Сейчас генетическое тестирование не является чем-то особенным. Благодаря частным лабораториям, таким, как, например, Genetico, многие могут позволить себе НИПТ, секвенирование генома, тестирование в рамках подготовки к беременности и многие другие исследования, основанные на анализе ДНК. Но многие ли знают и понимают, что такое ДНК и как она устроена?
Пойдём от большого к малому. ДНК — это длинная полимерная молекула в виде двойной спирали. Каждая из двух нитей этой спирали представляет собой цепочку нуклеотидов. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы, отсюда и название ДНК) и остатка фосфорной кислоты[1].
Сахар и ортофосфорная кислота всегда одинаковы, в каждой молекуле ДНК. А вот азотистых оснований существует четыре вида: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц).
Азотистые основания в пределах одной нити могут быть расположены в любом порядке, но последовательности нуклеотидов двух нитей одной спирали зависят друг от друга. Между собой две нити соединены множеством водородных связей, которые образуются между азотистыми основаниями, находящимися друг напротив друга на этих цепях. В ДНК такие пары образуют только конкретные основания — аденин (А) образует связи только с тимином (Т), а цитозин (Ц) — с гуанином (Г). Последовательность оснований в любой из нитей и является генетической информацией.
Как ДНК кодирует и передаёт генетическую информацию
Теперь самое интересное. Чтобы прочитать и реализовать эту информацию, ДНК в каждой живой клетке становится матрицей, и запускается процесс переноса информации с неё на РНК, рибонуклеиновую кислоту. Этот процесс называется транскрипцией. РНК состоит из одной цепи, на которой так же, как и в исходной ДНК, будут располагаться азотистые основания, в той же последовательности. Только вместо тимина там будет урацил (У).
Последовательность оснований в цепи можно записать как текст из четырех букв. Клетка «читает» этот текст тройками букв, которые называют триплетами, или кодонами. Значащий участок, то есть содержащий генетическую информацию, начинается со “старт-кодона” — последовательности АУГ, она даёт сигнал к началу синтеза белка. Далее каждые три основания дают сигнал к вставке определённой аминокислоты. Например, ЦГЦ — это аргинин. А ГАА — глутаминовая кислота. Заканчивается кодирование белка “стоп-кодоном”, есть три их варианта: УАА, УАГ и УГА[5].
Из аминокислот состоят белки, а из них, в свою очередь, состоим мы: практически всё, что происходит в нашем теле, а это тысячи процессов, связаны с работой белков. Белки имеют множество функций: каталитическую, транспортную, рецепторную, двигательную, защитную, структурную и другие. Белками являются все ферменты и часть гормонов. Особые белки, называемые антителами, играют большую роль в работе иммунной системы. Без синтеза белка невозможно поддержание жизни, рост и развитие организма. Вот так тройки букв кодируют очень многие характеристики в нас. Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Сегодня многие наверняка знают, что основная задача инсулина — это утилизация глюкозы в организме, а нарушения в выработке инсулина или в его действии в клетках ведут к сахарному диабету 1 или 2 типа.
Законы Менделя и типы наследования признаков
ДНК хранится в хромосомах, а хромосомы — в ядрах клеток. Хромосома образуется из одной очень длинной молекулы ДНК. В норме у человека 46 хромосом (23 пары). Одна из этих пар — половые хромосомы, XY или XX. Остальные хромосомы называются аутосомами.
Каждый участок ДНК, влияющий на определённую характеристику организма, — это ген, единица передачи наследственной информации. У каждого гена есть своё “место” на хромосоме, оно называется локусом. Совокупность генов организма — его генотип.
Свои гены каждый человек получает от родителей, половину от мамы, половину — от папы. Поэтому один ген, отвечающий за конкретный признак (например, цвет волос), существует в разных формах. Эти формы называются аллелями. Наследование аллелей генов подчиняются законам наследственности Менделя[2].
Какой из двух аллелей будет проявляться у конкретного человека — материнский или отцовский? Вернёмся к примеру о цвете волос. Надо сказать, что этот пример условный — у человека за цвет волос отвечает множество генов, то есть на самом деле картина более сложная. Но начнем с какого-нибудь одного гена (локуса). Ген, отвечающий за тёмный цвет волос, является доминантным, подавляющим. А ген, отвечающий за светлый цвет волос — рецессивным, то есть слабым, подавленным. Поэтому, если у ребёнка есть два аллеля генов цвета волос, «тёмный» и «светлый», то его волосы будут тёмными. Получается, что «тёмный» аллель как бы подавил «светлый», который присутствует в геноме, но не проявляется внешне. В этом и заключается суть явления доминирования. Если такой темноволосый ребенок, имеющий «темный» и «светлый» аллели в своем генотипе, впоследствии вступит в брак с человеком с таким же генотипом, то у темноволосой пары с вероятностью ¼ может родиться светловолосый ребенок, имеющий два «светлых» аллеля. Получается, что рецессивные «светлые» аллели находились в геномах родителей как бы в «скрытом» состоянии, но проявились у потомка.
Доминирование одного аллеля гена над другим бывает также неполным[3]. Это проявляется в наследовании волнистости волоса. Если у одного родителя волосы кудрявые, а у второго — прямые, то у ребёнка волосы будут волнистые, как бы посерединке. Кудрявым ребёнок получится, только если оба родителя имеют такие волосы.
Есть также кодоминирование генов — когда признаки проявляются одновременно. Самый типичный пример — наследование группы крови. В системе групп АВ0 (стандартная система, используемая во всём мире) А и В — доминантные гены, а 0 — рецессивный. По этой системе генотип 00 является первой группой крови, АА и А0 — второй, ВВ и В0 — третьей, а АВ — четвёртой группой. Таким образом, дети тех пар, в которых у одного группа АА, а у второго — ВВ, получат по одной доминантной аллели от каждого из родителей, и их группа крови будет — АВ, четвёртая. Это означает, что на поверхности их эритроцитов находятся как антигены А, так и антигены В. Так проявляется кодоминирование[6].
Интересно, что Грегор Мендель, изучая эти законы наследственности на растениях, и выявив их практически абсолютно точно, не получил признания. Свои научные труды он опубликовал в «Трудах общества естествоиспытателей» под заголовком «Опыты над растительными гибридами». Однако его современники не увидели ценности в исследованиях Менделя, и «Опыты» тридцать пять лет пролежали на полке библиотеки аббатства, в котором Мендель служил монахом[1].
Стоит отметить, что в наследовании важны не только доминантность или рецессивность аллелей, но и их локус, местонахождение. Выше мы рассматривали наследование признака, ген которого расположен в аутосоме (неполовой хромосоме), но бывает и наследование, сцепленное с полом[4]. При доминантном наследовании такого типа у пола, чьи половые хромосомы одинаковы (XX), признак будет проявляться в два раза чаще, чем у пола с разными половыми хромосомами (XY). Если аллель гена расположен в X-хромосоме отца (а у матери такой аллель отсутствует вовсе), то все дочери будут его обладателями, и ни один из сыновей. Если же обладателем сцепленного с полом доминантным признаком является мать, то вероятность передачи этого признака одинакова для детей обоих полов[2].
Возможно также X-сцепленное рецессивное наследование. В этом случае, когда женщина является носителем признака, а мужчина нет, у половины сыновей проявится ген, а половина дочерей будут просто носителями[3]. Классический пример такого наследования — гемофилия типов А и B. Отцы никогда не передают гены X-хромосомы своим сыновьям, так как передают им только Y-хромосому. Признак проявляется только у мальчиков, но передается от матери.
По сцепленному с полом типу наследуются многие заболевания, например, гемофилии А и В, дальтонизм, миопатия Дюшенна, синдром Горлина-Гольца, одна из форм нефрогенного сахарного диабета и другие[5].
Генетические заболевания могут появиться также, например, из-за анеуплоидии (изменении числа хромосом) в виде трисомии. Как мы писали выше, у человека 46 хромосом, и они объединены в пары. Однако на стадии образования половых клеток у родителей или деления эмбриональных клеток может произойти неправильное расхождение хромосом, и в одной из пар хромосом окажется не две, а три — это и есть трисомия. Такая аномалия ведёт к развитию синдромов Дауна, Патау, Эдвардса и других. Может также, хоть и намного реже, случиться моносомия — когда вместо двух хромосом в паре только одна. Такая анеуплоидия ведёт, например, к синдрому Шерешевского-Тёрнера (XO, то есть одна X-хромосома вместо двух)[6].
Генетические болезни наследуются не только по сцепленным с полом хромосомам. Например, муковисцидоз вызывают мутации в гене CFTR с локусом в середине длинного плеча 7-й хромосомы[7]. Другим аутосомно-рецессивным генетическим заболеванием, относительно частым в европейских популяциях, является спинальная мышечная атрофия (СМА)[8]. Локус гена, “ответственного” за это заболевание, находится на 5-й хромосоме. Причём родиться с подобным заболеванием ребёнок может у здоровых родителей — если оба являются носителями мутации.
Однако, благодаря развитию науки, мы можем это контролировать.
История изучения ДНК — от “нуклеина” к секвенированию генома
В 1869 году Фридрих Мишер, швейцарский физиолог, гистолог и биолог, а тогда молодой врач, открыл существование ДНК. Хотя, как Колумб когда-то, открыв Америку, не понял, что это новый континент, Мишер так же не понял, что он открыл молекулу, несущую в себе генетическую информацию. Целью Мишера было изучение химического состава клеток животных, для чего он выбрал лейкоциты. Множество этих защитных клеток содержится в гное, поэтому врач использовал гнойные повязки из местной больницы. Мишер был уверен, что в лейкоцитах есть некое ещё не изученное соединение. Он обнаружил, что после отмывания лейкоцитов с бинтов разбавленной соляной кислотой от них остаются только ядра. Последовал вывод: неизвестное соединение содержится в ядрах клеток. Мишер назвал его нуклеином, от латинского nucleus — ядро. Отсюда потом появится название “нуклеотид”.
Мишер умер от туберкулёза в 1895 году. Почти полвека после его смерти считалось, что открытая им молекула слишком проста для хранения генетической информации, и на эту роль выдвигались гораздо более сложные белки[9].
И всё же к середине 1940-х главным кандидатом стала ДНК, невероятно длинная — у человека её суммарная длина в каждой клетке составляет порядка двух метров — молекула, обнаруженная к тому времени почти во всех типах клеток. Одной из учёных, работавших над изучением структуры ДНК, была Розалинд Франклин. Многие из фактов, полученных ею в результате её работы, помогли понять эту молекулу. Но самым известным, пожалуй, является “фотография 51” — рентгенографический снимок В-формы ДНК. Франклин положила вытянутый в нить высушенный образец волокон натриевой соли ДНК теленка в специальную рентген-камеру, которая выдала изображение — полосатый крест. Этот крест станет явным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек, для Джеймса Уотсона. В 1962 году он, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследования структуры нуклеиновых кислот — двойной спиральной структуры.
В 1990 году Уотсон был назначен главой проекта «Геном человека» по расшифровке последовательности человеческой ДНК, главной целью которого было выявление, картирование и секвенирование всех генов человеческого генома. В апреле 2022 года было сообщено, что международная команда исследователей секвенировала последние 8% генома человека[10]. Полная последовательность человеческого генома содержит около трех миллиардов пар азотистых оснований.
Секвенирование — это определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности ДНК. В 2007 году Уотсон стал вторым человеком, который опубликовал свой геном в интернете. Он сделал это со словами: «Я размещаю свой геном в интернете, чтобы дать толчок развитию новой эпохи персонализированной медицины. В этой новой эпохе информация, содержащаяся в геноме, будет помогать идентифицировать и предотвращать болезни, а также позволит создать персонализированные медицинские методы лечения».
Секвенирование ДНК
Секвенирование ДНК нового поколения (Next Generation Sequencing) на современном оборудовании в короткие сроки.
Новая эпоха персонализированной медицины действительно началась. Быстрый прогресс технологий «чтения» генома в последние 20 лет часто называют геномной революцией. Сегодня секвенирование генома и экзома (части генома) позволяет определить у будущих родителей носительство генетических мутаций, о которых мы писали выше, и не передать их детям. Стало возможным уже на полной 10-й акушерской неделе определить наличие у плода анеуплоидий, а также пол малыша. Секвенирование выявляет наличие мутаций в генах, ассоциированных с различными наследственными формами рака.
Все эти и многие другие тестирования можно пройти в лаборатории Genetico, на самом современном оборудовании, в том числе компании Illumina, одного из мировых лидеров в области технологий секвенирования.
Rommens J. M. et al. Identification of the cystic fibrosis gene: chromosome walking and jumping // Science. — 1989. — Vol. 245, no. 4922. — P. 1059—1065.
Su Y. N., et al. Carrier screening for spinal muscular atrophy (SMA) in 107,611 pregnant women during the period 2005-2009: a prospective population-based cohort study. // Public Library of Science ONE. — 2011. — Vol. 6, no. 2. — P. e17067.
Dahm R. Friedrich Miescher and the discovery of DNA. Dev Biol. 2005 Feb 15;278(2):274-88. doi: 10.1016/j.ydbio.2004.11.028. PMID: 15680349. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160604008231?via%3Dihub
Nurk S, et al. The complete sequence of a human genome. Science. 2022 Apr;376(6588):44-53. doi: 10.1126/science.abj6987. Epub 2022 Mar 31. PMID: 35357919; PMCID: PMC9186530. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9186530/
Также, вам может быть интересно
Хромосомные аберрации
Большинство клеток в организме обычно содержат 46 хромосом, организованных в 23 пары. Числовое обозначение имеют 22 хромосомы (1–22). А последняя, 23-я пара хромосом определяет пол человека и имеет буквенное обозначение — XY у мужчин, и XX у женщин.
Как и любой другой документ, экспертизу ДНК можно подделать. Однако, для этого нужно иметь доступ к лаборатории, где проводилась экспертиза, и обладать определенными знаниями и навыками в области генетики и биохимии.
Различают следующие виды ДНК: сцДНК (свободно-циркулирующая ДНК), мтДНК (митохондриальная ДНК, которая представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, которая присутствует в митохондриях в виде ковалентно замкнутой суперспирализованной формы, ассоциированной с внутренней мембраной митохондрии), триплекс-ДНК (форма ДНК, в которой три олигонуклеотида обвивают друг друга, формируя тройную спираль).
