногочисленных различий большая часть либо не имеет функционального значения, либо это значение остается неизвестным. Лишь в отдельных случаях удалось выдвинуть обоснованные гипотезы о возможной функциональной роли этих изменений.

2. Изменения регуляторных РНК. Еще один метод поиска "перспективных" районов человеческого генома основан на выявлении таких участков ДНК, которые у шимпанзе и других животных сходны между собой, а у человека сильно отличаются. Таким способом было выявлено 49 участков генома, в которых у наших предков произошли радикальные изменения уже после того, как разошлись эволюционные линии шимпанзе и человека.

Попытки найти в этих 49 участках что-нибудь осмысленное привели к открытию гена HAR1F. Этот ген кодирует не белок, а маленькую регуляторную РНК, которая активно синтезируется в мозге эмбриона как раз в тот период, когда закладывается структура коры больших полушарий (на седьмой–девятнадцатой неделе). Этот ген, как выяснилось, есть не только у всех млекопитающих, но и у птиц. Однако человеческий HAR1F имеет 18 отличий от шимпанзиного, а шимпанзиный от куриного – только два. Осталось лишь понять, какие гены регулирует эта маленькая регуляторная РНК, как она это делает и зачем.

3. Изменения активности генов. Эволюция многоклеточных организмов в целом и приматов в частности протекает не столько за счет изменения структуры генов, сколько за счет изменения их активности. Небольшое изменение в верхних этажах иерархически организованных генно-регуляторных контуров может приводить к самым радикальным изменениям морфологии. При этом количество измененных нуклеотидов в геноме может быть очень небольшим. Активность генов регулируется множеством способов, но самой универсальной у высших организмов является регуляция при помощи специальных белков – транскрипционных факторов (ТФ). Любопытно, что почти все гены, чья активность в клетках мозга сильно различается у человека и шимпанзе, у человека работают активнее. Что бы это значило? Никто пока не знает.

4. Удвоение генов. Активность генов может меняться в ходе эволюции не только под действием различных регуляторов – ТФ или регуляторных РНК – но и в результате дупликации генов. При прочих равных два одинаковых гена произведут больше продукта, чем один. Дупликация генов, так же как и их потеря – весьма обычное явление в эволюции. В человеческой эволюционной линии (после ее обособления 6 млн лет назад) произошло как минимум 134 генных дупликации. Удваивались не только гены, но и все то, что находится между ними – всевозможные некодирующие участки ДНК, функция которых в большинстве случаев неизвестна. Иногда происходило удвоение отдельных фрагментов генов. Функция гена, как водится, неизвестна, но он несет следы действия отбора и активно работает в клетках мозга (Popesco et al., 2006).

5. Новые гены. Удвоение генов часто становится первым шагом к возникновению принципиально новых генов. Одна из двух копий гена, оказавшись в ином "окружении", может начать по-другому регулироваться, работать в других тканях или на иных этапах развития организма. Но это – долгий путь. В какой степени он был реализован в эволюции человека, толком пока не известно. Сейчас генетики занимаются в основном подготовительной работой: проводят широкомасштабные геномные "сканирования" и составляют длинные списки "генов-кандидатов". На сегодняшний день одним из наиболее хорошо "проработанных" кандидатов считается ген prodynorphin (PDYN), в регуляторной области которого произошли изменения, следствием которых могли стать перемены в эмоциональной регуляции человеческого поведения.

Программа "Геном человека" и ее перспективы. Направления этой программы, активно проникают во все сферы жизни человека, и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающем "генетизации" человечества.

В 1990 активным инициатором и пропагандистом программы "Геном человека" стал знаменитый Джеймс Уотсон, а главным распорядителем финансов - Национальный Институт Здравоохранения США, в составе которого в 1995 году появился Национальный Институт Генома Человека, который возглавил Френсис Коллинз. В этом же году он стал и руководителем Международной программы "Геном Человека", к которой присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии одноименной отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому академику А.А.Баеву.

Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека, на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5–6 тыс.

Каковы функции остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов, остается совершенно неизвестным и составляет основную стратегическую задачу исследований в программе "Функциональная Геномика". Нет сомнения в том, что именно изучение структуры, функции и взаимодействия белков станет основой функциональной геномики, которую уже сейчас не редко называют "протеономикой" (Киселев, 2000).

Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток с целью получения лабораторных животных (мышей) — биологических моделей наследственных болезней (Горбунова, Баранов, 1997), создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, не кодирующих белки; развитие новых технологий по сравнительному анализу экспрессии многих тысяч генов — вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.

Предполагается, что когда будет создан генный портрет генома человека, станет возможной идентификация 200–300 тыс. белков. Выяснить их появление в онтогенезе, исследовать "экспрессионный профиль" сотен и тысяч генов на микропланшетах для мониторинга экспрессионного статуса клеток и тканей в норме и при различных заболеваниях — центральная задача Функциональной Геномики в так называемую постгеномную эру (Киселев, 2000). Решение ее непосредственно связано с проблемами молекулярной медицины.

Квантово-механические источники генетических мутаций. Для объяснения эмпирически установленного факта сравнительно быстрого формирования крупных систематических групп, впоследствии длительное время существующих без заметных изменений своих основных характерных черт, – семейств, отрядов, классов и т.д. - в процессе эволюции предковая группа утрачивает приспособленность к своей адаптивной зоне и затем либо быстро преодолевает неустойчивое состояние ("неадаптивная фаза", "интервал нестабильности"), развивая комплекс приспособлений к какой-то новой адаптивной зоне, либо вымирает.

Важное достоинство этой теории – ее экологическая составляющая. Однако появилась эта теория слишком рано, когда принципы синэкологии еще не были достаточно разработаны, и убедительных палеоэкологических реконструкций далекого геологического прошлого Земли не существовало.[¹]

Время их образования – ранние периоды геологической истории, такие как кембрий и ордовик, или же кризисные эпохи после массовых вымираний, применительно к которым об устойчивых экосистемах с высокой плотностью упаковки ниш вообще нельзя говорить. Природа так придумала, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Имеется избыток и вариативность информации, чтобы сделать то, что нужно наверняка. Установлено, что молекул ДНК в ядрах клеток столько, что их хватило бы на образование в 10 раз большего числа генов. Это подобно вырождению в квантовых физических состояниях, когда разные волновые функции соответствуют одному и тому же значению собственной энергии. Такой код в молекулярной биологии также называется вырожденным в том смысле, что несколько разных триплетов передают один и тот же смысл, т.е. являются по существу синонимами. Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого одинакова.

Таким образом, признаки и свойства живых организмов, зафиксированные в молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранятся и передаются химическим путем, комбинацией соответствующих органических молекул. Ген выступает как неделимая единица наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно назвать квантом наследственности. В настоящее время установлено, что признаки передаются дискретным образом через эти дискретные образования - гены, что позволяет ввести в биохимическую генетику квантово-механические представления физического микромира.

Следовательно, наследственность по своей природе дискретна, и для изучения ее могут быть использованы математические и физические модели. Это отмечал еще Шредингер: «Уже сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащей в основе генетики, очень созвучен атомарной теории строения вещества».

В генетической системе обнаруживаются те же закономерности, что и в квантовом мире: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, возможность их комбинации и образование других порядков прерывистой наследственности, скачкообразность переходов из одних состояний в другие, а также вырождение состояний. И.А. Рапопорт установил некоторые аналогии между генными нуклеотидами и кварками с барионами (три кварка в барионе и три нуклеотида в триплете), подобие взаимодействий нуклеотидов и кварков, отсутствие тех и других в свободном состоянии и т.д.

Генетика и этика – проблемы генной инженерии и клонирования высших организмов и человека

Основная цель медицины, определяющая направление биомедицинской теории и практики – избавление человечества от страданий. Медицинская генетика помогает диагностировать и, таким образом, предупреждать множество генетических заболеваний – нарушение метаболизма (фенилкетонурия), болезней крови (талассемия, серповидно-клеточная анемия, гемофилия). Развитие медико-генетических методов диагностики и лечения может способствовать предотвращению таких болезней и облегчению страданий многих людей. Однако целью генетического вмешательства не должно быть искусственное «усовершенствование» человеческого рода. Ведь задача медицинской генетики – это забота о конкретных людях, о конкретных семьях.

Также лишь на основе уважения свободы личности могут осуществляться генетическая идентификация и генетическое тестирование (создание «генетического паспорта»). Ведь обладание информацией о наследственной предрасположенности к тяжким заболеваниям может стать непосильным душевным грузом. А кроме того, имеется реальная опасность злоупотребления генетическими сведениями, при котором они могут послужить различным формам дискриминации.

Технологии вмешательства в репродуктивные функции человека, связанные с судьбами будущих поколений, не могут осуществляться без этического осмысления и законодательного регулирования. Ведь генная терапия половых клеток является крайне опасной, т.к. связана с изменением генома в ряду поколений, что может повлечь непредсказуемые последствия в виде новых мутаций и дестабилизации равновесия между человеческим сообществом и окружающей средой.

Идея клонирования человека – воспроизведение самостоятельного организма из единичной соматической клетки, генетически тождественной донору представляется абсолютно неприемлемой. Ее практическая реализация разрушит естественные основы социальных отношений, вызовет катастрофическое изменение мировоззренческих установок в сторону дальнейшего обесценивания жизни каждого отдельного человека, создаст угрозу человеческому достоинству, уникальности и личной неприкосновенности, делая наследственность человека беззащитной перед посторонним вмешательством.

Что же касается клонирования изолированных клеток и тканей живых организмов, равно как и использование целого ряда современных молекулярно-генетических методов, то против этих технологий не может быть возражений, поскольку они не нарушают суверенитета человеческой личности и полезны в научно-исследовательских работах, медицинской и сельскохозяйственной практике.

Заключение

Расшифровка двойной спирали ДНК стало новым этапом развития молекулярной генетики, появились новые направления и уникальные методы исследований, путей эволюции живых организмов, основанные на анализе структуры макромолекул.

Вопросы отличия человека от животного, не дающие покоя ученым уже многие века, находят все новые ответы, благодаря сравнению человеческого генома с геномом других видов живых организмов. Взяв во внимание тот факт, что 98% генома, идентичны у наших видов.

На сегодняшний день узнать о тех изменениях, которые произошли в нашем геноме после того, как около 6 млн. лет разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе. В этом поможет изучение источников генетических мутаций, основывающихся на том, что в процессе эволюции предковая группа утрачивает приспособленность к своей адаптивной зоне и затем либо быстро преодолевает неустойчивое состояние, развивая комплекс приспособлений к какой-то новой адаптивной зоне, либо вымирает.

В заключении, хотелось бы особо отметить, что технологии вмешательства в репродуктивные функции человека, связанные с судьбами будущих поколений, не могут осуществляться без этического осмысления и законодательного регулирования. Ведь генная терапия половых клеток является крайне опасной, т.к. связана с изменением генома в ряду поколений, что может повлечь непредсказуемые последствия в виде новых мутаций и дестабилизации равновесия между человеческим сообществом и окружающей средой.

Список литературы

Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. - СПб.: Борей Арт, 2000. - с. 262.

Иванов В. И., Юдин Б. Г. Этико–правовые аспекты программы «Геном человека». М. 189 (1998).

Пузырев В. П., В. А. Степанов. Патологическая анатомия генома человека (Новосибирск: «Наука») 223 (1997).

Свердлов Е. Д. Очерки современной молекулярной генетики по курсу лекций для студентов биологического факультета МГУ. Очерк 6. Генная терапия и медицина XXI века. Молекул. генет., микробиол., вирусол. No 4 c 3 (1996).

Чудов С.В. Устойчивость видов и популяционная генетика хромосомного видообразования: Монография. – М: МГУЛ, 2002. – 97 с.

1 Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. — СПб.: Борей Арт, 2000. — С. 141.

1 Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. — СПб.: Борей Арт, 2000. — С. 21.

1 Статья: ГЕНЕТИКА - ЦЕЛОСТНАЯ НАУКА. Беседа с академиком Ю.П. Алтуховым

1 Чудов С.В. Устойчивость видов и популяционная генетика хромосомного видообразования: Монография. – М: МГУЛ, 2002. – С.34.