том, чтобы указывать клеткам, какие другие молекулы, в особенности белки, следует производить. Как правило, ген представляет собой участок ДНК, который кодирует определенный белок. Белки представляют собой небольшие молекулы аминокислот, химически соединенные в длинную цепочку. Последовательность ДНК считывается блоками по три и преобразуется в последовательность белка. Например, у нас может быть ген, последовательность которого начинается с ATGCTATCC. Первый считываемый триплет — ATG, который кодирует аминокислоту метионин. Далее идет CTA, что означает лейцин, затем TCC (серин) и так далее. Таким образом, белок начинается с метионина-лейцина-серина, продолжаясь, возможно, еще на несколько сотен аминокислот, прежде чем другой триплет (TAA, TAG или TGA) действует как знак остановки, сигнализирующий о том, что конец последовательности белка достигнут. Другие части ДНК показывают, где начинается область, кодирующая белок, и контролируют, активирован ли ген для производства белка.
Человеческая ДНК состоит из сорока шести отдельных хромосом. Двадцать две хромосомы, известные как аутосомные и незатейливо именуемые хромосомами с 1 по 22, дублируются так, что большинство клеток имеют по две копии. В общей сложности в наших хромосомах насчитывается около 20 000 различных генов, кодирующих белки. Именно белки выполняют большинство функций в клетке, таких как проведение химических реакций (ферменты), транспортировка молекул (например, гемоглобин переносит кислород). Коллаген, из которого сформированы волосы, кожа, кости и сухожилия или, например, антитела, один из самых важных компонентов иммунитета — это тоже белки.
Человеческая сперма и яйцеклетки обычно содержат только одну копию каждой аутосомной хромосомы. Таким образом, оплодотворенная яйцеклетка будет содержать сорок четыре пары аутосомных хромосом с одной копией от отца и одной от матери. Оставшиеся две хромосомы называются X и Y, и именно они определяют пол. Яйцеклетка содержит Х-хромосому, а сперматозоид либо X, либо Y. Если оплодотворенная яйцеклетка получит от сперматозоида X-хромосому, ее половые хромосомы будут XX, и потомство будет женского пола. И наоборот, получение Y-хромосомы дает половые хромосомы XY и ребенка мужского пола. На рисунке ниже показаны хромосомы мужчины и женщины, причем видно, что все они расположены парами, кроме половых хромосом у мужчины.
Огромное количество вариаций в ДНК делает нас всех разными, известны сотни миллионов возможных вариаций[381]. Многие из этих различий представляют собой SNP (однонуклеотидный полиморфизм), где последовательность ДНК отличается в одной позиции. Если мы случайным образом выберем пару неродственных людей, у них будут различия в ДНК примерно в 5 миллионах участков, и большинство из этих участков — SNP[382]. Даже однояйцевые близнецы, образовывающиеся, когда оплодотворенная яйцеклетка делится минимум на две части и получается соответствующее количество детей, имеют несколько различий, вызванных случайными мутациями в процессе развития от яйцеклетки к ребенку.
Хромосомы человека. Мужчина (слева) и женщина (справа) различаются хромосомами XY у мужчин и XX у женщин. В каждой паре мы получаем одну хромосому от матери и одну от отца
KATERYNA KON/SCIENCE PHOTO LIBRARY, © Getty Images.
Наиболее разрушительные мутации в гене приведут к тому, что его белки не будут работать должным образом. В таком случае болезнь проявится только тогда, когда кому-то не повезет унаследовать две дефектные копии, по одной от каждого родителя. Мутировавший ген безвреден, когда присутствует только в одной копии. Это рецессивное генетическое заболевание. Напротив, мутация иногда может означать, что измененный белок токсичен. В этом случае человек заболевает, если у него есть только одна копия мутировавшего гена. Этот вид мутации считается доминантным, поскольку токсичная форма перекрывает присутствие нормального функционального гена. Ребенок родителя с доминантным геном будет иметь 50-процентную вероятность его приобретения, то есть только случай определяет, какую версию ребенок получит от родителя с мутировавшим геном. Так это происходит в случае болезни Хантингтона.
Независимо от Джорджа Хантингтона, чешско-австрийский монах Грегор Мендель из августинского монастыря в Брюнне (ныне Брно, Чешская Республика) обнаружил рецессивные и доминантные гены при проведении опытов на десятках тысяч растений гороха, которые он описал в своей классической работе, опубликованной в 1865 и 1866 годах[383]. Монастырь может показаться странным местом для проведения передовых научных исследований, но настоятель монастыря Кирилл Напп проявлял большой интерес к науке и даже построил Менделю теплицу исключительно для его генетических исследований[384]. Мендель обнаружил, что организмы содержат единицы наследственности, которые мы теперь называем генами, которые определяют, что именно наследуется. Гены существуют в разных формах (например, гены белых или фиолетовых цветков гороха) и парами. Если горох имеет две разные формы гена, то одна будет доминантной, проявляющей свое действие, а другая — рецессивной, когда ее действие подавляется доминантным геном. Действие рецессивных генов проявляется только тогда, когда присутствуют обе копии рецессивных генов. В нашем примере с цветками гороха фиолетовый цвет доминантный, а белый — рецессивный, поэтому мы видим белые цветы, когда у гороха есть два гена белого цвета, фиолетовые, когда у гороха есть два гена фиолетового цвета, и фиолетовые, когда у гороха есть один ген белого и один ген фиолетового цвета. Как и у людей, каждое дочернее растение гороха наследует по одному гену от каждого родителя.
Когда Мендель опубликовал выводы из опытов на горохе, он понятия не имел о механизме, который мог бы их объяснить. Хромосомы были впервые описаны в середине XIX века после наблюдения за ними в ядрах клеток, но их роль в качестве носителей генов была предложена только в начале XX века немецкими и американскими биологами Теодором Бовери и Уолтером Саттоном[385]. Бовери использовал яйца морского ежа для изучения эмбрионального развития, поскольку их большие прозрачные яйца позволяли легко вести наблюдение. Бовери увидел, что все хромосомы морского ежа должны участвовать в успешном развитии яйцеклетки во взрослую особь. Саттон, в свою очередь, обнаружил, что у кузнечиков хромосомы встречаются парами, и предположил, что их по одной от каждого родителя. Чтобы всё сработало как надо, сперматозоид и яйцеклетка должны содержать только по одной копии каждой хромосомы. То, как образуются эти хромосомы в одной копии в результате процесса, называемого мейозом, впервые было замечено в 1876 году, опять же в яйцеклетках морского ежа[386]. На первой стадии мейоза все хромосомы копируются, так что у нас получается большая клетка, содержащая четыре копии каждой хромосомы. Затем эта клетка делится дважды, образуя четыре дочерние ячейки, каждая из которых содержит одну копию. Именно эти дочерние клетки разовьются в яйцеклетки или сперматозоиды. Во время оплодотворения яйцеклетки и сперматозоиды соединяются, давая оплодотворенной яйцеклетке две копии каждой хромосомы, по одной от каждого родителя. Поскольку гены содержатся в хромосомах, у нас есть
