Как гените управляват живота ни?

Чували ли сте израза: Всичко е до ген? А може би по медиите сте засичали материали, които съобщават, че е открит ген отговорен за алкохолизма, за хомосексуалността, за агресията. Тези изрази и твърдения създават имагинерна представа за гените, като самостоятелен и независим обект, като дори рядко се прави разграничаване между ген и белег. Затова може би са отговорни класическите научни схващания, които са претърпели сериозни изменения. В класическата (менделова) генетика, генът представлява белег, чието унаследяване може да се наблюдава и проследи през поколенията. В молекулярната биология генът е структурна единица, която кодира един РНК продукт и който може да има или няма фенотипна изява, може да даде или да не даде продукт под формата на протеин.

Това объркване има и своята интересна история. Откриването преди няколко десетилетия на първите гени е било постигнато с примитивни технологии. Могло е да се идентифицират единствено гени с големи и добре изразени ефекти върху даден белег. Например, малка мутация (промяна в нуклеотидната последователност) в ген, който кодира РНК, която  кодира един от четирите елемента на хемоглобина, води до сърповидно-клетъчна анемия. Червените кръвни клетки са с деформирана форма, което повлиява негативно на способността им да пренасят нужното количество кислород.

Поради тези драматични ефекти на малките мутации по това време е смятано, че всеки ген отговаря за определен белег. Днес е възможно да се измерят миниатюрните ефекти на множество гени и е добре установено, че парадигмата „един ген/един белег“ е погрешна. Повечето белези се контролират от множество гени, а повечето гени участват в развитието на множество белези.

Геномът е цялата генетична информация на един индивид. Всяка клетка в тялото на индивида съдържа пълния геном. Геномите се различават мъничко между индивидите от един и същи вид и съвсем малко повече се различават между близкородствени видове.

Децата унаследяват по 50% от генома си от всеки един родител, което означава, че ако сравните генома на майка и дъщеря, двата генома ще са наполовина идентични.

Точната ДНК секвенция (последователност от нуклеотиди изграждащи ДНК) на даден индивид е неговият генотип. Всички наблюдаеми и измерими белези са неговият фенотип.

Ако всяка позиция и всяка функция в клетките в нашите тела бяха генетично детерминирани, то бихме имали нужда от милиарди гени, за да се съхрани цялата тази информация. Въпреки това ние имаме само 26 000 гена. Всичките ни гени са с висока идентичност с гените в шимпанзетата, но въпреки това сме много различни по анатомично, физиологично и поведенческо отношение. Освен това споделяме и много гени с риби, насекоми и дори растения и въпреки това различията във фенотипа ни са огромни.

Това означава, че метафората, че геномът ни е скица за изграждане на тялото ни е грешна. Не е толкова важно кои гени имаш, а как тези гени си взаимодействат помежду си по време на развитието, което ви прави уникален спрямо други индивиди от същия вид.

В молекулярната биология има една централна догма, правило, закон  – ДНК -> РНК -> Протеин . ДНК съдържа „рецептата“ за синтез на протеини, която се записва и модифицира в РНК. РНК  е временен носител на информация. Информацията в РНК се реализира в краен продукт – функционален протеин.

Гените кодират протеини и некодиращи РНК молекули, които имат регулаторна функция. Някои протеини взаимодействат с други протеини. Някои протеини регулират транскрипцията или репликацията на ДНК. Други протеини са ензими, които модифицират различни химични вещества. Има и протеини, които са структурни – те са част от мембраните, косата, космите, ноктите и други.

Малки промени в ДНК секвенцията ще се отрази и на секвенцията на РНК, което ще се отрази и на секвенцията на протеините, което ще промени първичната, вторичната и третичната структура на протеина. Промяна в 3D формата на протеина променя и неговата функционалност.

Например, за да може два протеина да си взаимодействат, те трябва да се свържат помежду си. При промяна на структурата на единия протеин ще се промени и ефикасността на свързването. Това може да причини забавяне или ускоряване на реакцията. Промяна в скоростта на тази реакция ще промени скоростта и на други реакции в клетката, включително и начина по който клетката реагира на сигнали от външната среда.

Всички тези гени, протеини, други вещества в клетката, междуклетъчните взаимодействия и външната среда влияят на белезите. Докато белезите  се изграждат по време на развитието, взаимодействието между всички тези участници на всички нива на организация определят крайния фенотип на индивида.

За да ни стане ясно как околната среда променя фенотипа, можем да вземем като пример феномена  норма на реакцията. Един и същи генотип, когато се развива при различни условия води до различен фенотип. Освен това различните генотипи отговарят на еднакви промени в околната среда различно един от друг. Един генотип може да произведе по-високи растения при висока надморкса височина, а друг генотип може да даде по-ниски растения.

Как един ген може да промени живота ни?

Следните примери са много показателни как промени в единични гени променят изцяло физиологията на живия организъм и начина на живот.

Мусковисцидоза – генетичен дефект, заболяване, което засяга способността на клетките да пренасят соли и вода в и извън тях. Като следствие белите дробове и панкреасът секретират гъста течност, която затруднява функцията на органите, включително и дишането. Този генетичен проблем благоприятства и развитието на инфекции.

Причина за това заболяване е мутация в двата алела на CFTR гена (трансмембранен регулатор на проводимостта). Продуктът на този ген е протеин, който създава йонен канал в мембраната на клетките и взима участие в създаването на пот, храносмилателни сокове и слуз. При дефект в йонния канал клетъчният транспорт е нарушен. Перфектен пример как малка мутация в единичен ген променя изцяло физиологията на макроорганизма.

Генетика на махмурлука

Гените носят основна отговорност дали сутринта след парти ще страдате от тежък махмурлук или не. Махмурлукът и напиването се причиняват от молекула наречена ацеталдехид. Тя е междинен метаболит при разграждането на алкохола. Когато изпиете една бира, алкохолът в нея се метаболизира от ензима алкохол дехидрогеназа. Продукътът е ацеталдехид. Колкото по-висока е концентрацията на ацеталдехид, толкова по-зле ще се чувствате. Ензимът ацеталдехид дехидрогеназа метаболизира ацеталдехида до ацетат и махмурлукът изчезва.

Интересното е, че различните раси имат  различна толерантност към алкохол. Да вземем например азиатците. Българите се хвалят, че страдат от тежък махмурлук след консумация на значително количество твърд алкохол. Повечето азиатци се напиват до припадък едва от една чаша бира. Причината за това е, че те синтезират огромно количество от ензима алкохол дехидрогеназа, при което алкохолът се разгражда до ацеталдехид мигновено . За нещастие мнозинството азиатци синтезират изключително слабо ензима ацеталдехид дехидрогеназа 2 (ALDH 2). Това означава, че азиатците метаболизрат прекалено бързо алкохола и прекалено бавно ацеталдехида. В резултат от това, освен че се напиват бързо,  получават и пигментация  по тялото – червени бузи например. Тук се засяга  генетиката и регулация на генната експресия.

Има и противоположни случаи. Съществуват и индивиди, които може би са ощастливени със свръхекспресия на ензима разграждащ ацеталдехида, което означава, че е трудно някога да изпитат махмурлук…

Червенокосите са мутанти

Генът MC1R (меланокортин 1 рецептор) кодира протеинов рецептор, който е един от факторите, които контролират цвета на кожата и космената покривка при бозайници. При активиране чрез определен лиганд се стартира каскада от реакции, които водят до синтез на пигмента еумеланин (черен или кафяв цвят). Ако рецепторът бъде “атакуван” от своя антагонист се продуцира пигмента феомеланин (жълт цвят). В резултат на мутация рецепторът може да изгуби активност. Резултатът е индивиди с по-светла пигментация, най-често червеникав цвят на космената покривка. Проучване е открило, че около 80% от ирландците с червена пигментация имат нефункционален MC1R ген.

Синеоките също са мутанти

Синият цвят на очите е резултат на мутация, която е често срещана. Но все пак не е нужно мутациите да са рядкост. Интересното е, че синият цвят не е причинен от допълнително пигментиране, а по-скоро от липса на такова. Генът, който е отговорен за това, се нарича OCA2 и контролира синтеза на меланин. Цветът на очите се контролира от пигмент в стромата и ако пигментът е в минимално количество, очите ще бъдат сини. Мутация в OCA2 гена намалява способността за синтез на пигмента меланин, което остава очите “неоцветени” или с други думи сини.

Ако се задълбочим в темата ще стигнем и до извода, че дори и това, което изпитваме и чувстваме се регулира от нашите гени. Любовта например може да се окачестви със “симптомите”: ускорен пулс, сърцебиене, изпотяване на дланите, сияеща кожа, усещане за щастие. Затова е виновен допаминът, който се синтезира от ензима DOPA декарбоксилаза, който пък е продукт на нашия геном. Без допамин няма любов, няма щастие.

А какъв е смисълът на любовта? Какъв е смисълът на живота като цяло? Елементарно… Да поддържаме генетичното разнообразие и да предаваме гените и генома си напред в поколенията. Всеки един организъм преследва тази цел без значение на кое ниво в йерархията е. Защото природата не търпи еднообразието!

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!