Генетика: въведение в наследствеността, гените и еволюцията

Живите организми са изградени от милиони малки самостоятелни компоненти, наречени клетки. Във всяка клетка се намират дълги и сложни молекули, наречени дезоксирибонуклеинова киселина, известна за краткост като ДНК. Някои ДНК съхраняват информация за създаване на протеини. Частите от ДНК, които правят това, се наричат гени. Хората изглеждат различно един от друг главно защото имат различни версии на човешкия набор от гени.

Голяма част от ДНК (повече от 98% при хората) обаче е некодираща ДНК. Тези участъци не служат като модели за протеинови последователности. Това, което правят, е да кодират важна небелтъчна информация. Примери за това са различни важни молекули РНК и "скелетни" парчета като центромери и теломери.

Всяка клетка в едно и също живо същество има една и съща ДНК, но само част от нея се използва във всяка клетка. Например някои гени, които определят как да се произвеждат части от черния дроб, са изключени в мозъка. Използваните гени също могат да се променят с течение на времето. Например много гени се използват от детето в началото на бременността, които не се използват по-късно.

Човек има две копия на всеки ген - едно от майка си и едно от баща си. Един ген може да има няколко типа, които дават различни инструкции: една версия може да доведе до това човек да има сини очи, а друга - кафяви. Тези различни версии се наричат алели на гена.

Тъй като живото същество има две копия на всеки ген, то може да има два различни алела едновременно. Често единият алел е доминантен, което означава, че живото същество изглежда и се държи така, сякаш има само този алел. Неизразеният алел се нарича рецесивен. В други случаи се получава нещо средно между двете възможности. В този случай двата алела се наричат кодоминантни.

Повечето от характеристиките, които можете да забележите в едно живо същество, имат повече от един ген, който им влияе. И много гени имат множество ефекти върху организма, защото тяхната функция няма да има еднакъв ефект във всяка тъкан. Многобройните ефекти на един ген се наричат плейотропизъм. Целият набор от гени се нарича генотип, а общият ефект на гените върху организма се нарича фенотип. Това са ключови термини в генетиката.

Предменделееви идеи

Знаем, че човекът е започнал да развъжда домашни животни още в ранни времена, вероятно преди изобретяването на земеделието. Не знаем кога за първи път наследствеността е била оценена като научен проблем. Гърците, и най-вече Аристотел, са изучавали живите същества и са предложили идеи за размножаването и наследствеността.

Имре Фестетикс, който през първата половина на XIX в. публикува произведения на немски език, доскоро беше напълно забравен. Той описва няколко правила на генетичното унаследяване в труда си Die genetische Gesätze der Natur, 1819 г. (Генетичният закон на природата). Вторият му закон е същият като този на Мендел. В третия си закон той развива основните принципи на мутацията. Нито една от историите на генетиката, публикувани през XX век, не го споменава.

Вероятно най-разпространената идея преди Мендел е тази на Чарлз Дарвин, чиято идея за пангенезата има две части. Първата, че устойчивите наследствени единици се предават от едно поколение на друго, е била съвсем правилна. Втората е идеята му, че те се попълват чрез "геммули" от соматичните (телесните) тъкани. Това е било напълно погрешно и днес не играе никаква роля в науката. Дарвин е бил прав за едно нещо: всичко, което се случва в еволюцията, трябва да се случва чрез наследственост и затова точната наука за генетиката е от основно значение за теорията на еволюцията. Организирането на това "съчетание" между генетиката и еволюцията отне много години. То доведе до съвременния еволюционен синтез.

Менделеева генетика

Основните правила на генетиката са открити от земевладелеца Имре Фестикс (1764-1847) и монаха Грегор Мендел около 1865 г. В продължение на хиляди години хората са забелязвали как някои черти на родителите се предават на техните деца. Работата на Мендел обаче е различна, защото той планира експериментите си много внимателно.

В своите експерименти Мендел изучава как се предават признаците при граховите растения. Той започва кръстосването с растения, които се размножават вярно, и отчита признаците, които в природата са или/или (високи или ниски). Развъждал е голям брой растения и е изразявал резултатите си в цифри. Използвал е тестови кръстоски, за да разкрие наличието и дела на рецесивните признаци.

Мендел обяснява резултатите от своя експеримент с два научни закона:

• 1. Факторите, наречени по-късно гени, обикновено се срещат по двойки в обикновените телесни клетки, но се разделят по време на формирането на половите клетки. Тези фактори определят чертите на организма и се унаследяват от неговите родители. Когато гаметите се образуват чрез мейоза, двата фактора се разделят. Една гамета получава само единия или другия. Това Мендел нарича закон за сегрегацията.
• 2. Алелите на различните гени се отделят независимо един от друг при формирането на гаметите. Това се нарича Закон за независимия подбор. Така Мендел смятал, че различните признаци се унаследяват независимо един от друг. Сега знаем, че това е вярно само ако гените не са върху една и съща хромозома, в който случай те не са свързани помежду си.

Законите на Мендел помагат да се обяснят резултатите, които той наблюдава при своите грахови растения. По-късно генетиците откриват, че законите му са валидни и за други живи същества, дори за хората. Откритията на Мендел от работата му с градинските грахови растения спомагат за създаването на областта на генетиката. Приносът му не се ограничава само до основните правила, които открива. Грижата на Мендел за контролиране на условията на експеримента, както и вниманието му към числените резултати, определят стандарта за бъдещи експерименти. През годините учените са променяли и усъвършенствали идеите на Мендел. Въпреки това науката за генетиката днес не би била възможна без ранната работа на Грегор Мендел.

Между Мендел и съвременната генетика

В периода между работата на Мендел и 1900 г. са създадени основите на цитологията - изучаването на клетките. Откритите факти за ядрото и клетъчното делене са от съществено значение за правилното разбиране на работата на Мендел.

1832: Бартелеми Дюмортие, първият, който наблюдава клетъчно делене в многоклетъчен организъм.

1841, 1852: Роберт Ремак (1815-1865), полско-германски физиолог от еврейски произход, е първият човек, който поставя основите на клетъчната биология: че клетките произлизат само от други клетки. По-късно това е популяризирано от немския лекар Рудолф Вирхов (1821-1902), който използва известната фраза omnis cellula e cellula, което означава: всички клетки от други клетки.

1865: Публикувана е статията на Грегор Мендел "Опити върху хибридизацията на растенията".

1876: Немският биолог Оскар Хертвиг (1849-1922) открива и описва за първи път мейозата в яйцата на морския таралеж.

1878-1888: Валтер Флеминг и Едуард Страсбургер описват поведението на хромозомите по време на митозата.

1883: Белгийският зоолог Едуард ван Бенеден (1846-1910) описва мейозата на ниво хромозоми в яйцата на кръгли червеи (Ascaris).

1883: Немският зоолог Вилхелм Ру (1850-1924) осъзнава значението на линейната структура на хромозомите. Разделянето им на две равни надлъжни половини означава, че всяка дъщерна клетка получава еднакъв хромозомен набор. Следователно хромозомите са носители на наследствеността.

1889: Холандският ботаник Хюго де Врис предполага, че "унаследяването на специфичните белези в организмите става на частици", като нарича тези частици (пан)гени.

1890: Значението на мейозата за размножаването и наследяването е описано през 1890 г. от немския биолог Аугуст Вайсман (1834-1914). Той отбелязва, че са необходими две клетъчни деления, за да се превърне една диплоидна клетка в четири хаплоидни клетки, ако броят на хромозомите трябва да се запази.

1902-1904: Теодор Бовери (1862-1915), немски биолог, в поредица от статии обръща внимание на съответствието между поведението на хромозомите и резултатите, получени от Мендел. Той твърди, че хромозомите са "независими единици, които запазват своята независимост дори в почиващото ядро... Това, което излиза от ядрото, е това, което влиза в него".

1903: Уолтър Сътън предполага, че хромозомите, които се разделят по Менделеевски начин, са наследствени единици. Едмънд Б. Уилсън (1856-1939), учител на Сътън, е автор на един от най-известните учебници по биология. Уилсън нарича тази идея хипотезата на Сътън-Бовери.

В този момент откритията в областта на цитологията се сливат с преоткритите идеи на Мендел, за да се получи синтез, наречен цитогенетика (cyto = клетка; genetics = наследственост), който продължава и до днес.

Преоткриване на работата на Мендел

През 90-те години на XIX в. няколко биолози започват да провеждат експерименти с размножаването и скоро резултатите на Мендел са дублирани още преди да бъдат прочетени неговите статии. Карл Коренс и Хуго де Врис са основните преоткриватели на трудовете и законите на Мендел. И двамата признават приоритета на Мендел, въпреки че е вероятно де Врис да е разбрал собствените си резултати едва след като е прочел Мендел. Макар че първоначално за преоткриване е бил сочен и Ерих фон Чермак, това вече не се приема, тъй като той не е разбрал законите на Мендел. Въпреки че по-късно де Врис губи интерес към менделизма, други биолози изграждат генетиката като наука.

Резултатите на Мендел са повторени и генетичната връзка скоро е установена. Уилям Бейтсън може би е направил най-много в началото за популяризиране на теорията на Мендел. Думата "генетика", както и друга терминология, произлизат от Бейтсън.

Експерименталните резултати на Мендел по-късно стават обект на дискусии. Фишер анализира резултатите от съотношението F2 (втори син) и установява, че те са неправдоподобно близки до точното съотношение 3 към 1. Понякога се изказва предположение, че Мендел може да е цензурирал резултатите си и че всеки от седемте му признака се среща на отделна хромозомна двойка, което е изключително малко вероятно, ако са избрани на случаен принцип. Всъщност изследваните от Мендел гени се срещат само в четири групи връзки и само една двойка гени (от 21 възможни) е достатъчно близка, за да покаже отклонение от независимия асортимент; това не е двойката, която Мендел е изследвал.

Мутации

По време на процеса на репликация на ДНК понякога възникват грешки. Тези грешки, наречени мутации, могат да окажат влияние върху фенотипа на даден организъм. На свой ред това обикновено се отразява на физическата годност на организма - неговата способност да живее и да се размножава успешно.

Процентът на грешките обикновено е много нисък - 1 грешка на всеки 10-100 милиона бази - благодарение на способността на ДНК полимеразите за "корекция". При много вируси процентът на грешките е хилядократно по-висок. Тъй като те разчитат на ДНК и РНК полимерази, които нямат способността за корекция, при тях честотата на мутациите е по-висока.

Процесите, които увеличават скоростта на промените в ДНК, се наричат мутагенни. Мутагенните химикали увеличават грешките при репликацията на ДНК, често чрез намеса в структурата на свързване на базите, докато ултравиолетовото лъчение предизвиква мутации, като причинява увреждане на структурата на ДНК. Химическите увреждания на ДНК се случват и по естествен път, а клетките използват механизми за възстановяване на ДНК, за да поправят несъответствията и прекъсванията в ДНК - въпреки това понякога възстановяването не успява да върне ДНК в първоначалната ѝ последователност.

При организмите, които използват хромозомни кръстоски за обмен на ДНК и рекомбиниране на гени, грешките в подреждането по време на мейозата също могат да причинят мутации. Грешките при кръстосването са особено вероятни, когато сходни последователности карат партньорските хромозоми да приемат погрешно подреждане; това прави някои области в геномите по-податливи на мутации по този начин. Тези грешки създават големи структурни промени в ДНК последователността - дупликации, инверсии или делеции на цели региони или случайна размяна на цели части между различни хромозоми (наречена транслокация).

Квадрати на Пунет

Разработени от Реджиналд Пунет, квадратите на Пунет се използват от биолозите за определяне на вероятността потомството да има определен генотип.

Ако B представлява алел за черна коса, а b - алел за бяла коса, потомството на двама родители с Bb ще има 25% вероятност да има два алела за бяла коса (bb), 50% - по един (Bb), и 25% - само алел за черна коса (BB).

Диаграма на родословието

Генетиците (биолози, които изучават генетиката) използват родословни таблици, за да записват чертите на хората в едно семейство. С помощта на тези диаграми генетиците могат да изследват как дадена черта се предава по наследство от човек на човек.

Генетиците могат също така да използват родословни таблици, за да предвидят как ще се предадат признаците на бъдещите деца в семейството. Например генетичните консултанти са специалисти, които работят със семейства, които могат да бъдат засегнати от генетични заболявания. В рамките на своята работа те създават родословни карти за семейството, които могат да се използват за проучване на начина, по който може да се унаследи заболяването.

Изследвания на близнаци

Тъй като човешките същества не могат да се отглеждат експериментално, човешката генетика трябва да се изучава с други средства. Един от последните начини е изучаването на човешкия геном. Друг начин, по-стар с много години, е да се изследват близнаци. Еднояйчните близнаци са естествени клонинги. Те са носители на едни и същи гени и могат да бъдат използвани за изследване на това, доколко наследствеността допринася за развитието на отделните хора. Изследванията с близнаци са доста интересни. Ако съставим списък с характерни черти, ще установим, че те се различават по това доколко се дължат на наследствеността. Например:

• Цвят на очите: изцяло наследствен
• Тегло, ръст: отчасти наследствени, отчасти свързани с околната среда
• Какъв език говори човек: изцяло в зависимост от средата.

Начинът, по който се правят проучванията, е следният. Вземат се група еднояйчни близнаци и група братски близнаци. Измерват ги по различни признаци. Направете статистически анализ (например дисперсионен анализ). Това ви показва до каква степен чертата е наследствена. Тези черти, които са частично унаследени, ще бъдат значително по-сходни при еднояйчните близнаци. Подобни изследвания могат да бъдат продължени, като се сравняват еднояйчни близнаци, отгледани заедно, с еднояйчни близнаци, отгледани при различни обстоятелства. Това дава представа доколко обстоятелствата могат да променят резултатите на генетично идентични хора.

Човекът, който пръв е направил изследвания на близнаците, е Франсис Галтън, полубрат на Дарвин, който е основоположник на статистиката. Неговият метод е да проследява близнаците през целия им живот, като прави много видове измервания. За съжаление, въпреки че е знаел за еднояйчните и двуяйчните близнаци, той не е оценил истинската генетична разлика. Съвременните изследвания на близнаците се появяват едва през 20-те години на ХХ век.

Генетиката на бактериите, археите и вирусите е основна област на изследване. Бактериите се делят предимно чрез безполово клетъчно делене, но имат и вид секс чрез хоризонтален трансфер на гени. Бактериалната конюгация, трансдукция и трансформация са техните методи. Освен това вече е известна пълната ДНК последователност на много бактерии, археи и вируси.

Въпреки че на много бактерии са дадени родови и специфични имена, като например Staphylococcus aureus, цялата идея за вид е доста безсмислена за организъм, който няма пол и кръстосване на хромозоми. Вместо това тези организми имат щамове и по този начин се идентифицират в лабораторията.

Експресия на гени

Експресията на гена е процесът, при който наследствената информация в гена, последователността от двойки бази на ДНК, се превръща във функционален генен продукт, например белтък или РНК. Основната идея е, че ДНК се транскрибира в РНК, която след това се транслира в протеини. Белтъците изграждат много от структурите и всички ензими в клетката или организма.

Няколко етапа в процеса на генна експресия могат да бъдат модулирани (настроени). Това включва както транскрипцията и  транслацията, така и крайното сгънато състояние на даден протеин. Регулацията на гените включва и изключва гените и по този начин контролира клетъчната диференциация и морфогенезата. Регулацията на гените може да служи и като основа за еволюционни промени: контролът върху времето, мястото и количеството на генната експресия може да има дълбоко въздействие върху развитието на организма. Експресията на даден ген може да варира много в различните тъкани. Това се нарича плейотропизъм - широко разпространено явление в генетиката.

Алтернативният сплайсинг е съвременно откритие с голямо значение. Това е процес, при който от един ген могат да се получат голям брой вариантни протеини. Един конкретен ген на дрозофила (DSCAM) може да бъде алтернативно сплайсиран в 38 000 различни молекули мРНК.

Епигенетика и контрол на развитието

Епигенетиката изучава промените в активността на гените, които не се дължат на промени в последователността на ДНК. Тя изучава генната експресия - начина, по който гените предизвикват фенотипните си ефекти.

Тези промени в активността на гените могат да останат до края на живота на клетката, както и да се запазят за много поколения клетки чрез клетъчни деления. Въпреки това няма промяна в основната ДНК последователност на организма. Вместо това ненаследствени фактори карат гените на организма да се държат (изразяват) по различен начин.

Hox гените са комплекс от гени, чиито протеини се свързват с регулаторните области на целевите гени. След това целевите гени активират или потискат клетъчните процеси, за да насочат окончателното развитие на организма.

Извънядрено унаследяване

Съществуват някои видове наследственост, които се осъществяват извън клетъчното ядро. Нормалното унаследяване е от двамата родители чрез хромозомите в ядрото на оплодената яйцеклетка. Съществуват и други видове наследяване, различни от това.

Органелна наследственост

Митохондриите и хлоропластите носят собствена ДНК. Съставът им се определя от гените в хромозомите и гените в органела. Карл Коренс открива един пример през 1908 г. Растението "четири часа", Mirabilis jalapa, има листа, които могат да бъдат бели, зелени или пъстри. Коренс открива, че прашецът не оказва влияние върху това унаследяване. Цветът се определя от гени в хлоропластите.

Инфекциозна наследственост

Това се дължи на симбиотична или паразитна връзка с микроорганизъм.

Ефект на майката

В този случай се транскрибират ядрените гени в женската гамета. Продуктите се натрупват в цитоплазмата на яйцеклетката и оказват влияние върху ранното развитие на оплодената яйцеклетка. Свиването на охлюва Limnaea peregra се определя по този начин. Дяснонавитите черупки са генотипове Dd или dd, а лявонавитите - dd.

Най-важният пример за майчин ефект е при Drosophila melanogaster. Белтъчният продукт на гените с майчин ефект активира други гени, които на свой ред активират още повече гени. Тази работа е удостоена с Нобелова награда за физиология или медицина за 1995 г.

В голяма част от съвременните изследвания се използва комбинация от генетика, клетъчна биология и молекулярна биология. Темите, които са били обект на Нобелови награди за химия или физиология, включват:

• Алтернативен сплайсинг, при който един ген кодира различни свързани протеинови продукти.
• Геномика - последователността и анализът на функцията и структурата на геномите.
• Генетично инженерство - промяна на генома на даден организъм с помощта на биотехнологии.
• Подвижни генетични елементи - видове ДНК, които могат да променят позицията си в генома.
• Хоризонтален трансфер на гени, при който даден организъм получава генетичен материал от друг организъм, без да е потомък на този организъм.
• Епигенетика - изучаване на промените в активността на гените, които не се дължат на промени в последователността на ДНК.
• CRISPR: През 2012 г. Дженифър Дудна и Еманюел Шарпантие предлагат CRISPR-Cas9 (ензими от бактерии, които контролират микробния имунитет) да се използват за редактиране на геноми. Това бе наречено едно от най-значимите открития в историята на биологията. Двамата учени си поделят Нобеловата награда за химия за 2020 г.

Генетика на човешкото поведение

Много от добре познатите нарушения на човешкото поведение имат генетичен компонент. Това означава, че тяхното унаследяване отчасти причинява поведението или прави по-вероятно възникването на проблема. Примерите включват:

• Аутизъм
• ADHD (разстройство с дефицит на вниманието)
• Употреба и злоупотреба с наркотици
• Поемане на риск
• Шизофрения

Освен това нормалното поведение също се влияе в голяма степен от наследствеността:

• Учене и когнитивни способности
• Личност.

• ENCODE: пълният анализ на човешкия геном
• Генна терапия
• Епигенетика