Генетика: от основ наследования до современных исследований

Введение

Наука о генах, наследственности и изменчивости в живых организмах

песня Меган Трейнор

Генетика – это изучение генов, генетической изменчивости и наследственности в организмах. Это важная ветвь биологии, поскольку наследственность жизненно важна для эволюции организмов. Грегор Мендель, моравский августинец, работавший в XIX веке в Брно, был первым, кто начал изучать генетику научным путем. Мендель изучал «наследование признаков», закономерности, по которым признаки передаются от родителей потомству с течением времени. Он заметил, что организмы (гороховые растения) наследуют признаки посредством дискретных «единиц наследственности». Этот термин, используемый и сегодня, является несколько расплывчатым определением того, что называется геном. Наследование признаков и молекулярные механизмы наследственности генов остаются основными принципами генетики в XXI веке, но современная генетика расширилась, чтобы изучать функцию и поведение генов. Структура и функция генов, изменчивость и распространение изучаются в контексте клетки, организма (например, доминирование) и в контексте популяции. Генетика породила ряд поддисциплин, включая молекулярную генетику, эпигенетику и популяционную генетику. Организмы, изучаемые в этой широкой области, охватывают все домены жизни (археи, бактерии и эукариоты). Генетические процессы работают в сочетании с окружающей средой организма и его опытом, влияя на развитие и поведение, что часто называют природой и воспитанием. Внутриклеточная или внеклеточная среда живой клетки или организма может увеличивать или уменьшать транскрипцию генов. Классическим примером является два семени генетически идентичной кукурузы, одно из которых помещено в умеренный климат, а другое – в засушливый климат (с недостаточным количеством осадков). Хотя средняя высота двух стеблей кукурузы может быть генетически предопределена как одинаковая, стебель в засушливом климате вырастает лишь до половины высоты стебля в умеренном климате из-за недостатка воды и питательных веществ в окружающей среде.

Этимология

Слово «генетика» происходит от древнегреческого γενετικός (genetikos), означающего «относящийся к рождению» / «порождающий», которое, в свою очередь, происходит от γένεσις (genesis), означающего «происхождение».

История

Наблюдение за тем, что живые организмы наследуют признаки от своих родителей, использовалось с доисторических времен для улучшения сельскохозяйственных растений и животных посредством селекционного разведения. Современная наука генетика, стремящаяся понять этот процесс, берет свое начало с работ августинского монаха Грегора Менделя в середине XIX века. До Менделя Имре Фестетич, венгерский дворянин, живший в Кёсеге до Менделя, был первым, кто использовал слово "генетический" в контексте наследственности. Он описал несколько правил биологического наследования в своей работе «Генетические законы природы» (Die genetischen Gesetze der Natur, 1819). В своем третьем законе он разработал основные принципы мутации (его можно считать предшественником Гюго де Вриса). Фестетич утверждал, что изменения, наблюдаемые в поколениях домашних животных, растений и людей, являются результатом действия научных законов. Фестетич эмпирически пришел к выводу, что организмы наследуют свои характеристики, а не приобретают их в течение жизни. Он признал рецессивные признаки и изменчивость, постулируя, что признаки прошлых поколений могут вновь появляться, а организмы могут давать потомство с различными признаками. Эти наблюдения представляют собой важную прелюдию к теории Менделя о дискретном наследовании, поскольку они знаменуют переход наследственности от статуса мифа к статусу научной дисциплины, обеспечив фундаментальную теоретическую основу для генетики в XX веке. Другим теориям наследственности предшествовали работы Менделя. Популярной теорией в XIX веке, подразумеваемой в работе Чарльза Дарвина «О происхождении видов» (1859), была теория смешения наследственности: идея о том, что особи наследуют плавное смешение признаков от своих родителей. Работы Менделя привели примеры, когда признаки явно не смешивались после гибридизации, показав, что признаки формируются комбинациями отдельных генов, а не непрерывным смешением. Смешение признаков у потомства теперь объясняется действием множественных генов с количественным эффектом. Еще одна теория, пользовавшаяся некоторой поддержкой в то время, – наследственность приобретенных признаков: вера в то, что особи наследуют признаки, усиленные их родителями. Эта теория (обычно ассоциируется с Жаном Батистом Ламарком) теперь признана ошибочной – жизненный опыт особей не влияет на гены, которые они передают своему потомству. К другим теориям относились пангенез Дарвина (который включал как приобретенные, так и унаследованные аспекты) и переформулировка пангенеза Фрэнсисом Гальтоном как дискретного и унаследованного.

The observation that living things inherit traits from their parents has been used since prehistoric times to improve crop plants and animals through selective breeding. The modern science of genetics, seeking to understand this process, began with the work of the Augustinian friar Gregor Mendel in the mid 19th century. Prior to Mendel, Imre Festetics, a Hungarian noble, who lived in Kőszeg before Mendel, was the first who used the word "genetic" in hereditarian context. He described several rules of biological inheritance in his work The genetic laws of nature (Die genetischen Gesetze der Natur, 1819). In his third law, he developed the basic principles of mutation (he can be considered a forerunner of Hugo de Vries). Festetics argued that changes observed in the generation of farm animals, plants, and humans are the result of scientific laws. Festetics empirically deduced that organisms inherit their characteristics, not acquire them. He recognized recessive traits and inherent variation by postulating that traits of past generations could reappear later, and organisms could produce progeny with different attributes. These observations represent an important prelude to Mendel's theory of particulate inheritance insofar as it features a transition of heredity from its status as myth to that of a scientific discipline, by providing a fundamental theoretical basis for genetics in the twentieth century. Other theories of inheritance preceded Mendel's work. A popular theory during the 19th century, and implied by Charles Darwin's 1859 On the Origin of Species, was blending inheritance: the idea that individuals inherit a smooth blend of traits from their parents. Mendel's work provided examples where traits were definitely not blended after hybridization, showing that traits are produced by combinations of distinct genes rather than a continuous blend. Blending of traits in the progeny is now explained by the action of multiple genes with quantitative effects. Another theory that had some support at that time was the inheritance of acquired characteristics: the belief that individuals inherit traits strengthened by their parents. This theory (commonly associated with Jean Baptiste Lamarck) is now known to be wrong—the experiences of individuals do not affect the genes they pass to their children. Other theories included Darwin's pangenesis (which had both acquired and inherited aspects) and Francis Galton's reformulation of pangenesis as both particulate and inherited.

Менделевская генетика

Современная генетика началась с исследований Менделя о природе наследственности у растений. В своей работе "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Эксперименты по гибридизации растений"), представленной в 1865 году в Naturforschender Verein (Общество исследований в природе) в Брно, Мендель проследил закономерности наследования определенных признаков у гороховых растений и описал их математически. Хотя эта закономерность наследования могла быть наблюдаема лишь для небольшого числа признаков, работа Менделя показала, что наследственность дискретна, а не приобретена, и что закономерности наследования многих признаков можно объяснить простыми правилами и соотношениями. Значение работы Менделя не получило широкого признания до 1900 года, после его смерти, когда Уго де Врис и другие ученые заново открыли его исследования. Уильям Бейтсон, сторонник работ Менделя, в 1905 году ввел термин "генетика". (Прилагательное "генетический", происходящее от греческого слова genesis – γένεσις, "происхождение", появилось раньше существительного и впервые в биологическом смысле было использовано в 1860 году.) Бейтсон одновременно был наставником и получал значительную помощь от работ других ученых из Ньюнхэмского колледжа в Кембридже, в частности Бекки Сондерс, Норы Дарвин Барлоу и Мюриэль Уэлдейл Онслоу. Бейтсон популяризировал использование термина "генетика" для обозначения изучения наследственности в своем вступительном докладе на Третьей Международной конференции по гибридизации растений в Лондоне в 1906 году. После повторного открытия работ Менделя ученые попытались определить, какие молекулы в клетке отвечают за наследственность. В 1900 году Нети Стивенс начала изучать мучного червя. В течение последующих 11 лет она обнаружила, что у самок есть только X-хромосома, а у самцов – и X, и Y-хромосомы. В 1913 году ее ученик Альфред Стёртевант использовал явление генетической сцепленности, чтобы показать, что гены расположены линейно на хромосоме.

Молекулярная генетика

Хотя было известно, что гены существуют в хромосомах, хромосомы состоят как из белка, так и из ДНК, и ученые не знали, какой из этих двух компонентов отвечает за наследственность. В 1928 году Фредерик Гриффит обнаружил феномен трансформации: мертвые бактерии могут передавать генетический материал для "трансформации" других еще живых бактерий. Шестнадцать лет спустя, в 1944 году, эксперимент Эйвери–МакЛеода–МакКарти идентифицировал ДНК как молекулу, ответственную за трансформацию. Роль ядра как хранилища генетической информации у эукариот была установлена Хеммерлингом в 1943 году в его работе над одноклеточной водорослью Acetabularia. Эксперимент Херши–Чейза в 1952 году подтвердил, что ДНК (а не белок) является генетическим материалом вирусов, заражающих бактерии, предоставляя дополнительные доказательства того, что ДНК является молекулой, ответственной за наследственность. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определили структуру ДНК в 1953 году, используя данные рентгеноструктурного анализа, полученные Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, которые показали, что ДНК имеет спиральную структуру (то есть форму пробки). Их модель двойной спирали состояла из двух нитей ДНК с нуклеотидами, направленными внутрь, каждая из которых комплементарна нуклеотиду на другой нити, образуя подобие ступенек скрученной лестницы. Эта структура показала, что генетическая информация содержится в последовательности нуклеотидов на каждой нити ДНК. Структура также предполагала простой механизм репликации: если нити разделить, новые комплементарные нити могут быть реконструированы для каждой из них на основе последовательности старой нити. Это свойство придает ДНК ее полуконсервативный характер, когда одна нить новой ДНК происходит из исходной родительской нити. Хотя структура ДНК объясняла механизм наследственности, оставалось неизвестным, как ДНК влияет на поведение клеток. В последующие годы ученые пытались понять, как ДНК контролирует процесс производства белка. Было обнаружено, что клетка использует ДНК в качестве матрицы для создания комплементарной мРНК, молекулы с нуклеотидами, очень похожими на ДНК. Нуклеотидная последовательность мРНК используется для создания аминокислотной последовательности в белке; этот перевод между нуклеотидными и аминокислотными последовательностями известен как генетический код. С появлением нового молекулярного понимания наследственности произошел взрыв исследований. Заметная теория была предложена Томоко Охта в 1973 году с ее дополнением к нейтральной теории молекулярной эволюции, опубликовав теорию почти нейтральной молекулярной эволюции. В этой теории Охта подчеркивала важность естественного отбора и окружающей среды для скорости генетической эволюции. Важным достижением стало секвенирование ДНК с обрывом цепи в 1977 году, разработанное Фредериком Сэнгером. Эта технология позволяет ученым считывать нуклеотидную последовательность молекулы ДНК. В 1983 году Кэри Бэнкс Муллис разработал полимеразную цепную реакцию (ПЦР), предоставив быстрый способ выделения и амплификации определенного участка ДНК из смеси. Усилия проекта «Геном человека», Министерства энергетики, Национального института здоровья и параллельные частные усилия Celera Genomics привели к секвенированию генома человека в 2003 году.

Although genes were known to exist on chromosomes, chromosomes are composed of both protein and DNA, and scientists did not know which of the two is responsible for inheritance. In 1928, Frederick Griffith discovered the phenomenon of transformation: dead bacteria could transfer genetic material to "transform" other still living bacteria. Sixteen years later, in 1944, the Avery–MacLeod–McCarty experiment identified DNA as the molecule responsible for transformation. The role of the nucleus as the repository of genetic information in eukaryotes had been established by Hämmerling in 1943 in his work on the single celled alga Acetabularia. The Hershey–Chase experiment in 1952 confirmed that DNA (rather than protein) is the genetic material of the viruses that infect bacteria, providing further evidence that DNA is the molecule responsible for inheritance. James Watson and Francis Crick determined the structure of DNA in 1953, using the X ray crystallography work of Rosalind Franklin and Maurice Wilkins that indicated DNA has a helical structure (i. e., shaped like a corkscrew). Their double helix model had two strands of DNA with the nucleotides pointing inward, each matching a complementary nucleotide on the other strand to form what look like rungs on a twisted ladder. This structure showed that genetic information exists in the sequence of nucleotides on each strand of DNA. The structure also suggested a simple method for replication: if the strands are separated, new partner strands can be reconstructed for each based on the sequence of the old strand. This property is what gives DNA its semi conservative nature where one strand of new DNA is from an original parent strand. Although the structure of DNA showed how inheritance works, it was still not known how DNA influences the behavior of cells. In the following years, scientists tried to understand how DNA controls the process of protein production. It was discovered that the cell uses DNA as a template to create matching messenger RNA, molecules with nucleotides very similar to DNA. The nucleotide sequence of a messenger RNA is used to create an amino acid sequence in protein; this translation between nucleotide sequences and amino acid sequences is known as the genetic code. With the newfound molecular understanding of inheritance came an explosion of research. A notable theory arose from Tomoko Ohta in 1973 with her amendment to the neutral theory of molecular evolution through publishing the nearly neutral theory of molecular evolution. In this theory, Ohta stressed the importance of natural selection and the environment to the rate at which genetic evolution occurs. One important development was chain termination DNA sequencing in 1977 by Frederick Sanger. This technology allows scientists to read the nucleotide sequence of a DNA molecule. In 1983, Kary Banks Mullis developed the polymerase chain reaction, providing a quick way to isolate and amplify a specific section of DNA from a mixture. The efforts of the Human Genome Project, Department of Energy, NIH, and parallel private efforts by Celera Genomics led to the sequencing of the human genome in 2003.

Дискретное наследование и законы Менделя

На самом фундаментальном уровне наследственность в организмах происходит путем передачи дискретных наследственных единиц, называемых генами, от родителей к потомству. Это свойство впервые было замечено Грегором Менделем, который изучал разделение наследственных признаков у растений гороха, показав, например, что цветы на одном растении были либо фиолетовыми, либо белыми, но никогда не представляли собой промежуточный оттенок между этими двумя цветами. Дискретные варианты одного и того же гена, определяющие унаследованный признак (фенотип), называются аллелями. В случае с горохом, являющимся диплоидным видом, каждое отдельное растение имеет две копии каждого гена, по одной копии, унаследованной от каждого родителя. При половом размножении пара организмов случайным образом передает потомству один из двух аллелей от каждого родителя. Эти наблюдения дискретного наследования и разделения аллелей в совокупности известны как первый закон Менделя, или закон разделения. Однако вероятность наследования одного аллеля вместо другого может изменяться из-за наличия доминантных, рецессивных, гомозиготных или гетерозиготных генов. Например, Мендель обнаружил, что при скрещивании гомозиготного доминантного признака с гомозиготным рецессивным признаком вероятность появления доминантного признака составляет 3:1. Современные генетики изучают и рассчитывают вероятности, используя теоретические вероятности, эмпирические вероятности, правило произведения, правило суммы и другие методы.

Обозначение и диаграммы

Генетики используют диаграммы и символы для описания наследственности. Ген обозначается одной или несколькими буквами. Часто символ "+" используется для обозначения обычного, не мутантного аллеля гена. В экспериментах по оплодотворению и селекции (и особенно при обсуждении законов Менделя) родители обозначаются как поколение "P", а их потомство – как поколение "F1" (первое фиальное). Когда потомство F1 скрещивается между собой, следующее поколение называется "F2" (второе фиальное). Квадрат Пуннетта – одна из распространенных диаграмм, используемых для прогнозирования результатов скрещивания. При изучении генетических заболеваний человека генетики часто используют родословные схемы для представления наследования признаков. Эти схемы отображают наследование признака в генеалогическом древе.

Многократные генные взаимодействия

Организмы имеют тысячи генов, и у организмов, размножающихся половым путем, эти гены обычно распределяются независимо друг от друга. Это означает, что наследование аллеля, определяющего жёлтый или зелёный цвет гороха, не связано с наследованием аллелей, определяющих белый или фиолетовый цвет цветков. Это явление, известное как «второй закон Менделя» или «закон независимого наследования», означает, что аллели разных генов перемешиваются между родителями, формируя потомство с множеством различных комбинаций. Разные гены часто взаимодействуют, влияя на один и тот же признак. Например, у голубоглазого мака (Omphalodes verna) есть ген с аллелями, определяющими цвет цветков: синий или пурпурный. Однако другой ген контролирует, есть ли у цветков цвет вообще или они белые. Если у растения есть две копии этого аллеля, определяющего белый цвет, его цветки будут белыми, независимо от того, какие аллели – синий или пурпурный – содержит первый ген. Такое взаимодействие между генами называется эпистазом, при этом второй ген является эпистатичным по отношению к первому. Многие признаки не являются дискретными характеристиками (например, фиолетовые или белые цветки), а представляют собой непрерывные характеристики (например, рост и цвет кожи человека). Эти сложные признаки являются результатом действия множества генов. Влияние этих генов в различной степени опосредовано окружающей средой, в которой организм развивается. Степень, в которой гены организма влияют на сложный признак, называется наследуемостью. Оценка наследуемости признака является относительной: в более изменчивой среде окружающая среда оказывает большее влияние на общую изменчивость признака. Например, рост человека – это признак с комплексной природой. В Соединенных Штатах его наследуемость составляет 89%. Однако в Нигерии, где люди имеют более неравномерный доступ к качественному питанию и здравоохранению, наследуемость роста составляет всего 62%.

ДНК и хромосомы

Молекулярная основа генов – это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК состоит из дезоксирибозы (молекулы сахара), фосфатной группы и основания (аминогруппы). Существует четыре типа оснований: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т). Фосфаты образуют водородные связи с сахарами, формируя длинные фосфатно-сахарные цепи. Основания специфически соединяются в пары (Т&А, С&Г) между двумя цепями, образуя перемычки, подобные ступеням лестницы. Основания, фосфаты и сахара вместе образуют нуклеотид, который соединяется, формируя длинные цепи ДНК. Генетическая информация заключена в последовательности этих нуклеотидов, а гены существуют в виде участков последовательности вдоль цепи ДНК. Эти цепи скручиваются в структуру двойной спирали и обвиваются вокруг белков, называемых гистонами, которые обеспечивают структурную поддержку. ДНК, обернутая вокруг гистонов, называется хромосомами. Вирусы иногда используют аналогичную молекулу РНК вместо ДНК в качестве генетического материала. ДНК обычно существует в виде двухцепочечной молекулы, скрученной в форму двойной спирали. Каждый нуклеотид в ДНК предпочтительно соединяется со своим комплементарным нуклеотидом на противоположной цепи: А соединяется с Т, а С соединяется с Г. Таким образом, в двухцепочечной форме каждая цепь фактически содержит всю необходимую информацию, дублирующую информацию комплементарной цепи. Эта структура ДНК является физической основой наследственности: репликация ДНК удваивает генетическую информацию, разделяя цепи и используя каждую цепь в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной цепи. Гены расположены линейно вдоль длинных цепей последовательностей пар оснований ДНК. У бактерий каждая клетка обычно содержит один кольцевой генофор, в то время как у эукариотических организмов (таких как растения и животные) их ДНК организована в несколько линейных хромосом. Эти цепи ДНК часто чрезвычайно длинные; самая большая человеческая хромосома, например, имеет длину около 247 миллионов пар оснований. ДНК хромосомы связана со структурными белками, которые организуют, компактизируют и контролируют доступ к ДНК, формируя материал, называемый хроматином; у эукариот хроматин обычно состоит из нуклеосом – сегментов ДНК, обернутых вокруг ядер гистонных белков. Полный набор наследственного материала в организме (обычно совокупность последовательностей ДНК всех хромосом) называется геномом. ДНК чаще всего находится в ядре клеток, но Рут Сейджер внесла вклад в открытие нехромосомных генов, расположенных за пределами ядра. У растений они часто встречаются в хлоропластах, а у других организмов – в митохондриях. У многих видов есть так называемые половые хромосомы, которые определяют пол организма. У человека и многих других животных Y-хромосома содержит ген, запускающий развитие специфически мужских признаков. В ходе эволюции эта хромосома потеряла большую часть своего содержимого и большинство своих генов, в то время как X-хромосома похожа на другие хромосомы и содержит множество генов. Однако Мэри Фрэнсис Лайон обнаружила, что во время репродукции происходит инактивация X-хромосомы, чтобы избежать передачи потомству вдвое большего количества генов. Открытие Лайон привело к открытию X-сцепленных заболеваний. Эукариотические организмы часто используют половое размножение для создания потомства, содержащего смесь генетического материала, унаследованного от двух разных родителей. Процесс полового размножения чередуется между формами, содержащими одинарные копии генома (гаплоидные) и двойные копии (диплоидные). Хотя бактерии не используют гаплоидный/диплоидный метод полового размножения, они обладают множеством способов приобретения новой генетической информации. Некоторые бактерии могут подвергаться конъюгации, передавая небольшой кольцевой фрагмент ДНК другой бактерии. Бактерии также могут поглощать фрагменты свободной ДНК, найденной в окружающей среде, и интегрировать их в свои геномы, явление, известное как трансформация. Эти процессы приводят к горизонтальному переносу генов, передаче фрагментов генетической информации между организмами, которые в противном случае не были бы связаны. Естественная бактериальная трансформация происходит у многих видов бактерий и может рассматриваться как половой процесс передачи ДНК из одной клетки в другую (обычно того же вида). Трансформация требует действия многочисленных бактериальных генов, и ее основная адаптивная функция, по-видимому, заключается в восстановлении повреждений ДНК в клетке-реципиенте. Этот процесс кроссинговера обычно происходит во время мейоза – серии делений клеток, создающих гаплоидные клетки. Мейотическая рекомбинация, особенно у микроскопических эукариот, по-видимому, служит адаптивной функцией восстановления повреждений ДНК. Вероятность кроссинговера между двумя заданными точками на хромосоме связана с расстоянием между этими точками. Для произвольно большого расстояния вероятность кроссинговера достаточно высока, чтобы наследование генов было эффективно некоррелированным. Однако для генов, расположенных ближе друг к другу, более низкая вероятность кроссинговера означает, что гены демонстрируют генетическую связь; аллели для этих двух генов, как правило, наследуются вместе. Степень сцепления между серией генов можно объединить, чтобы сформировать линейную карту сцепления, которая приблизительно описывает расположение генов вдоль хромосомы.

The molecular basis for genes is deoxyribonucleic acid (DNA). DNA is composed of deoxyribose (sugar molecule), a phosphate group, and a base (amine group). There are four types of bases: adenine (A), cytosine (C), guanine (G), and thymine (T). The phosphates make hydrogen bonds with the sugars to make long phosphate sugar backbones. Bases specifically pair together (T&A, C&G) between two backbones and make like rungs on a ladder. The bases, phosphates, and sugars together make a nucleotide that connects to make long chains of DNA. Genetic information exists in the sequence of these nucleotides, and genes exist as stretches of sequence along the DNA chain. These chains coil into a double a helix structure and wrap around proteins called Histones which provide the structural support. DNA wrapped around these histones are called chromosomes. Viruses sometimes use the similar molecule RNA instead of DNA as their genetic material. DNA normally exists as a double stranded molecule, coiled into the shape of a double helix. Each nucleotide in DNA preferentially pairs with its partner nucleotide on the opposite strand: A pairs with T, and C pairs with G. Thus, in its two stranded form, each strand effectively contains all necessary information, redundant with its partner strand. This structure of DNA is the physical basis for inheritance: DNA replication duplicates the genetic information by splitting the strands and using each strand as a template for synthesis of a new partner strand. Genes are arranged linearly along long chains of DNA base pair sequences. In bacteria, each cell usually contains a single circular genophore, while eukaryotic organisms (such as plants and animals) have their DNA arranged in multiple linear chromosomes. These DNA strands are often extremely long; the largest human chromosome, for example, is about 247 million base pairs in length. The DNA of a chromosome is associated with structural proteins that organize, compact, and control access to the DNA, forming a material called chromatin; in eukaryotes, chromatin is usually composed of nucleosomes, segments of DNA wound around cores of histone proteins. The full set of hereditary material in an organism (usually the combined DNA sequences of all chromosomes) is called the genome. DNA is most often found in the nucleus of cells, but Ruth Sager helped in the discovery of nonchromosomal genes found outside of the nucleus. In plants, these are often found in the chloroplasts and in other organisms, in the mitochondria. Many species have so called sex chromosomes that determine the sex of each organism. In humans and many other animals, the Y chromosome contains the gene that triggers the development of the specifically male characteristics. In evolution, this chromosome has lost most of its content and also most of its genes, while the X chromosome is similar to the other chromosomes and contains many genes. This being said, Mary Frances Lyon discovered that there is X chromosome inactivation during reproduction to avoid passing on twice as many genes to the offspring. Lyon's discovery led to the discovery of X linked diseases. Eukaryotic organisms often use sexual reproduction to generate offspring that contain a mixture of genetic material inherited from two different parents. The process of sexual reproduction alternates between forms that contain single copies of the genome (haploid) and double copies (diploid). Although they do not use the haploid/diploid method of sexual reproduction, bacteria have many methods of acquiring new genetic information. Some bacteria can undergo conjugation, transferring a small circular piece of DNA to another bacterium. Bacteria can also take up raw DNA fragments found in the environment and integrate them into their genomes, a phenomenon known as transformation. These processes result in horizontal gene transfer, transmitting fragments of genetic information between organisms that would be otherwise unrelated. Natural bacterial transformation occurs in many bacterial species, and can be regarded as a sexual process for transferring DNA from one cell to another cell (usually of the same species). Transformation requires the action of numerous bacterial gene products, and its primary adaptive function appears to be repair of DNA damages in the recipient cell. This process of chromosomal crossover generally occurs during meiosis, a series of cell divisions that creates haploid cells. Meiotic recombination, particularly in microbial eukaryotes, appears to serve the adaptive function of repair of DNA damages. The probability of chromosomal crossover occurring between two given points on the chromosome is related to the distance between the points. For an arbitrarily long distance, the probability of crossover is high enough that the inheritance of the genes is effectively uncorrelated. For genes that are closer together, however, the lower probability of crossover means that the genes demonstrate genetic linkage; alleles for the two genes tend to be inherited together. The amounts of linkage between a series of genes can be combined to form a linear linkage map that roughly describes the arrangement of the genes along the chromosome.

Генетический код

Гены реализуют свой функциональный эффект посредством производства белков, которые являются молекулами, ответственными за большинство функций в клетке. Белки состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых состоит из последовательности аминокислот. Последовательность ДНК гена используется для создания определенной последовательности аминокислот. Этот процесс начинается с синтеза молекулы РНК, последовательность которой соответствует последовательности ДНК гена, этот процесс называется транскрипцией. Эта молекула матричной РНК (мРНК) затем служит для создания соответствующей аминокислотной последовательности посредством процесса, называемого трансляцией. Каждая группа из трех нуклеотидов в последовательности, называемая кодоном, соответствует одной из двадцати возможных аминокислот в белке или сигналу о завершении аминокислотной последовательности; эта взаимосвязь называется генетическим кодом. Передача информации происходит в одном направлении: информация переносится из нуклеотидных последовательностей в аминокислотную последовательность белков, но никогда не передается от белка обратно в последовательность ДНК — явление, которое Фрэнсис Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Специфическая последовательность аминокислот определяет уникальную трехмерную структуру белка, а трехмерные структуры белков связаны с их функциями. Некоторые из них представляют собой простые структурные молекулы, такие как волокна, образованные белком коллагеном. Белки могут связываться с другими белками и простыми молекулами, иногда выступая в роли ферментов, облегчая химические реакции внутри связанных молекул (не изменяя при этом структуру самого белка). Структура белка динамична; белок гемоглобин изменяет свою форму, облегчая захват, транспорт и высвобождение молекул кислорода в крови млекопитающих. Одно нуклеотидное различие в ДНК может привести к изменению аминокислотной последовательности белка. Поскольку структура белка является результатом его аминокислотной последовательности, некоторые изменения могут значительно изменить свойства белка, дестабилизируя структуру или изменяя поверхность белка таким образом, что это повлияет на его взаимодействие с другими белками и молекулами. Например, серповидноклеточная анемия — это генетическое заболевание человека, которое возникает из-за однократной замены основания в кодирующей области β-глобина гемоглобина, вызывающей изменение одной аминокислоты, которое изменяет физические свойства гемоглобина. Молекулы гемоглобина при серповидноклеточной анемии слипаются, образуя волокна, которые искажают форму эритроцитов, несущих белок. Эти серповидные клетки больше не текут плавно по кровеносным сосудам, склонны к закупорке или разрушению, что вызывает медицинские проблемы, связанные с этим заболеванием. Некоторые последовательности ДНК транскрибируются в РНК, но не транслируются в белковые продукты — такие молекулы РНК называются некодирующими РНК. В некоторых случаях эти продукты сворачиваются в структуры, участвующие в критически важных клеточных функциях (например, рибосомная РНК и транспортная РНК). РНК также может оказывать регуляторное действие посредством гибридизационных взаимодействий с другими молекулами РНК (например, микроРНК).

Genes express their functional effect through the production of proteins, which are molecules responsible for most functions in the cell. Proteins are made up of one or more polypeptide chains, each composed of a sequence of amino acids. The DNA sequence of a gene is used to produce a specific amino acid sequence. This process begins with the production of an RNA molecule with a sequence matching the gene's DNA sequence, a process called transcription. This messenger RNA molecule then serves to produce a corresponding amino acid sequence through a process called translation. Each group of three nucleotides in the sequence, called a codon, corresponds either to one of the twenty possible amino acids in a protein or an instruction to end the amino acid sequence; this correspondence is called the genetic code. The flow of information is unidirectional: information is transferred from nucleotide sequences into the amino acid sequence of proteins, but it never transfers from protein back into the sequence of DNA—a phenomenon Francis Crick called the central dogma of molecular biology. The specific sequence of amino acids results in a unique three dimensional structure for that protein, and the three dimensional structures of proteins are related to their functions. Some are simple structural molecules, like the fibers formed by the protein collagen. Proteins can bind to other proteins and simple molecules, sometimes acting as enzymes by facilitating chemical reactions within the bound molecules (without changing the structure of the protein itself). Protein structure is dynamic; the protein hemoglobin bends into slightly different forms as it facilitates the capture, transport, and release of oxygen molecules within mammalian blood. A single nucleotide difference within DNA can cause a change in the amino acid sequence of a protein. Because protein structures are the result of their amino acid sequences, some changes can dramatically change the properties of a protein by destabilizing the structure or changing the surface of the protein in a way that changes its interaction with other proteins and molecules. For example, sickle cell anemia is a human genetic disease that results from a single base difference within the coding region for the β globin section of hemoglobin, causing a single amino acid change that changes hemoglobin's physical properties. Sickle cell versions of hemoglobin stick to themselves, stacking to form fibers that distort the shape of red blood cells carrying the protein. These sickle shaped cells no longer flow smoothly through blood vessels, having a tendency to clog or degrade, causing the medical problems associated with this disease. Some DNA sequences are transcribed into RNA but are not translated into protein products—such RNA molecules are called non coding RNA. In some cases, these products fold into structures which are involved in critical cell functions (e. g. ribosomal RNA and transfer RNA). RNA can also have regulatory effects through hybridization interactions with other RNA molecules (such as microRNA).

Природа и воспитание

Хотя гены содержат всю информацию, необходимую организму для функционирования, окружающая среда играет важную роль в определении конечных фенотипов, которые проявляются у организма. Выражение "природа и воспитание" отражает эту взаимодополняющую связь. Фенотип организма зависит от взаимодействия генов и окружающей среды. Интересным примером является окраска шерсти сиамской кошки. В данном случае температуру тела кошки можно рассматривать как фактор окружающей среды. Гены кошки кодируют темную шерсть, поэтому клетки, производящие шерсть, синтезируют клеточные белки, приводящие к образованию темного пигмента. Однако эти белки, ответственные за производство темной шерсти, чувствительны к температуре (то есть содержат мутацию, вызывающую температурную чувствительность) и денатурируют в условиях более высокой температуры, что препятствует образованию темного пигмента в областях тела кошки с повышенной температурой. При низкой температуре структура белка остается стабильной и обеспечивает нормальное производство темного пигмента. Белок сохраняет свою функциональность в более холодных областях кожи, таких как лапы, уши, хвост и морда, поэтому шерсть на этих участках тела кошки темная. Окружающая среда играет важную роль в проявлениях фенилкетонурии – генетического заболевания человека. Мутация, вызывающая фенилкетонурию, нарушает способность организма расщеплять аминокислоту фенилаланин, что приводит к токсичному накоплению промежуточного метаболита, вызывающего тяжелые симптомы прогрессирующей умственной отсталости и судорог. Однако, если человек с мутацией фенилкетонурии соблюдает строгую диету, исключающую эту аминокислоту, он может оставаться здоровым и нормально развиваться. Распространенным методом определения вклада генов и окружающей среды ("природа и воспитание") в формирование фенотипа является изучение однояйцевых и разнояйцевых близнецов, а также других детей из многоплодных беременностей. Однояйцевые близнецы генетически идентичны, поскольку происходят из одной зиготы. В то время как разнояйцевые близнецы генетически отличаются друг от друга так же, как и обычные братья и сестры. Сравнивая частоту встречаемости определенного заболевания у однояйцевых близнецов с частотой его встречаемости у разнояйцевых близнецов, ученые могут определить, обусловлено ли это заболевание генетическими факторами или факторами окружающей среды, действующими после рождения. Одним из известных примеров является исследование четвероногих из семьи Генэйн, которые были идентичными четвероногими, у всех из которых была диагностирована шизофрения.

Although genes contain all the information an organism uses to function, the environment plays an important role in determining the ultimate phenotypes an organism displays. The phrase "nature and nurture" refers to this complementary relationship. The phenotype of an organism depends on the interaction of genes and the environment. An interesting example is the coat coloration of the Siamese cat. In this case, the body temperature of the cat plays the role of the environment. The cat's genes code for dark hair, thus the hair producing cells in the cat make cellular proteins resulting in dark hair. But these dark hair producing proteins are sensitive to temperature (i. e. have a mutation causing temperature sensitivity) and denature in higher temperature environments, failing to produce dark hair pigment in areas where the cat has a higher body temperature. In a low temperature environment, however, the protein's structure is stable and produces dark hair pigment normally. The protein remains functional in areas of skin that are colder—such as its legs, ears, tail, and faceso the cat has dark hair at its extremities. Environment plays a major role in effects of the human genetic disease phenylketonuria. The mutation that causes phenylketonuria disrupts the ability of the body to break down the amino acid phenylalanine, causing a toxic build up of an intermediate molecule that, in turn, causes severe symptoms of progressive intellectual disability and seizures. However, if someone with the phenylketonuria mutation follows a strict diet that avoids this amino acid, they remain normal and healthy. A common method for determining how genes and environment ("nature and nurture") contribute to a phenotype involves studying identical and fraternal twins, or other siblings of multiple births. Identical siblings are genetically the same since they come from the same zygote. Meanwhile, fraternal twins are as genetically different from one another as normal siblings. By comparing how often a certain disorder occurs in a pair of identical twins to how often it occurs in a pair of fraternal twins, scientists can determine whether that disorder is caused by genetic or postnatal environmental factors. One famous example involved the study of the Genain quadruplets, who were identical quadruplets all diagnosed with schizophrenia.

Регулирование генов

Геном данного организма содержит тысячи генов, но не все эти гены должны быть активны в любой данный момент. Ген экспрессируется, когда он транскрибируется в мРНК, и существует множество клеточных механизмов контроля экспрессии генов, обеспечивающих выработку белков только при необходимости для клетки. Факторы транскрипции – это регуляторные белки, которые связываются с ДНК, либо стимулируя, либо подавляя транскрипцию гена. В геноме бактерии Escherichia coli, например, существует набор генов, необходимых для синтеза аминокислоты триптофана. Однако, когда триптофан уже доступен клетке, эти гены для синтеза триптофана становятся ненужными. Присутствие триптофана напрямую влияет на активность генов: молекулы триптофана связываются с триптофановым репрессором (фактором транскрипции), изменяя структуру репрессора таким образом, что он связывается с генами. Тryptофановый репрессор блокирует транскрипцию и экспрессию генов, создавая тем самым отрицательную обратную связь в процессе синтеза триптофана. Различия в экспрессии генов особенно заметны в многоклеточных организмах, где все клетки содержат один и тот же геном, но имеют очень разные структуры и поведение из-за экспрессии различных наборов генов. Все клетки в многоклеточном организме происходят из одной клетки, дифференцируются в различные типы клеток в ответ на внешние и межклеточные сигналы и постепенно устанавливают различные паттерны экспрессии генов, определяющие различные функции. Поскольку ни один ген не отвечает за развитие структур в многоклеточных организмах, эти паттерны возникают в результате сложных взаимодействий между многими клетками. В эукариотах существуют структурные особенности хроматина, влияющие на транскрипцию генов, часто в форме модификаций ДНК и хроматина, которые стабильно наследуются дочерними клетками. Эти особенности называются «эпигенетическими», поскольку они существуют «над» последовательностью ДНК и сохраняют наследственность из поколения в поколение клеток. Благодаря эпигенетическим особенностям, различные типы клеток, выращенные в одной и той же среде, могут сохранять очень разные свойства. Хотя эпигенетические особенности обычно динамичны в ходе развития, некоторые, такие как феномен парамутации, обладают многопоколенным наследованием и являются редкими исключениями из общего правила, согласно которому ДНК является основой наследственности.

The genome of a given organism contains thousands of genes, but not all these genes need to be active at any given moment. A gene is expressed when it is being transcribed into mRNA and there exist many cellular methods of controlling the expression of genes such that proteins are produced only when needed by the cell. Transcription factors are regulatory proteins that bind to DNA, either promoting or inhibiting the transcription of a gene. Within the genome of Escherichia coli bacteria, for example, there exists a series of genes necessary for the synthesis of the amino acid tryptophan. However, when tryptophan is already available to the cell, these genes for tryptophan synthesis are no longer needed. The presence of tryptophan directly affects the activity of the genes—tryptophan molecules bind to the tryptophan repressor (a transcription factor), changing the repressor's structure such that the repressor binds to the genes. The tryptophan repressor blocks the transcription and expression of the genes, thereby creating negative feedback regulation of the tryptophan synthesis process. Differences in gene expression are especially clear within multicellular organisms, where cells all contain the same genome but have very different structures and behaviors due to the expression of different sets of genes. All the cells in a multicellular organism derive from a single cell, differentiating into variant cell types in response to external and intercellular signals and gradually establishing different patterns of gene expression to create different behaviors. As no single gene is responsible for the development of structures within multicellular organisms, these patterns arise from the complex interactions between many cells. Within eukaryotes, there exist structural features of chromatin that influence the transcription of genes, often in the form of modifications to DNA and chromatin that are stably inherited by daughter cells. These features are called "epigenetic" because they exist "on top" of the DNA sequence and retain inheritance from one cell generation to the next. Because of epigenetic features, different cell types grown within the same medium can retain very different properties. Although epigenetic features are generally dynamic over the course of development, some, like the phenomenon of paramutation, have multigenerational inheritance and exist as rare exceptions to the general rule of DNA as the basis for inheritance.

Мутации

В процессе репликации ДНК иногда возникают ошибки при полимеризации комплементарной нити. Эти ошибки, называемые мутациями, могут влиять на фенотип организма, особенно если они происходят в кодирующей последовательности гена. Частота ошибок обычно очень низкая — 1 ошибка на каждые 10–100 миллионов оснований — благодаря способности ДНК-полимераз к «корректуре». Процессы, увеличивающие скорость изменений в ДНК, называются мутагенными: мутагенные химические вещества способствуют ошибкам в репликации ДНК, часто нарушая структуру спаривания оснований, а ультрафиолетовое излучение индуцирует мутации, вызывая повреждение структуры ДНК. Химическое повреждение ДНК происходит и естественным путем, и клетки используют механизмы репарации ДНК для исправления некорректных пар оснований и разрывов. Однако репарация не всегда восстанавливает исходную последовательность. Особенно важным источником повреждений ДНК, по-видимому, являются реактивные формы кислорода, образующиеся в ходе клеточного аэробного дыхания, которые могут приводить к мутациям. В организмах, использующих хромосомный кроссинговер для обмена ДНК и рекомбинации генов, ошибки в выравнивании во время мейоза также могут вызывать мутации. Ошибки в кроссинговере особенно вероятны, когда схожие последовательности приводят к ошибочному выравниванию гомологичных хромосом; это делает некоторые участки геномов более подверженными мутациям такого рода. Эти ошибки приводят к крупным структурным изменениям в последовательности ДНК — дупликациям, инверсиям, делециям целых участков — или к случайному обмену большими фрагментами последовательностей между разными хромосомами, что называется хромосомной транслокацией.

Естественный отбор и эволюция

Мутации изменяют генотип организма, и иногда это приводит к появлению различных фенотипов. Большинство мутаций оказывают незначительное влияние на фенотип, здоровье или репродуктивную пригодность организма. Мутации, которые оказывают влияние, обычно вредны, но иногда могут быть полезными. Исследования на мухе Drosophila melanogaster показывают, что если мутация изменяет белок, кодируемый геном, то около 70 процентов этих мутаций вредны, а остальные либо нейтральны, либо слабо полезны. Популяционная генетика изучает распределение генетических различий внутри популяций и то, как эти распределения меняются со временем. Изменения частоты аллеля в популяции в основном обусловлены естественным отбором, когда данный аллель предоставляет организму селективное или репродуктивное преимущество, а также другими факторами, такими как мутация, генетический дрейф, генетический автостоп, искусственный отбор и миграция. На протяжении многих поколений геномы организмов могут значительно изменяться, что приводит к эволюции. В процессе, называемом адаптацией, отбор полезных мутаций может привести к эволюции вида в формы, лучше приспособленные к выживанию в своей среде. Новые виды формируются в процессе видообразования, часто вызванного географической изоляцией, препятствующей обмену генами между популяциями. Сравнивая гомологию геномов разных видов, можно рассчитать эволюционное расстояние между ними и время их расхождения. Генетические сравнения, как правило, считаются более точным методом определения родства между видами, чем сравнение фенотипических характеристик. Эволюционные расстояния между видами могут быть использованы для построения эволюционных деревьев, которые отражают общее происхождение и расхождение видов во времени, однако они не показывают передачу генетического материала между неродственными видами (известную как горизонтальный перенос генов, наиболее распространенный у бактерий).

Mutations alter an organism's genotype and occasionally this causes different phenotypes to appear. Most mutations have little effect on an organism's phenotype, health, or reproductive fitness. Mutations that do have an effect are usually detrimental, but occasionally some can be beneficial. Studies in the fly Drosophila melanogaster suggest that if a mutation changes a protein produced by a gene, about 70 percent of these mutations are harmful with the remainder being either neutral or weakly beneficial. Population genetics studies the distribution of genetic differences within populations and how these distributions change over time. Changes in the frequency of an allele in a population are mainly influenced by natural selection, where a given allele provides a selective or reproductive advantage to the organism, as well as other factors such as mutation, genetic drift, genetic hitchhiking, artificial selection and migration. Over many generations, the genomes of organisms can change significantly, resulting in evolution. In the process called adaptation, selection for beneficial mutations can cause a species to evolve into forms better able to survive in their environment. New species are formed through the process of speciation, often caused by geographical separations that prevent populations from exchanging genes with each other. By comparing the homology between different species' genomes, it is possible to calculate the evolutionary distance between them and when they may have diverged. Genetic comparisons are generally considered a more accurate method of characterizing the relatedness between species than the comparison of phenotypic characteristics. The evolutionary distances between species can be used to form evolutionary trees; these trees represent the common descent and divergence of species over time, although they do not show the transfer of genetic material between unrelated species (known as horizontal gene transfer and most common in bacteria).

Модельные организмы

Хотя генетики изначально изучали наследственность у широкого разнообразия организмов, спектр изучаемых видов сузился. Одна из причин в том, что когда для определенного организма уже накоплен значительный объем исследований, новые исследователи с большей вероятностью выберут его для дальнейшего изучения, и в конечном итоге несколько модельных организмов стали основой для большинства генетических исследований. Распространенные темы исследований в генетике модельных организмов включают изучение регуляции генов и роли генов в развитии и раке. Выбор организмов был обусловлен, в частности, удобством – короткие жизненные циклы и простота генетической манипуляции сделали некоторые организмы популярными инструментами для генетических исследований. К широко используемым модельным организмам относятся кишечная бактерия Escherichia coli, растение Arabidopsis thaliana, пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), нематода Caenorhabditis elegans, обычная плодовая мушка (Drosophila melanogaster), данио рерио (Danio rerio) и обычная домовая мышь (Mus musculus).

Медицина

Медицинская генетика стремится понять, как генетические вариации связаны со здоровьем человека и болезнями. При поиске неизвестного гена, который может быть вовлечен в заболевание, исследователи обычно используют генетическое линкование и генеалогические схемы (педдигри) для определения местоположения в геноме, ассоциированного с болезнью. На популяционном уровне исследователи применяют метод менделевской рандомизации для выявления участков генома, связанных с заболеваниями, что особенно полезно для полигенных признаков, не определяемых одним геном. После обнаружения гена-кандидата часто проводятся дальнейшие исследования соответствующих (или гомологичных) генов модельных организмов. Помимо изучения генетических заболеваний, возросшая доступность методов генотипирования привела к развитию фармакогенетики – изучению влияния генотипа на реакцию на лекарственные препараты. У людей различается наследственная предрасположенность к развитию рака, а сам рак является генетическим заболеванием. Процесс развития рака в организме представляет собой комбинацию событий. Мутации спорадически возникают в клетках организма в процессе деления. Хотя эти мутации не наследуются потомством, они могут влиять на поведение клеток, иногда вызывая более частое их деление и рост. В организме существуют биологические механизмы, направленные на остановку этого процесса: ненормально делящимся клеткам подаются сигналы, которые должны запускать апоптоз, но иногда возникают дополнительные мутации, заставляющие клетки игнорировать эти сигналы. Внутри организма происходит своего рода естественный отбор, в результате которого мутации накапливаются в клетках, стимулируя их рост и приводя к образованию раковой опухоли, которая растет и проникает в различные ткани организма. Обычно клетка делится только в ответ на сигналы, называемые факторами роста, и прекращает рост при контакте с окружающими клетками и под воздействием сигналов, ингибирующих рост. Затем она обычно делится ограниченное число раз и погибает, оставаясь в эпителии, где не может мигрировать в другие органы. Чтобы стать раковой клеткой, клетке необходимо накопить мутации в нескольких генах (от трех до семи). Раковая клетка может делиться без фактора роста и игнорирует ингибирующие сигналы. Кроме того, она обладает потенциалом к бессмертию и может расти неограниченно, даже после контакта с соседними клетками. Она может выходить из эпителия и, в конечном итоге, из первичной опухоли. Затем вырвавшаяся клетка может преодолеть эндотелий кровеносного сосуда и с кровотоком попасть в другой орган, формируя смертоносные метастазы. Хотя в небольшой доле случаев рака наблюдаются генетические предрасположенности, основная часть обусловлена набором новых генетических мутаций, которые первоначально возникают и накапливаются в одной или нескольких клетках, делящихся для формирования опухоли, и не передаются потомству (соматические мутации). Наиболее распространенными мутациями являются мутации, приводящие к потере функции белка p53, супрессора опухолей, или в сигнальном пути p53, а также мутации, приводящие к усилению функции белков Ras или других онкогенов.

Medical genetics seeks to understand how genetic variation relates to human health and disease. When searching for an unknown gene that may be involved in a disease, researchers commonly use genetic linkage and genetic pedigree charts to find the location on the genome associated with the disease. At the population level, researchers take advantage of Mendelian randomization to look for locations in the genome that are associated with diseases, a method especially useful for multigenic traits not clearly defined by a single gene. Once a candidate gene is found, further research is often done on the corresponding (or homologous) genes of model organisms. In addition to studying genetic diseases, the increased availability of genotyping methods has led to the field of pharmacogenetics: the study of how genotype can affect drug responses. Individuals differ in their inherited tendency to develop cancer, and cancer is a genetic disease. The process of cancer development in the body is a combination of events. Mutations occasionally occur within cells in the body as they divide. Although these mutations will not be inherited by any offspring, they can affect the behavior of cells, sometimes causing them to grow and divide more frequently. There are biological mechanisms that attempt to stop this process; signals are given to inappropriately dividing cells that should trigger cell death, but sometimes additional mutations occur that cause cells to ignore these messages. An internal process of natural selection occurs within the body and eventually mutations accumulate within cells to promote their own growth, creating a cancerous tumor that grows and invades various tissues of the body. Normally, a cell divides only in response to signals called growth factors and stops growing once in contact with surrounding cells and in response to growth inhibitory signals. It usually then divides a limited number of times and dies, staying within the epithelium where it is unable to migrate to other organs. To become a cancer cell, a cell has to accumulate mutations in a number of genes (three to seven). A cancer cell can divide without growth factor and ignores inhibitory signals. Also, it is immortal and can grow indefinitely, even after it makes contact with neighboring cells. It may escape from the epithelium and ultimately from the primary tumor. Then, the escaped cell can cross the endothelium of a blood vessel and get transported by the bloodstream to colonize a new organ, forming deadly metastasis. Although there are some genetic predispositions in a small fraction of cancers, the major fraction is due to a set of new genetic mutations that originally appear and accumulate in one or a small number of cells that will divide to form the tumor and are not transmitted to the progeny (somatic mutations). The most frequent mutations are a loss of function of p53 protein, a tumor suppressor, or in the p53 pathway, and gain of function mutations in the Ras proteins, or in other oncogenes.

Методы исследования

ДНК можно манипулировать в лаборатории. Рестрикционные ферменты – это широко используемые ферменты, разрезающие ДНК в определенных последовательностях, что приводит к образованию предсказуемых фрагментов ДНК. Фрагменты ДНК можно визуализировать с помощью гелевого электрофореза, который разделяет фрагменты по длине. Использование лигаз позволяет соединять фрагменты ДНК. Объединяя ("лигируя") фрагменты ДНК из разных источников, исследователи могут создавать рекомбинантную ДНК, часто используемую в генетически модифицированных организмах. Рекомбинантная ДНК обычно используется в контексте плазмид: коротких кольцевых молекул ДНК, содержащих несколько генов. В процессе, известном как молекулярное клонирование, исследователи могут амплифицировать фрагменты ДНК, вставляя плазмиды в бактерии и затем культивируя их на агаровых пластинах (для выделения клонов бактериальных клеток). "Клонирование" также может относиться к различным методам создания клонированных ("клональных") организмов. ДНК также можно амплифицировать с помощью процедуры, называемой полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Используя специфические короткие последовательности ДНК, ПЦР позволяет изолировать и экспоненциально амплифицировать целевой участок ДНК. Благодаря возможности амплификации даже из очень небольшого количества ДНК, ПЦР часто используется для обнаружения наличия определенных последовательностей ДНК.

Секвенирование ДНК и геномика

Секвенирование ДНК, одна из самых фундаментальных технологий, разработанных для изучения генетики, позволяет исследователям определять последовательность нуклеотидов в фрагментах ДНК. Метод секвенирования по прекращению цепи, разработанный в 1977 году группой под руководством Фредерика Сэнгера, до сих пор регулярно используется для секвенирования фрагментов ДНК. С помощью этой технологии исследователи смогли изучить молекулярные последовательности, связанные со многими заболеваниями человека. По мере удешевления секвенирования исследователи секвенировали геномы многих организмов, используя процесс, называемый сборкой генома, который применяет вычислительные инструменты для соединения последовательностей из множества различных фрагментов. Эти технологии были использованы для секвенирования генома человека в рамках проекта «Геном человека», завершенного в 2003 году. Новые высокопроизводительные технологии секвенирования значительно снижают стоимость секвенирования ДНК, и многие исследователи надеются снизить стоимость повторного секвенирования человеческого генома до тысячи долларов. Секвенирование нового поколения (или высокопроизводительное секвенирование) появилось в связи с постоянно растущим спросом на недорогое секвенирование. Эти технологии секвенирования позволяют одновременно получать потенциально миллионы последовательностей. Большой объем доступных данных о последовательностях привел к формированию подраздела геномики – области исследований, использующей вычислительные инструменты для поиска и анализа закономерностей в полных геномах организмов. Геномику также можно рассматривать как подраздел биоинформатики, которая использует вычислительные подходы для анализа больших массивов биологических данных. Общей проблемой для этих областей исследований является управление и обмен данными, касающимися информации о людях и персональными данными.

Общество и культура

19 марта 2015 года группа ведущих биологов призвала к всемирному запрету на клиническое применение методов редактирования генома человека, особенно CRISPR и цинковых пальцев, таким образом, чтобы изменения могли передаваться по наследству. В апреле 2015 года китайские исследователи опубликовали результаты фундаментальных исследований по редактированию ДНК нежизнеспособных человеческих эмбрионов с помощью CRISPR.