Сергей Афонькин - Секреты наследственности человека
Повреждения хромосом
Как вы могли заметить из содержания предыдущих глав, различные нарушения пола у человека чаще всего вызываются добавочными половыми хромосомами. Для специалиста посчитать число хромосом в клетках любого многоклеточного организма относительно несложно. Для этого достаточно окрасить по специальной методике делящиеся клетки, в которых эти хромосомы отчетливо видны. Если в соматических (неполовых) клетках человека число хромосом отличается от 46, это заведомо говорит о серьезном генетическом нарушении. Кстати сказать, добавочными могут быть не только половые, но и некоторые другие хромосомы. Однако о последствиях таких нарушений поговорим чуть позже. Пока же надо разобраться, какими вообще бывают повреждения наследственного материала (ДНК).
Проще всего это сделать, снова прибегнув к надежной аналогии. Давайте представим себе геном человека в виде многотомного издания. Каждый толстый том соответствует одной хромосоме. Все содержимое любого тома разбито на параграфы, которые соответствуют генам. Каждый ген имеет вид длинной строчки текста, слова в котором идут друг за другом без интервалов и абзацев. Буквы — это нуклеотиды. Не важно, что их не 4, как в ДНК, а 33. Суть дела это не изменит.
Замена или потеря даже одной-единственной буквы в «тексте ДНК» способна привести к серьезным последствиям. В результате одна аминокислота в белке может быть заменена другой. Структура белка станет немного иной, и, как следствие, изменится его функция, работоспособность. В подавляющем большинстве случаев не в лучшую сторону. Современной медицине и молекулярной биологии известно уже множество примеров, когда единичные замены аминокислот в белках приводят к тем или иным врожденным генетическим заболеваниям у человека. Такие минимальные изменения в ДНК называются точечными, или точковыми мутациями. Их можно уподобить опечаткам в отдельных словах. Некоторые из них способны изменить смысл слова или даже фразы.
Знаками препинания в ДНК (точками) служат определенные сочетания букв-нуклеотидов. Именно они позволяют понять, где в ДНК заканчивается информация об одном белке, и начинаются сведения о другом. Бывает, что в результате точечных мутаций такая «точка» появляется в пределах одного гена. Последствия трагичны: дойдя до такого «знака препинания», синтез данного белка прекращается, и вместо длинной полноценной белковой цепочки получается какой-то ее огрызок!
Обычно мы начинаем читать любую фразу с первой буквы предложения. Если эта буква и потеряется, большой беды не будет. Наш мозг услужливо восстановит смысл, указывая, что, к примеру, слово «лектростанция» — это привычная электростанция без первого «э»! У клетки мозгов нет, поэтому, если она начнет читать «текст» любого гена не с первого знака, а со второго или с третьего, произойдет катастрофа! В цитоплазму клетки поступит информация о совершенно другом белке. Между тем, такие сбои (биологи называют их «сдвигом рамки считывания») иногда случаются. Их тоже можно рассматривать как своеобразные мутации.
Аналогия ДНК с текстом хороша тем, что она весьма наглядно демонстрирует, какие «опечатки» в ДНК в принципе бывают. Изменение отдельных букв уже упоминалось. Пропуск слов? Пожалуйста! В результате различных сбоев из ДНК пропадают порой небольшие «кусочки». Такие мутации называются делениями (лат. deletio — уничтожение). Добавление лишнего «слова» называется вставкой — инсерцией (англ. to insert — вставить). Если одно «слово» или «фраза» ДНК удваивается, такое изменение называют дупликацией. Иногда кусочек ДНК меняет свое положение — то есть вырезается из одного места, а затем вставляется в другое. Такую мутацию называют транслокацией (лат. trans — через и locus — место).
ДНК порой проделывает фокусы, которые в обычных текстах даже и не встретишь. Например, одно «слово» (отрезок ДНК) может перевернуться на 180 градусов и в таком виде, «кверху тормашками», быть встроенным на свое место. Подобная мутация называется инверсией (лат. versum — вращать, поворачивать).
Все мутации, происходящие с отдельными генами, называются генными, как и врожденные заболевания, которые такими мутациями вызываются. Обнаружить генные мутации, разглядывая окрашенные хромосомы под микроскопом, не удастся. Слишком уж малы эти молекулярные изменения для того, чтобы их можно было выявить с помощью визуального контроля.
Итак, точечные и другие генные мутации — это своеобразные «опечатки», которые происходят на уровне отдельных слов и фраз в «текстах» ДНК. К сожалению, генными мутациями не ограничиваются сбои в генетическом материале. Есть и другие.
Как вы помните, хромосома — это компактная форма хранения нити ДНК, которая возникает в процессе деления клетки. По своему строению она напоминает длинный моток шерсти. Не удивительно, что даже небольшой участок хромосомы может содержать десятки, сели не сотни разных генов. При этом с отдельными хромосомами, в принципе, могут происходить все те же неприятности, которые случаются и с отдельными отрезками ДНК. Хромосомы теряют одни свои кусочки (делеция) и обретают новые (инсерция). Две негомологичные хромосомы могут поменяться двумя участками (транслокация) либо с потерей одного из них, либо без потери. Инверсии тоже случаются. Подобные мутации называют хромосомными аберрациями. Как вы помните, хромосома в нашей аналогии равноценна отдельному книжному тому. С этой точки зрения хромосомные аберрации — это редакторские и типографские ляпсусы на уровне отдельных страниц, параграфов и глав. Если вам досталась книга, в которой не хватает нескольких страниц, или они вставлены вверх ногами, или вообще стоят не на своем месте — вы имеете дело с типичной хромосомной аберрацией. Недуги, которые вызывают такие изменения, называются хромосомными заболеваниями. К ним относятся и врожденные болезни, вызванные добавочными хромосомами. Бывает, что при выдаче томов собрания сочинений в магазине вам случайно недодали один том (отсутствие одной хромосомы). Или вы получили два экземпляра одного тома (дисомия), или даже три экземпляра (трисомия). Возможная ситуация? Именно так обстоял дело со многими описанными выше нарушениями определения пол.
Как ни грустно констатировать, но различные хромосомные болезни являются достаточно распространенными заболеваниями современном мире. По статистике, среди новорожденных они встречаются с вероятностью 1/250. Иначе говоря, в результате каждой тысячи родов на свет появляется в среднем четыре ребенка с хромосомными болезнями. Частота хромосомных аберраций у эмбрионов еще выше. Она составляет 3,5–4,0 %. Известно также, что до 20 % спонтанных абортов вызвано различными хромосомными аномалиями плода. Печальный анализ показывает, что 5–6 % детей, гибнущих после рождения в течение нескольких дней, обладают различными хромосомными аномалиями.
Наконец, существуют сбои на уровне всего генома — геномные мутации. Как известно, соматические клетки человека диплоидны. Они обладают двумя гаплоидными наборами хромосом. В рамках аналогии с текстом можно считать, что это два разных издания собрания сочинений одного и того же автора. Различия существуют, но при отсутствии грубых опечаток они не принципиальны. У растений и у некоторых животных отмечены случаи, когда возникают жизнеспособные особи, все клетки которых обладают многократно повторенным гаплоидным набором хромосом. Например, таких наборов может быть три (триплоиды) или четыре (тетраплоиды). Полиплоидные растения обычно выше и мощнее своих «диких» диплоидных родственников. Кстати, многие культурные растения, которые мы выращиваем и едим, именно полиплоиды.
Напрашивается любопытная аналогия. Что, если сказочные люди-великаны — это редко встречающиеся полиплоидные особи человека, у которых не 46, а, к примеру, 69 или 92 хромосомы? К сожалению, такая гипотеза — чистая фантастика. Жизнеспособны, полиплоидных людей не бывает, хотя некоторые клетки тела человек ка действительно могут содержать больше, чем два гаплоидных набора хромосом. Полиплоидными, например, является часть клеток печени. Триплоидные или тетраплоидные зародыши человека иногда возникают, но они гибнут на самых ранних стадиях эмбриогенеза. Более того, как вы уже убеждались, наличие хотя бы одной добавочной хромосомы сверх положенных 46 приводит у человека к тяжелым синдромам; чего уж ожидать от дублирования всех!
Добавочными могут быть не только половые, но и некоторые другие хромосомы гаплоидного набора человека — так называемые аутосомы. Давайте кратко познакомимся с такими ситуациями и вызванными ими последствиями.
Лишние аутосомы
Синдром Дауна
