Почему мы такие разные?

Наш геном– это совокупность всех генов нашего организма, причем точная копия генома содержится в каждой клетке человека. Следовательно, каждая клетка заключает в себе все наши гены. Гены, в свою очередь, образованы длинными линейными молекулами ДНК. У человека около двадцати тысяч генов. Поскольку они управляют всеми биохимическими процессами организма от рождения до смерти, положение генома в организме человека привилегированное. Геном можно сравнить с жестким диском компьютера, на котором записаны файлы-гены. Каждый ген имеет индивидуальную метку, благодаря которой другой ген может его найти и заставить работать или замолчать. По мере развития человека через взаимодействие файлов-генов происходит выполнение генетической программы, заложенной в геноме. Взаимодействующие друг с другом гены, как компьютеры, работающие в интернете, образуют сложные сети.

Тело человека построено из самых разных клеток, общее число которых приближается к ста триллионам. Благодаря работе генов образуется все разнообразие клеток человека: например, клетки мозга – нейроны, клетки печени – гепатоциты или клетки соединительной ткани – фибробласты. Такое разнообразие обеспечивается работой определенных групп генов в клетках разных типов. Высокая надежность функционирования генома обеспечивается тем, что в каждой клетке он представлен двумя копиями – одну копию мы получаем от матери, а другую (в момент оплодотворения яйцеклетки) от отца. Действительно, в том случае, если одна копия гена повреждается и начинает хуже работать, другая копия берет на себя выполнение функций, утраченных первым геном.

Как устроен наш геном?

Огромный геном человека, образованный молекулами ДНК, заключен в ядре каждой клетки. Общая длина молекул ДНК генома человека, если их вытянуть в одну линию, составляет около двух метров, тогда как диаметр ядра не превышает нескольких десятков микрометров. Следовательно, геном человека в ядре плотно упакован. Геном человека представлен не одной огромной нитью молекулы ДНК, а разделен на отрезки разной длины, которые называют хромосомами. Так же, как и весь геном, каждая хромосома представлена двумя копиями (парой хромосом), полученными от отца и от матери. У здоровых людей 46 хромосом: по 23 от каждого из родителей.

Гигантские молекулы ДНК, составляющие геном человека, построены всего из четырех строительных блоков – нуклеотидов, которые обозначают латинскими буквами A, T, G и C. Нуклеотиды, как буквы в тексте, чередуются в молекуле ДНК в строго определенном порядке, образуя осмысленный текст – множество уникальных последовательностей, формирующих гены. Каждую из таких последовательностей нуклеотидов, составляющих отдельный ген, можно сравнить с конкретным словом или предложением нашего языка. Суммарно все молекулы ДНК генома человека построены из трех миллиардов нуклеотидов. Прочитав заключенный в геноме текст из трех миллиардов букв, можно оценить многие биологические особенности конкретной личности: сделать вывод о здоровье человека и его психических особенностях. Поэтому изучение последовательностей нуклеотидов очень важно, но из-за гигантского размера генома человека это чрезвычайно сложно.

Почему геномы разные?

Не нужно быть генетиком, чтобы сделать вывод о том, что двух одинаковых людей не бывает. Сегодня хорошо известно, что большинство этих особенностей определяется различиями в последовательностях «букв», составляющих гены конкретных людей.

От родителей потомству передается по одной копии генома, которые, объединившись в яйцеклетке, запускают работу генов и формируют личность. Чтобы это стало возможным, геном родителей должен копироваться при делении половых клеток. Поскольку точность копирования ограничена, возникают ошибки в последовательности «букв», составляющих гены. Одна или несколько «букв» могут меняться на другие. Из-за таких ошибок меняется и смысл всего слова, а вместе с тем эффективность и корректность работы измененного гена. Ошибки в последовательностях нуклеотидов называют мутациями.

Помимо ошибок копирования генома источником мутаций могут быть мутагены, химические вещества, резко повышающие частоту возникновения мутаций. Физические факторы окружающей среды – ультрафиолетовый свет, радиоактивное излучение – также приводят к повышенному накоплению мутаций.

Удивительно, но основным источником мутаций у человека являются все же внутренние причины. В здоровом организме человека протекают биохимические процессы, в результате которых образуются вещества, повреждающие его гены. К таким веществам, в частности, относятся активные формы кислорода. Под действием этих веществ в каждой клетке человека ежедневно возникает до двухсот тысяч повреждений ДНК, большая часть которых исправляется многочисленными защитными механизмами. Нарушение защитных механизмов приводит к развитию у человека тяжелых патологий, включая рак, диабет и аутоиммунные заболевания. Наличие таких внутренних отравляющих веществ – один из основных факторов, ограничивающих продолжительность нашей жизни.

Непрерывно возникающие в геноме человека мутации накапливаются в обществе из поколения в поколение в виде большого генетического груза и служат источником генетического разнообразия человечества.

«Хотя число индивидов, составляющих нацию, можно пересчитать, генетическое разнообразие генофонда бесконечно: в нем непрерывно возникают новые варианты генов и их сочетаний».

Нейтральные и вредные мутации в геноме

Несмотря на большой размер, геном человека содержит не очень много генов. Исследования структуры генома последних лет показали, что ДНК генов составляет лишь 3 % всей геномной ДНК. Функции остальной части генома в настоящее время неизвестны. Изменения в части генома человека, относящейся к генам, чаще всего приводят к заболеваниям. Бывают сильные мутации, которые полностью выключают работу отдельных генов. Если ребенку и от отца, и от матери достается поврежденный ген, у него неотвратимо развивается патологический процесс.

Возникновение таких распространенных заболеваний, как рак, диабет, ожирение, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные болезни, так просто не объясняется. Развитие этих заболеваний обусловлено действием на организм человека двух групп факторов: генетических и факторов окружающей среды. На сегодняшний день обнаружено большое число широко распространенных мутаций, иначе называемых полиморфизмами, которые ассоциированы с такими заболеваниями. Человек с этими мутациями в геноме попадает в группу риска – вероятность развития соответствующей патологии у него выше, но только вероятность, которая может и не реализоваться.

На основании данных о таких мутациях никогда нельзя предсказать с полной уверенностью, заболеет человек или нет. То есть тестировать геном внешне здорового человека на наличие в нем таких мутаций бессмысленно. В современной медицине сложилась неопределенная ситуация с прогнозом развития сложных многофакторных заболеваний у внешне здорового человека.

Несмотря на то что набор генов у всех людей почти один и тот же, каждый конкретный ген в популяциях человека представлен очень большим числом вариантов из-за разных мутаций, накопленных в нем в процессе эволюции. Этим обеспечивается неповторимость генома каждого человека. Также уникальны и формирующиеся сети взаимодействующих генов. При внесении в такую сеть нового мутантного варианта гена она перестраивается и достигает нового равновесия. В результате предсказать влияние отдельной распространенной мутации на здоровье человека в настоящее время практически невозможно. Такие мутации нельзя рассматривать изолированно от остального генома – они являются его неотъемлемой частью и на уникальном генетическом фоне конкретного человека могут и не проявиться. Теоретически выявить опасность можно было бы, определив полную структуру всего генома, то есть установив полную последовательность «букв» его ДНК, а это исключительно сложно.

Первая полная усредненная структура генома человека была расшифрована к 2000 году. В этой грандиозной работе принимали участие две группы исследователей. С одной стороны, до 1997 года такими исследованиями занимался большой международный консорциум, деятельность которого координировал Фрэнсис Коллинз, ныне занимающий пост директора Национального института здоровья США. В 1997 году, когда работа была близка к завершению, а все полученные результаты были опубликованы, к исследованиям независимо подключился американец Джон Крейг Вентер. На пожертвования он организовал фирму Сelera Genomics, которая проводила исследования структуры генома преимущественно самого Вентера. В итоге обе группы одновременно пришли к финишу. Затраты на расшифровку генома человека и с той и с другой стороны составили приблизительно по 3 миллиарда долларов. Расшифровка генома Вентера оказалась первой опубликованной структурой персонального генома человека.

Лев Патрушев – Доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии ФГБУН Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН.

10 фактов о человеческом геноме.

Геном человека не изучен до конца, но исследования ученых уже кардинально изменили нашу жизнь: по анализу слюны можно узнать происхождение своих предков и обнаружить тысячи новых родственников, определить наследственные заболевания и реакцию на лекарственные препараты. Plus-one.ru собрал десять фактов о человеческом геноме, которые позволяют лучше понять собственный организм.

Факт 1. Геном — совокупность наследственного материала, собранного в клетке. Основа генома — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение генетической программы развития и функционирования организма. Гены — участки ДНК, несущие конкретную информацию. В рамках международного научно-исследовательского проекта The Human Genome Project (1990-2003 годы) ученые выяснили, что у человека 20-25 тыс. генов. Если расшифровать и распечатать генетическую последовательность ДНК одного человека, то вся информация поместится на 262 тыс. страницах, причем только 500 из них будут для нас уникальными.

Факт 2. Геномы человека, животных и фруктов частично схожи. По генетическому строению к человеку ближе всего шимпанзе: у человека с ними 96% общих генов. С абиссинскими кошками нас объединяет 90% наследственного материала, а с мышами — 85%. С мушками дрозофилами у нас 65% общих генов, а с бананами — 60%. Конечно, в отличие от фруктов и насекомых у человека некоторые гены работают совсем по-другому: благодаря эволюции они, в частности, «контролируют» другие гены.

Благодаря исследованиям человеческого генома выяснилось, что 700 тыс. лет назад пенис нашего предка —человека прямоходящего (Homo erectus) покрывали небольшие шипы. Подобное строение детородных органов присуще шимпанзе, макакам и мышам. Предполагается, что во времена эректусов в общинах преобладали полигамные отношения и подобные приспособления помогали самцам очистить самку от генетического материала конкурента. С появлением моногамии подобная необходимость отпала.

Факт 3. 8% нашего ДНК — вирусы. Ежегодно миллионы людей заражаются вирусами, их науке известно примерно 320 тыс. Например, ретровирусы живут в организмах большинства млекопитающих. Интересно, что возраст таких инфекционных агентов может достигать 100 млн лет. Чаще всего их уничтожает иммунная система, но иногда они успешно проникают в геном «жертвы» и становятся его неотъемлемой частью, а затем передаются из поколения в поколение. Вирусы, осевшие в нашем ДНК, называют HERV — human endogenous retroviruses, или эндогенные ретровирусы человека.

Факт 4. Гены влияют на появление лишнего веса. Существует около 400 генов, которые так или иначе провоцируют ожирение. Причем у одних людей предрасположенность к быстрому набору лишних килограммов составляет 25%, у других — 70-80%. С точки зрения эволюции, подобные механизмы были необходимы нашему телу. А как иначе пережить в неурожайные годы голод? Те, у кого отсутствовали «гены экономии», помогающие копить жир, в тяжелые времена умирали быстрее. В результате те или иные «накопительные гены» присутствуют у 85% населения земли.

Факт 5. Оптимизм, а также стабильная самооценка — часть генетической программы. Американские ученые провели исследование для Национального института старения и выявили, что за наше хорошее настроение и веру в безоблачное будущее влияют варианты гена OXTR, точнее его копии. Участники эксперимента, у которых этот ген шел вместе с аллелем А (аллель — одна из форм определенного гена), были менее уверены в себе и склонны к депрессиям. В то время как обладатели аллеля G с радостью смотрели в будущее и очень себе нравились.

Факт 6. Геном может содержать секреты долголетия. В 25% случаев на продолжительность жизни влияет хорошая наследственность. Но какие именно гены этому способствуют, предстоит еще выяснить. По одной из теорий, дополнительные годы жизни связывают с генами APOE, CHRNA5, IL6, LPA и FOXO3. Их влияние на организм ассоциируют с сердечно-сосудистыми заболеваниями и приверженностью к вредным привычкам, которые подрывают наше здоровье. Но все зависит от комбинаций с другими генами, точная формула взаимодействия которых еще не изучена. При этом исследователи из Нидерландов утверждают, что на данный момент предел человеческой жизни составляет 114 лет для мужчин и 115 — для женщин.

Факт 7. Генетические мутации у мужчин случаются чаще, чем у женщин. Молекулы ДНК довольно большие по размеру, а оттого очень хрупкие. Ежедневно они получают повреждения от самых разных раздражителей — от сигаретного дыма до ультрафиолета. Молекулы «лечат» себя сами, но исправить некоторые поломки им не удается. За счет этого происходят мутации. Количество мутаций в мужских генах в три-четыре раза превышает те же показатели у женщин. В первом случае изменения в клетках происходят раз в восемь месяцев, а во втором — раз в три года. Таким образом к 30 годам отец способен передать будущему ребенку 45 новых мутаций, а мать лишь 11. С точки зрения истории вида, именно мужские гены помогли нам быстрее эволюционировать. Однако, в бытовом плане у этой особенности есть и свои недостатки: чем старше отец — тем больше вероятность, что его дети получат ряд генетических отклонений в наследство.

Впрочем, некоторые мутации придают человеку суперспособности. В частности, одна из них, которая связана с геном hDec2, позволяет человеку спать всего четыре часа в сутки. Такие люди нередко становятся успешными. Примеры: бывший премьер-министр Великобритании Маргарет Тэтчер и актер Джеймс Франко. С другой стороны, этот ген способствует росту раковых опухолей. Еще одна знаменитость и обладательница генной мутации — актриса Элизабет Тейлор. Ее ресницы росли в два ряда, обеспечивая звезде выразительный взгляд даже без косметики. На твердость костей в нашем организме влияет ген LRP5. При его мутации человек гораздо реже ломает кости, даже если он неудачно упал. Это открытие помогло разработать новое поколение лекарств от остеопороза. В генную лотерею также выиграл музыкант Оззи Осборн. Учитывая количество алкоголя и наркотиков, которые перепробовал рокер, он давно уже мог оказаться на том свете. Однако на помощь пришла мутация гена ADH4, которая связана со скоростью расщепления алкоголя в организме.

Источник: vk.com

Комментарии: