Лекция #4. Молекулярная генетика. «Биология поведения человека» [Роберт Сапольски. Стэнфорд]

Предыдущая: лекция #3.

Курс рассказывает о взаимосвязи физиологии и человеческого поведения. О скрытых эмоциях, мыслях, воспоминаниях и т.д. Как одни составляющие могут влиять на другие при различных обстоятельствах. По ходу курса объясняется социальное поведение человека, в том числе — отвратительно ненормальное поведение. Биология поведения нужна, когда вы в суде, голосуете на выборах, выбираете, тратить или не тратить деньги на решение какого-то вопроса и можно ли его вообще решить, когда пытаетесь понять близкого человека, погрузившегося в депрессию, и во множестве других ситуаций.

Автор конспекта: Евгений Недильский.Корректор: Виталий Ульянов, Михаил Антонов.Источник конспекта: Конспекты Юджина.Источник лекций: 25 лекций в озвучке от VertDider.

Лекция #4. Молекулярная генетика, I

1. Белки, ДНК и их роль

Тайм-код: 04:55-16:22, до этого — вступление и повторение прошлой лекции.

Белок — важный структурный компонент при формировании клеток. Белки выполняют множество функций: сохраняют форму клеток, образуют мессенджеры, гормоны, нейромедиаторы и др.

Как белки кодируются?

Белки складываются из аминокислот, а каждая из 20 различных аминокислот кодируется уникальной последовательностью ДНК. То есть гены (ДНК) определяют, какими будут белки.

Алгоритм кодирования белков:

1. ДНК сперва кодирует промежуточную форму — РНК.
2. РНК кодируют аминокислоту (часто РНК пропускают и говорят, что ДНК кодирует аминокислоту).
3. Аминокислоты выстраиваются в определённую последовательность, создавая белок определённой формы.
4. Форма белка обуславливает функцию белка.

ДНК — РНК — аниминокислоты — форма белка — функция белка.

Взаимодействие белков

Форма эффекторного белка определяет то, как он будет связываться с другими эффекторными белками, то есть работает принцип «ключ и замок». Форма мессенджера и рецептора (замок) определяет то, какой гормон или нейромедиатор (ключ) связывается с рецептором.

Откуда берутся разные формы белков?

Цепочка аминокислот составляет белок. Большинство белков постоянно плавают в воде. 20 различных аминокислот принимают разное положение в зависимости от их отношения к воде. Гидрофильные — притягиваются к воде. Гидрофобные — отталкиваются от воды. То есть форма всей цепочки аминокислот зависит от того, какие именно аминокислоты в составе этой цепочки.

Прионные болезни показывают, что это неверно, однако для нашей темы это взаимодействие белков является верным.

Роль белков как ферментов

Все ферменты по своей природе — это белки. Ферменты катализируют реакции: разрывают или создают соединения и вызывают реакции, которые без них происходили бы очень-очень редко, увеличивая их скорость в миллиарды раз. Если белок является ферментом, то его форма быстро меняется, иногда в зависимости от функций, которые он выполняет. Структура белка определяет не только форму и функции, но и создаёт условия, при которых форма может измениться важным для функции образом.

Центральная догма жизни: заблуждения

Центральная догма жизни и передачи информации в молекулярной биологии — это передача информации от ДНК к РНК, а затем к белку. Такая передача работает для любых последовательностей ДНК, для любого гена, для любой структуры белка, которую он кодирует, то есть ДНК решает всё. Однако этот постулат нарушался множеством разных способов. Примеры его нарушения:

• Вирусы — это крупицы инородной ДНК, которые способны залезть в ДНК живого организма, подчинить себе процессы в ней и заставить клетку работать в их паразитических интересах. А если меняется первый шаг в центральной догме жизни, значит, меняется и РНК, и белок.
• Ретровирусы — вирусы из промежуточной формы — из РНК. Есть категория ферментов, способных взять информацию из РНК и превратить эту информацию обратно в ДНК.

2. Классические типы мутаций в генетике и их роль

Тайм-код: 16:22-24:36

Что, если кусочек ДНК не так закодируется и выйдет мутация?

Мутации бывают трёх типов: точечные мутации, инсерции и делеции.

• Точечная мутация (микромутация) — одна буква в ДНК становится другой.
• Делеция — буква в ДНК теряется, что приводит к смещению кода в сторону пропуска.
• Инсерция — буква в ДНК дублируется, что приводит к смещению кода в сторону дублирования.

Точечные мутации могут:

• никак не повлиять на аминокислоту (если изменяется буква в средине триплета);
• вызвать небольшие изменения: создать похожую аминокислоту, в итоге белок будет работать примерно так же;
• принести к серьезным последствиям: создать новую аминокислоту, у которой противоположное отношение к воде, в итоге формируется белок совсем другой формы, несущий совершенно другую информацию.

Делеция и инсерция обычно приводят к серьёзным последствиям, белок вообще не будет работать.

3. Примеры микроэволюционных изменений: последствий мутаций

Тайм-код: 24:36-38:42

Тяжёлое поражение центральной нервной системы: фенилкетонурия

Мутация: теряется функция существующего гена.

У нас в организме есть полезное вещество — фенилаланин. Но слишком большое его количество станет токсичным и может повредить нейроны в мозгу. Есть белок (фермент), который превращает фенилаланин в более безопасное вещество. Из-за мелкой мутации может получится фермент, который не выполняет свою функцию. В итоге это приводит к болезни— фенилкетонурии, когда фенилаланин накапливается и начинает разрушать нервную систему сразу после рождения. Репродуктивный успех человека с таким заболеванием близок к нулю.

Девочка, которая мальчик: синдром тестикулярной феминизации

Мутация: теряется функция существующего гена (как и в первом примере).

У родителей родилась дочь, со здоровьем вроде бы всё в порядке. Но когда у её сверстниц происходит половое созревание, у неё оно не наступает. Спустя какое-то время девочку ведут к врачу. В итоге выясняется, что менструации у дочери не происходит, потому что у родителей нет дочери, а есть сын с феминизированными яичками. Они не опустились и находятся где-то в животе и вырабатывают много тестостерона. Тем не менее, выходит женский фенотип: женские наружные гениталии и другие признаки. Из-за мутации в гене происходит нечувствительность к андрогенам, рецепторы не замечают тестостерон все зависимости от того, сколько его в организме.

Смена пола в период полового созревания: феномен «геведосе»

Мутация: функция существующего гена выполняется неэффективно и приводит к недугам.

Ферменты, производящие тестостерон, работают малоэффективно.

• Случай 1. У будущего мальчика по генетике крайне низкий уровень тестостерона в утробе. В итоге он фенотипически рождается девочкой, с наружными женскими гениталиями. Однако влагалище не ведёт никуда, так как над ним нет яичников. Зато есть пару яичек, которые не спустились вниз. Относительно здоровую девочку ждёт здоровая жизнь, но без возможности забеременеть.
• Случай 2. Примерно такая же ситуация до полового созревания, как и в первом случае. Но в результате разных изменений в период созревания мозг начинает сильно повышать уровень тестостерона до нормального значения у мальчиков. В результате по наружным признакам девочка в период созревания меняет пол и становится мальчиком. А всё из-за единичной мутации, которая даже не выключает функцию какого-то белка. Но его функция заторможена, что ведёт к описанным выше последствиям.

Оба случая встречаются в горах Доминиканской республики и в горах Новой Гвинеи. В относительно изолированных инбредных популяциях. В обоих популяциях люди адаптировались к этому, для них ничего страшного нет: это же переходный возраст, у кого-то появляются прыщи, а у кого-то — пенис :)

Разная степень тревожности.

Мутация: отсутствует, есть только различные вариации, когда функция существующего гена выполняется неэффективно и не влечёт явных недугов.

Существует нейрохимическая система, которая связана с тревожностью. Есть белки безодиазепины и рецепторы, которые образуют с ними связку. (Существует синтетический бензодиазепин, который люди принимают при тревожности.) Бывают мелкие различия (не мутации, а различные вариации) в ДНК, задающие бензодиазепиновые рецепторы. Немного меняется форма рецептора, а значит и время удержания и передачи сигнала. В итоге: одна из причин разной степени тревожности у людей. Тревожные и не тревожные люди могут различаться всего лишь формой бензодиазепинового рецептора.

4. Градуализм vs прерывистое равновесие

Тайм-код: 38:42-1:04:02

Градуализм. Эволюционная биология

Градуализм — цепочка медленных поэтапных эволюционных изменений. (Градуалистическая модель демонстрируется приведенными выше мутациями.) Например, когда единственный белок может начать работать иначе. Возникает вопрос: повысятся или понизятся копии генов индивида в ходе таких мутаций? То есть в конкуренции важна каждая мелочь. Даже если фертильность индивида повышается на каких-нибудь 1,5%, то спустя какое-то количество поколений новый тип рецептора, который повысил фертильность, будет встречаться уже у всей популяции. Благодаря малому преимуществу из-за мелкого изменения в одном из генов спустя какое-то количество поколений этот признак станет нормой.

Речь и гены: пример значимости поэтапных изменений

Ген FOXP2 связан с речевыми функциями. Он есть как у человека, так и у множества других животных: у крыс, птиц, приматов. FOXP2 всегда как-то связан с общением: с пением у птиц, ультразвуковой локализацией у крыс и т.д. Но у разных животных этот ген имеет различия. У людей в этом гене произошло огромное множество поэтапных изменений за очень короткий — по меркам эволюции — период, что делает ген очень непохожим на его версии у животных. Когда в ходе эксперимента ген FOXP2 у мышей заменили на человеческую версию этого гена, то мыши сразу же начинали напевать песню из Микки Мауса у мышей ультразвуковая локализация стала сложнее.

Как происходят мелкие изменения в градуализме?

Есть 64 способа кодирования аминокислот. В среднем каждая аминокислота может быть кодирована 3 способами. 2/3 мутаций нейтральны, 1/3 вызывает изменения аминокислоты.

• Положительный отбор признака. Если 99% мутаций в гене создавали новые аминокислоты, значит, частота мутации гораздо выше, чем при случайном процессе, что говорит о последствиях очень мощного отбора с очень выгодными признаками.
• Отрицательный (стабилизирующий) отбор признака. Если 99% мутаций в гене нейтральны и ничего не меняют, то это говорит о том, что функция данного белка критична и её нельзя менять, иначе это сильно скажется на передаче копий своих генов.

Что такое общая ДНК?

Под общей ДНК понимаются одинаковые типы генов, которыми кодируются типы признаков. У людей 98% общей ДНК с шимпанзе. Это значит, что 98% генов не просто одинаковые, а кодируют признаки одного типа. Ведь каждый из этих генов может иметь пару или даже несколько разных вариантов. Гены с помощью белков задают признаки (черты), если очень упрощать: рога, спинные плавники, пестики и тычинки, почки и др.

Прерывистое равновесие. Палеонтология

Прерывистое равновесие — долгие периоды относительного постоянства (стазиса), сменяющиеся резкими рывками эволюционных изменений в относительно короткий промежуток времени.

Эволюцией не движут мелкие генетические изменения, они не важны и они не создают конкуренцию. Если в ДНК происходят изменения из-за мутации, то они обычно нейтральны. А если они не нейтральны и повышают приспособленность организма на какой-нибудь 1%, то они ни на что существенно не влияют. Такой ход изменений прослеживался палеонтологами при изучении окаменелостей.

Претензии к прерывистому равновесию:

• Эволюционные биологи и палеонтологи работают по разным временным шкалам. Быстрые эволюционные скачки для палеонтолога — это скачки в десятки миллионов лет для эволюционного биолога, а стремительные эволюционные изменения — это сотни тысяч лет.
• Важные эволюционные изменения, которые не фиксируются палеонтологией, могут восприниматься как период постоянства. Палеонтологи изучают морфологию организма, окаменелость не покажет, какими были мозги, внутренние органы, поведение. В палеонтологической летописи не остаётся никакого следа эволюции мозга, меланизма кожи, цвета глаз, количества камер в сердце и множества других признаков.
• Непонятны молекулярные изменения, по которым возможны стремительные изменения и периоды постоянства.

Однако со времён этих претензий все важные открытия в мире молекулярной генетике подтверждали прерывистые модели. Они показывали, что микромутации и микроэволюционные явления — это не то, что происходит в большинстве случаев.

5. ДНК, гены, белки и их роль. Новое представление

Тайм-код: 1:04:02-1:33:41

Структура гена и кодирование белков

Было: ген кодируется одной непрерывной цепочкой ДНК.
Стало: ген обычно не кодируется одной непрерывной цепочкой ДНК. Например, сперва может идти отрезок ДНК, кодирующий первую треть белка (экзон). Затем — отрезок никак не связанный с белком (интрон). И только затем кодируется следующая треть и следующая.

Экзоны — кодирующие участки ДНК.
Интроны — промежуточные участки ДНК.
Ферменты сплайсинга захватывают нужные участки на уровне РНК, чтобы из экзонов собрался цельный код, необходимый для кодирования всего белка.

Было: 1 ген — 1 белок.
Стало: 1 ген — много разных белков при разных условиях.

Гены имеют модульную структуру. Располагая экзоны в определённом порядке, можно собирать разные варианты кода, создавая разные белки (как в конструкторе). Из 3 частей кода (3 экзонов) можно собрать 7 различных комбинаций белков. В итоге каждый ген определяет не только один белок, из 1 гена можно получить 7 разных белков (A-B-C, A-B, A-C, B-C, A, B, C, но в обратном порядке транскрибировать ген нельзя).

Кроме того, в некоторых генах разные ферменты сплайсинга могут делить цепочку ДНК не ровно по границам экзона, а в разных местах. Поэтому один ген может создать куда больше 7 разных белков. Один и тот же ген производит разные белки в разных частях тела, в разные периоды жизни, при разных условиях у разных людей. И какой будет белок, зависит от того, каким образом ферменты сплайсинга соединят между собой экзоны. Самое интересное в ДНК — это не форма белка, не его функция или эффективность её выполнения, а при каких условиях белок что-то делает.

Расположение генов в ДНК

Было: гены идут друг за другом. Ген — это непрерывный поток информации, из которого 99,9% ДНК отведено на кодирование аминокислот, а остальные 0,1% в конце — это сигнал «стоп».
Стало: гены крайне редко идут друг за другом. Между ними расположены длинные отрезки ДНК, которые не кодируют белки и занимают 95% ДНК. На кодирование аминокислот отведено всего 5% ДНК, остальные 95% — это инструкция, поясняющая, когда активировать одни гены и выключать другие.

Факторы транскрипции — переключатели в длинном участке ДНК с инструкциями, указывающими, когда включить, а когда выключить гены.
Промотор — «включатель», с него начинается процесс передачи информации от ДНК к РНК (транскрипция). Один промотор может регулировать больше одного гена, то есть запускать реакцию в целой сети цепочек ДНК. В то же время у любого гена может быть множество разных промоторов.
Репрессор — «выключатель», на нём заканчивается процесс передачи информации от ДНК в белок (репрессия — блокировка экспрессии).

Промоторы и репрессоры занимают лишь малую часть в инструкции, существует множество других регуляторных правил.

Центральная догма жизни

Было: ДНК знает, что она делает, и является центральной догмой жизни в молекулярной биологии.
Стало: ДНК — это только сводка данных, подчиняющаяся правилам, закодированным в 95% цепочки. ДНК сама по себе не знает, что делает и не является отправной точкой центральной догмы жизни.

Среда регулирует генетические эффекты, влияя на активацию тех или иных правил. Примеры:

• Среда в клетке. У клетки заканчивается энергия, и тогда определённые правила заставят активироваться гены, ускоряющие поглощение энергии снаружи клетки, гены усиленной передачи энергии, гены более эффективного использования энергии и др.
• Среда вне клетки, из другой части организма. Влияет через гормоны (большинство из которых по своей природе — это белки), которые свободно перемещаются и воздействуют на клетки по всему телу. Тестостерон секретируется из яичек, разносится по всему телу и в итоге связывается с андрогенными рецепторами в мышцах. Отчего мышц становится больше.
• Среда вне организма. Обонятельная информация, то есть феромоны, доходит до какой-то клетки, что-то активирует и по цепочке идут до клеток, контролирующих мышцы, которые отвечают за расширение зрачков. То есть события где-то вовне определяют, когда активируются гены.

Значимость раннего опыта для генов

События в начале жизни могут вызывать долгосрочные изменения в генах живого существа на всю его оставшуюся жизнь. Например, от ухода мамы-крысы за детёнышами зависит, как у них всю остальную жизнь будут работать гены, связанные с гормонами стресса. А если изменить стиль материнского ухода у одного из видов обезьян, можно изменить состояние 4000 генов в одной области мозга их детёнышей. Эти события изучает наука эпигенетика.

Продолжение следует в лекции #5…

Источник: m.vk.com

Комментарии: