ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 3178
Скачиваний: 364
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рисунок 3. Двойная спираль ДНК.
В статье, занимавшей чуть более двух страниц, но по-прежнему самой важной из когда-либо опубликованных в области биологии , Уотсон и Крик писали, что «последовательность оснований в одной цепи, по-видимому, никоим образом не ограничена». Другими словами, глядя на одну ветвь веревочной лестницы, вы можете увидеть любую последовательность нуклеотидов A, C, G и T, что предполагает, что генетический код может лежать в последовательности нуклеотидов A, C, G и T каждой нити.
В 1961 году Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер начали расшифровывать генетический код, показав, что код состоит из последовательности трех ступеней веревочной лестницы (например, ААА, или CAG, или GTT), которая подобна трехбуквенному «слову». Четыре буквы (A, C, G, T), взятые по три за раз, дают шестьдесят четыре возможных комбинации. В течение следующих нескольких лет значение всех шестидесяти четырех слов в словаре ДНК было постепенно выяснено. Например, А-АА — это одно слово, CAG — другое, а GTT — другое. Эти слова кодируют одну из двадцати аминокислот. Существуют сотни аминокислот, но только двадцать вырабатываются нашей ДНК с нуля. Например, AAA кодирует фенилаланин, CAG — валин, GTT — глютамин. Некоторые трехбуквенные слова кодируют одну и ту же аминокислоту, а некоторые обеспечивают знаки препинания, такие как сигналы начала и остановки, используя все шестьдесят четыре слова в словаре ДНК.
Почему аминокислоты? Аминокислоты являются строительными блоками белков, которые являются неотъемлемой частью всего, что мы есть. Белки необходимы для структуры, функционирования и регуляции нашего тела, включая нейроны и нейротрансмиттеры, которые являются основными элементами нашего мозга и тем, кем мы являемся психологически. Средний белок содержит уникальную последовательность из 20 аминокислот, длина которой варьируется от 50 до 2000 аминокислот. С 20 аминокислотами в любом порядке в таких длинных цепочках существует безграничное разнообразие белков. В среднем каждая наша клетка производит 2000 различных белков.
Нити двойной спирали удерживаются вместе слабыми химическими связями между нуклеотидами A, C, G и T. Эти четыре молекулы производят только четыре типа ступенек, а не все двенадцать возможных ступенек. Причина в том, что А связывается только с Т, а G связывается только с С. Итак, в веревочной лестнице ДНК есть только четыре типа ступенек: АТ, ТА, ЦГ и ГК, как показано на схематическом рисунке ДНК выше.
Эта модель ДНК, кодирующая аминокислоты, и есть то, что классически означало слово «ген» . Однако теперь мы знаем, что ДНК делает гораздо больше, чем просто кодирует аминокислотные последовательности. Только 2 процента последовательности ДНК человека работают таким образом; классических «генов» всего 20 000. Остальные 98 процентов ДНК считались мусором, но теперь известно, что они выполняют важные функции, о чем я расскажу позже.
В качестве классического примера преуменьшения Уотсон и Крик написали: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что конкретное спаривание, которое мы постулировали, сразу предполагает возможный механизм копирования генетического материала». Они имели в виду, что если две нити двойной спирали расстегнуть, последовательность нуклеотидных оснований каждой нити A, T, C и G будет искать своего комплементарного партнера (A с T; T с A; C с G; G). с С). Это привело бы к созданию двух идентичных двойных спиралей ДНК. Эти две ячейки создают четыре ячейки, восемь ячеек, затем шестнадцать ячеек и так далее. Он аккуратно обеспечивает механизм для объяснения того, как мы начинаем жизнь как одна клетка и заканчиваем ее 50 триллионами клеток, каждая из которых имеет одинаковую ДНК.
У нас есть 3 миллиарда звеньев в двойной спирали ДНК, которая называется геномом. Но геном — это не одна непрерывная веревочная лестница с 3 миллиардами ступенек. Он разбит на двадцать три сегмента или хромосом, длина которых варьируется от 50 до 250 миллионов звеньев.
На самом деле у нас есть 6 миллиардов нуклеотидных оснований, потому что схема нашей ДНК состоит из двух геномов, одного от нашей матери, а другого от нашего отца, такой вывод сделал Мендель из своих экспериментов с горохом. Итак, у нас есть двадцать три пары хромосом — один член каждой пары происходит от материнской яйцеклетки, а другой — от сперматозоида отца. Яйцеклетка и сперматозоиды — единственные клетки, которые имеют только одну хромосому из каждой пары, поэтому, когда яйцеклетка и сперматозоиды объединяются, они производят клетку с полным набором парных хромосом. Эта единственная клетка делится, чтобы создать две клетки, и каждая из них делится снова и снова, в результате чего в наших телах появляются триллионы клеток, каждая из которых имеет одинаковую последовательность ДНК.
Какую-то из двадцати трех хромосом вашей матери вы получили достаточно случайно , и то же самое от вашего отца. Для каждой пары хромосом у вашего брата или сестры есть пятьдесят на пятьдесят шансов получить ту же хромосому, что и у вас, поэтому братья и сестры в среднем на 50 процентов похожи . Исключением являются однояйцевые близнецы, у которых абсолютно одинаковые хромосомы, потому что они происходят из одной и той же оплодотворенной яйцеклетки. Вот почему братья и сестры похожи, но также и отличаются психологическими чертами, и почему однояйцевые близнецы больше похожи, чем другие братья и сестры.
Около 99 процентов из 3 миллиардов звеньев в последовательности ДНК у вас и у меня идентичны. Эта ДНК делает нас похожими. Но это означает, что между нами различаются 30 миллионов ступенек. Как мы видели, эти различия в последовательности ДНК — это план, который делает нас такими, какие мы есть.
По мере образования новых ячеек двойная спираль расстегивается, и каждая ветвь веревочной лестницы ищет свое дополнение для каждой ступени. Этот процесс дублирования невероятно надежен, но случаются ошибки — мутации,
которые подобны опечаткам в генетическом коде. Когда мутация происходит в яйцеклетке или сперме, она передается потомству, которое затем передает ее своему потомству.
Могут возникать всевозможные различия в последовательности ДНК, но наиболее распространенным является случай, когда у людей различается одна ступень. Изменение в одной из 3 миллиардов звеньев двойной спирали ДНК называется однонуклеотидным полиморфизмом (SNP, произносится как «снип»). У нас с вами около 4 миллионов SNP, но многие из них присутствуют только у нескольких человек, а это значит, что у нас нет тех же самых 4 миллионов SNP. В мире может быть до 80 миллионов SNP . Любая конкретная популяция — например, Великобритания — имеет около 10 миллионов SNP. Остальная часть этой книги посвящена SNP, поскольку они сыграли центральную роль в ДНК-революции.
Все, что мы наследуем, — это последовательность ДНК в единственной клетке, с которой началась наша жизнь, с ее уникальной комбинацией различий ДНК. Хотя все клетки имеют одинаковую ДНК, клетки экспрессируют лишь небольшую часть всей ДНК. Различные типы клеток, например клетки мозга, крови, кожи, печени и костей, экспрессируют разные фрагменты ДНК. Последовательность ДНК транскрибируется молекулой- мессенджером, называемой РНК . Затем РНК транслируется в аминокислотные последовательности в соответствии с генетическим кодом. Именно этот процесс подразумевается под термином экспрессия генов .
Многие механизмы влияют на экспрессию генов. Некоторые из них представляют собой долгосрочные механизмы (называемые эпигенетическими ), которые включают добавление молекул к ДНК, предотвращающих ее транскрипцию. Другие механизмы экспрессии имеют более краткосрочные эффекты. Например, белки, взаимодействующие с ДНК, регулируют транскрипцию в ответ на сигналы из окружающей среды. Вы меняете экспрессию многих генов, которые кодируют нейротрансмиттеры в вашем мозгу, когда читаете это предложение. Поскольку нейронные процессы, участвующие в чтении, истощают эти нейротрансмиттеры, вы экспрессируете гены, которые кодируют эти нейротрансмиттеры, чтобы восполнить их.
Если два человека различаются последовательностью ДНК, например, SNP, который кодирует определенный нейротрансмиттер, этот SNP будет точно транскрибироваться при экспрессии этого участка ДНК. Это различие ДНК может быть переведено в разные аминокислотные последовательности для двух людей. Это изменение в аминокислотной последовательности может повлиять на то, насколько хорошо работает нейротрансмиттер. Ключевым моментом является то, что все, что мы наследуем, — это последовательность ДНК. Экспрессия генов не меняет унаследованную нами последовательность ДНК. Если SNP связан с психологической чертой, это означает, что SNP был выражен.
Давайте увеличим изображение одного из 10 миллионов SNP в геноме человека. По причинам, которые станут ясны, давайте сосредоточимся на одном SNP, который оказался в середине хромосомы 16. Хромосома 16 имеет 90 миллионов звеньев в двойной спирали, и этот SNP имеет номер звена 53 767 042. Этой мутацией могли быть А, С, Т или G, но так случилось, что это была Т, пока не произошла давняя мутация, которая изменила Т на А у одного человека. Человек с этой мутацией передал этот новый нуклеотид А половине своего потомства, которые затем передали его половине своего потомства. Через несколько поколений новый нуклеотид А распространился в популяции. Возможно, его частота увеличилась, потому что он давал небольшое эволюционное преимущество, что, как мы увидим, имеет место для этой конкретной мутации. Чаще его частота увеличивалась, потому что он не имел никакого эффекта, а просто распространялся из поколения в поколение, следуя законам наследственности Менделя. Сегодня 40 процентов всех хромосом имеют нуклеотид А в этом месте на хромосоме 16. Остальные 60 процентов имеют исходный нуклеотид Т. Эти альтернативные формы последовательности ДНК называются аллелями .
Поскольку мы наследуем пару хромосом, по одной от каждого родителя, у нас есть один аллель от каждого родителя. Пара аллелей называется нашим генотипом. Что касается SNP на хромосоме 16, мы можем унаследовать либо аллель А, либо аллель Т от нашей матери и аллель А или Т от нашего отца. Если мы наследуем аллель А от обоих родителей, наш генотип — АА. Если мы наследуем А от одного родителя и Т от другого, наш генотип — АТ. Третья возможность приводит к генотипу ТТ. Что касается этого места на 16-й хромосоме, то 15 % из нас относятся к АА, 50 % — к АТ и 35 % — к ТТ. Генотипы — это всего лишь аллели, рассматриваемые одновременно по две, в том виде, в каком они упакованы в отдельных особях. Если вы посчитаете аллели в этих частотах генотипа, вы получите частоты аллелей 40% А и 60% Т.
В статье, занимавшей чуть более двух страниц, но по-прежнему самой важной из когда-либо опубликованных в области биологии , Уотсон и Крик писали, что «последовательность оснований в одной цепи, по-видимому, никоим образом не ограничена». Другими словами, глядя на одну ветвь веревочной лестницы, вы можете увидеть любую последовательность нуклеотидов A, C, G и T, что предполагает, что генетический код может лежать в последовательности нуклеотидов A, C, G и T каждой нити.
В 1961 году Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер начали расшифровывать генетический код, показав, что код состоит из последовательности трех ступеней веревочной лестницы (например, ААА, или CAG, или GTT), которая подобна трехбуквенному «слову». Четыре буквы (A, C, G, T), взятые по три за раз, дают шестьдесят четыре возможных комбинации. В течение следующих нескольких лет значение всех шестидесяти четырех слов в словаре ДНК было постепенно выяснено. Например, А-АА — это одно слово, CAG — другое, а GTT — другое. Эти слова кодируют одну из двадцати аминокислот. Существуют сотни аминокислот, но только двадцать вырабатываются нашей ДНК с нуля. Например, AAA кодирует фенилаланин, CAG — валин, GTT — глютамин. Некоторые трехбуквенные слова кодируют одну и ту же аминокислоту, а некоторые обеспечивают знаки препинания, такие как сигналы начала и остановки, используя все шестьдесят четыре слова в словаре ДНК.
Почему аминокислоты? Аминокислоты являются строительными блоками белков, которые являются неотъемлемой частью всего, что мы есть. Белки необходимы для структуры, функционирования и регуляции нашего тела, включая нейроны и нейротрансмиттеры, которые являются основными элементами нашего мозга и тем, кем мы являемся психологически. Средний белок содержит уникальную последовательность из 20 аминокислот, длина которой варьируется от 50 до 2000 аминокислот. С 20 аминокислотами в любом порядке в таких длинных цепочках существует безграничное разнообразие белков. В среднем каждая наша клетка производит 2000 различных белков.
Нити двойной спирали удерживаются вместе слабыми химическими связями между нуклеотидами A, C, G и T. Эти четыре молекулы производят только четыре типа ступенек, а не все двенадцать возможных ступенек. Причина в том, что А связывается только с Т, а G связывается только с С. Итак, в веревочной лестнице ДНК есть только четыре типа ступенек: АТ, ТА, ЦГ и ГК, как показано на схематическом рисунке ДНК выше.
Эта модель ДНК, кодирующая аминокислоты, и есть то, что классически означало слово «ген» . Однако теперь мы знаем, что ДНК делает гораздо больше, чем просто кодирует аминокислотные последовательности. Только 2 процента последовательности ДНК человека работают таким образом; классических «генов» всего 20 000. Остальные 98 процентов ДНК считались мусором, но теперь известно, что они выполняют важные функции, о чем я расскажу позже.
В качестве классического примера преуменьшения Уотсон и Крик написали: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что конкретное спаривание, которое мы постулировали, сразу предполагает возможный механизм копирования генетического материала». Они имели в виду, что если две нити двойной спирали расстегнуть, последовательность нуклеотидных оснований каждой нити A, T, C и G будет искать своего комплементарного партнера (A с T; T с A; C с G; G). с С). Это привело бы к созданию двух идентичных двойных спиралей ДНК. Эти две ячейки создают четыре ячейки, восемь ячеек, затем шестнадцать ячеек и так далее. Он аккуратно обеспечивает механизм для объяснения того, как мы начинаем жизнь как одна клетка и заканчиваем ее 50 триллионами клеток, каждая из которых имеет одинаковую ДНК.
У нас есть 3 миллиарда звеньев в двойной спирали ДНК, которая называется геномом. Но геном — это не одна непрерывная веревочная лестница с 3 миллиардами ступенек. Он разбит на двадцать три сегмента или хромосом, длина которых варьируется от 50 до 250 миллионов звеньев.
На самом деле у нас есть 6 миллиардов нуклеотидных оснований, потому что схема нашей ДНК состоит из двух геномов, одного от нашей матери, а другого от нашего отца, такой вывод сделал Мендель из своих экспериментов с горохом. Итак, у нас есть двадцать три пары хромосом — один член каждой пары происходит от материнской яйцеклетки, а другой — от сперматозоида отца. Яйцеклетка и сперматозоиды — единственные клетки, которые имеют только одну хромосому из каждой пары, поэтому, когда яйцеклетка и сперматозоиды объединяются, они производят клетку с полным набором парных хромосом. Эта единственная клетка делится, чтобы создать две клетки, и каждая из них делится снова и снова, в результате чего в наших телах появляются триллионы клеток, каждая из которых имеет одинаковую последовательность ДНК.
Какую-то из двадцати трех хромосом вашей матери вы получили достаточно случайно , и то же самое от вашего отца. Для каждой пары хромосом у вашего брата или сестры есть пятьдесят на пятьдесят шансов получить ту же хромосому, что и у вас, поэтому братья и сестры в среднем на 50 процентов похожи . Исключением являются однояйцевые близнецы, у которых абсолютно одинаковые хромосомы, потому что они происходят из одной и той же оплодотворенной яйцеклетки. Вот почему братья и сестры похожи, но также и отличаются психологическими чертами, и почему однояйцевые близнецы больше похожи, чем другие братья и сестры.
Около 99 процентов из 3 миллиардов звеньев в последовательности ДНК у вас и у меня идентичны. Эта ДНК делает нас похожими. Но это означает, что между нами различаются 30 миллионов ступенек. Как мы видели, эти различия в последовательности ДНК — это план, который делает нас такими, какие мы есть.
По мере образования новых ячеек двойная спираль расстегивается, и каждая ветвь веревочной лестницы ищет свое дополнение для каждой ступени. Этот процесс дублирования невероятно надежен, но случаются ошибки — мутации,
которые подобны опечаткам в генетическом коде. Когда мутация происходит в яйцеклетке или сперме, она передается потомству, которое затем передает ее своему потомству.
Могут возникать всевозможные различия в последовательности ДНК, но наиболее распространенным является случай, когда у людей различается одна ступень. Изменение в одной из 3 миллиардов звеньев двойной спирали ДНК называется однонуклеотидным полиморфизмом (SNP, произносится как «снип»). У нас с вами около 4 миллионов SNP, но многие из них присутствуют только у нескольких человек, а это значит, что у нас нет тех же самых 4 миллионов SNP. В мире может быть до 80 миллионов SNP . Любая конкретная популяция — например, Великобритания — имеет около 10 миллионов SNP. Остальная часть этой книги посвящена SNP, поскольку они сыграли центральную роль в ДНК-революции.
Все, что мы наследуем, — это последовательность ДНК в единственной клетке, с которой началась наша жизнь, с ее уникальной комбинацией различий ДНК. Хотя все клетки имеют одинаковую ДНК, клетки экспрессируют лишь небольшую часть всей ДНК. Различные типы клеток, например клетки мозга, крови, кожи, печени и костей, экспрессируют разные фрагменты ДНК. Последовательность ДНК транскрибируется молекулой- мессенджером, называемой РНК . Затем РНК транслируется в аминокислотные последовательности в соответствии с генетическим кодом. Именно этот процесс подразумевается под термином экспрессия генов .
Многие механизмы влияют на экспрессию генов. Некоторые из них представляют собой долгосрочные механизмы (называемые эпигенетическими ), которые включают добавление молекул к ДНК, предотвращающих ее транскрипцию. Другие механизмы экспрессии имеют более краткосрочные эффекты. Например, белки, взаимодействующие с ДНК, регулируют транскрипцию в ответ на сигналы из окружающей среды. Вы меняете экспрессию многих генов, которые кодируют нейротрансмиттеры в вашем мозгу, когда читаете это предложение. Поскольку нейронные процессы, участвующие в чтении, истощают эти нейротрансмиттеры, вы экспрессируете гены, которые кодируют эти нейротрансмиттеры, чтобы восполнить их.
Если два человека различаются последовательностью ДНК, например, SNP, который кодирует определенный нейротрансмиттер, этот SNP будет точно транскрибироваться при экспрессии этого участка ДНК. Это различие ДНК может быть переведено в разные аминокислотные последовательности для двух людей. Это изменение в аминокислотной последовательности может повлиять на то, насколько хорошо работает нейротрансмиттер. Ключевым моментом является то, что все, что мы наследуем, — это последовательность ДНК. Экспрессия генов не меняет унаследованную нами последовательность ДНК. Если SNP связан с психологической чертой, это означает, что SNP был выражен.
Давайте увеличим изображение одного из 10 миллионов SNP в геноме человека. По причинам, которые станут ясны, давайте сосредоточимся на одном SNP, который оказался в середине хромосомы 16. Хромосома 16 имеет 90 миллионов звеньев в двойной спирали, и этот SNP имеет номер звена 53 767 042. Этой мутацией могли быть А, С, Т или G, но так случилось, что это была Т, пока не произошла давняя мутация, которая изменила Т на А у одного человека. Человек с этой мутацией передал этот новый нуклеотид А половине своего потомства, которые затем передали его половине своего потомства. Через несколько поколений новый нуклеотид А распространился в популяции. Возможно, его частота увеличилась, потому что он давал небольшое эволюционное преимущество, что, как мы увидим, имеет место для этой конкретной мутации. Чаще его частота увеличивалась, потому что он не имел никакого эффекта, а просто распространялся из поколения в поколение, следуя законам наследственности Менделя. Сегодня 40 процентов всех хромосом имеют нуклеотид А в этом месте на хромосоме 16. Остальные 60 процентов имеют исходный нуклеотид Т. Эти альтернативные формы последовательности ДНК называются аллелями .
Поскольку мы наследуем пару хромосом, по одной от каждого родителя, у нас есть один аллель от каждого родителя. Пара аллелей называется нашим генотипом. Что касается SNP на хромосоме 16, мы можем унаследовать либо аллель А, либо аллель Т от нашей матери и аллель А или Т от нашего отца. Если мы наследуем аллель А от обоих родителей, наш генотип — АА. Если мы наследуем А от одного родителя и Т от другого, наш генотип — АТ. Третья возможность приводит к генотипу ТТ. Что касается этого места на 16-й хромосоме, то 15 % из нас относятся к АА, 50 % — к АТ и 35 % — к ТТ. Генотипы — это всего лишь аллели, рассматриваемые одновременно по две, в том виде, в каком они упакованы в отдельных особях. Если вы посчитаете аллели в этих частотах генотипа, вы получите частоты аллелей 40% А и 60% Т.