Днк человека где находится: что это такое, как работает, на что влияет, структура и функции |

Содержание

Как управлять ДНК – Наука – Коммерсантъ

Наследственная информация любого организма, как известно, хранится в молекуле ДНК. У человека последовательность из четырех букв (оснований ДНК) общей длиной около 3 млрд — геном — несет полную информацию об организме. На основе этой информации он развивается и умеет приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Предыдущая фотография

Фото:
Коммерсантъ / Юрий Мартьянов
/ купить фото

Следующая фотография

1
/
2

Фото:
Коммерсантъ / Юрий Мартьянов
/ купить фото

Казалось бы, если мы получим доступ к информации, хранящейся в геноме, то сможем узнать все о нашей биологической природе. Неудивительно, что генетики сфокусировали значительные усилия на задаче прочтения ДНК. Благодаря революции в технологиях работы с ДНК конца XX века и созданию новых технологий чтения ДНК в начале XXI века исследователи наконец получили доступ к наследственной информации: в настоящее время любой человек за относительно небольшую сумму может прочитать свою ДНК. Что же он узнает о себе? К сожалению, очень немногое. Проблема в том, что из всего массива генетического текста мы точно понимаем смысл только той части, которая кодирует белки (кодирующей части генов). А она составляет в геноме только несколько процентов.

Исследования последних 10–15 лет указывают на то, что значительная доля генома с пока неизвестной функцией, скорее всего, нужна для регуляции работы той самой небольшой доли генов. Таким образом, на десятки тысяч генов человека приходятся сотни тысяч (или, по другим оценкам, миллионы) «управленцев», которые указывают, где и когда нужно работать каждому отдельному гену. Это очень важное явление, которое называется дифференциальной экспрессией (активностью) генов. Дело в том, что все клетки организма содержат одинаковый — совершенно полный — набор генетической информации. Однако клетки очень сильно отличаются, и причина этого в том, что в разных клетках работают разные наборы генов с разной интенсивностью, что в результате и определяет, как устроена клетка и какие функции она выполняет.

Для того чтобы читать информацию, регулирующую работу генов, в клетке имеется большой молекулярный аппарат транскрипции. Транскрипция — первый этап реализации наследственной информации: она переписывается с ДНК на небольшие копии — мРНК. Именно этот этап является ключевым с точки зрения регуляции активности (экспрессии) генов. Специфичные факторы транскрипции способны узнавать регуляторные элементы генома, связываться с ними и затем передавать посредством взаимодействия с другими белками сигнал на нужный ген.

Аппарат транскрипции — это одна из наиболее сложных молекулярных систем клетки: у человека имеется несколько тысяч таких факторов. Их слаженная работа обеспечивает работу всего генома. Факторы стоят на разных уровнях иерархии и выполняют очень разные молекулярные функции. Имеются факторы, которые специфически узнают определенную последовательность букв в ДНК. Другие факторы упаковывают или размечают молекулу ДНК и могут, например, переводить ее в нерабочее, «архивное», состояние. Существуют промежуточные факторы-посредники и т. д. Факторы транскрипции не работают поодиночке, а согласуют работу друг с другом: обычно для запуска одного гена требуется совместное присутствие нескольких десятков (до сотни) факторов.

Итак, над генами стоит большой, сложно устроенный руководящий орган. С одной стороны, он умеет читать ДНК клетки, с другой — аппарат транскрипции реагирует на сигналы, поступающие в клетку извне. В ответ на поступающие сигналы (например, гормональные) клетка должна реагировать изменением экспрессии определенных генов, а реализуется эта реакция клетки через аппарат транскрипции. Интересно, например, что самый большой аппарат транскрипции — у клеток на ранних стадиях развития организма, когда они еще только выбирают, в какой тип клеток они разовьются. А у клеток, уже достигших зрелости, таких как нейрон или клетка мышцы, обычно происходит «сокращение штатов»: остаются только те, которые обслуживают специфические для этих клеток гены.

Таким образом, значительная часть наследственной информации распознается факторами транскрипции. В последнее время активно изучаются схожие с ними архитектурные факторы, распознающие определенные последовательности в ДНК и формирующие ее пространственную структуру. Вероятно, существуют и другие классы белков, умеющих прочитывать регуляторную информацию генома, которая пока непонятна нам. Важная фундаментальная научная задача — понять, как работает весь этот аппарат.

Это важно также и с практической точки зрения. Прежде всего, нужно вспомнить, что множество болезней вызвано именно тем, что нарушается контроль за работой генов. Это может быть связано с тем, что факторы транскрипции не справляются с работой: они могут быть поломаны, их может быть недостаточно или, наоборот, слишком много. Яркий пример — раковая опухоль: в некоторых клетках происходит бесконтрольная активация генов, нужных для роста и размножения клеток, в результате начинается «бунт» этих клеток против своего организма. Виновные в таком сценарии чаще всего оказываются именно факторы транскрипции, причем имена многих участников уже известны ученым. Другой пример — из современной области стволовых клеток. Если мы будем знать, какие именно факторы транскрипции работают в той или иной ткани, то сможем вырастить в пробирке ткань заданного типа.

В настоящее время изучение регуляции активности одного-единственного гена и факторов, которые его контролируют,— это большая научная задача. Наверное, нет еще такого гена, про регуляцию которого мы бы знали все. У исследователей, занимающихся механизмами регуляции экспрессии генов, еще много нерешенных задач. В Институте биологии гена РАН в Москве также ведутся исследования в этой области. Мы изучаем факторы транскрипции, которые выполняют разнообразные функции. Например, был найден фактор, который способен объединять две активности: он готовит матрицу ДНК к транскрипции, высвобождая ее из «архивированного» состояния, и одновременно собирает другие белки, которые запускают саму транскрипцию. Так осуществляется эффективный запуск работы генов, которые находятся под контролем этого фактора. Мы показали, что такой сценарий реализуется при действии внешних сигналов (например, некоторых гормонов): изученный фактор привлекается на нужные гены-мишени и запускает их работу.

Эти результаты были получены на мушке дрозофиле. Оказалось, что у других организмов, в том числе у позвоночных, есть схожие с ним белки. У мыши такой фактор присутствует в стволовых клетках мозга и важен для того, чтобы они не потеряли этот статус. Таким образом, изучение даже одного фактора транскрипции проводилось в целой серии работ и открыло новые механизмы регуляции активности клеток на уровне молекул и целых клеток. Работы активно продолжаются и, несомненно, мы узнаем еще много нового о том, как функционирует геном.

Работа отдельного гена контролируется несколькими десятками регуляторных элементов, которые могут быть расположены далеко от самого гена по последовательности генетического текста. С каждым элементом и с самим геном связывается целый набор различных факторов транскрипции, которые взаимодействуют друг с другом и с геном и таким образом регулируют его работу.

Юлий Шидловский, Институт биологии гена РАН

Термины генодиагностики

Дата обновления: 12 октября 2022
Дата публикации: 9 июня 2022

ДНК(Дезоксирибонуклеиновая кислота) – молекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической информации, записанной в ней. В клетках эукариот (в т.ч. человека) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом.

Нуклеотид -единичное звено молекулы ДНК. Существуют четыре типа нуклеотидов, сочетание которых формирует нуклеотидную последовательность ДНК: А (аденин), G (гуанин), Т (тимин), C (цитозин).

Хромосома– последний уровень упаковки ДНК. В норме в каждой человеческой клетке 46 хромосом: 2 из которых половые хромосомы (XX у женщин и XY у мужчин) и аутосомы (все остальные).

Ген – упрощенно: участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одной молекулы белка или фермента.

Аллели– различные формы одного и того же гена, определяющие альтернативные варианты одного белка. Все гены, находящиеся в аутосомах, представлены двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой – от матери.

Генетический полиморфизм – сосуществование в популяции двух и более аллельных форм одного гена, находящихся в динамическом равновесии в течение нескольких поколений. Наиболее часто встречаются однонуклеотидные полиморфизмы (SNP от single nucleotide polymorphism) – замена одного нуклеотида на другой в конкретной точке гена.

Мутация — аллель, встречающийся в популяции с частотой, равной или меньше 1%.

Генотип – здесь: комбинация аллелей одного гена. Различают гомозиготный и гетерозиготный генотип.

Гомозиготный генотип – генотип, содержащий одинаковые аллели одного гена.

Гетерозиготный генотип – генотип, содержащий разные аллели одного гена.

Фенотип — совокупность проявлений генотипа (общий облик организма), в узком смысле — отдельные признаки, контролируемые определёнными генами. Фенотип формируется на основе взаимодействия генотипа и факторов внешней среды.

Фактор риска – фактор, повышающий вероятность развития болезни или травмы. Различают генетические (наследственно-обусловленные) и негенетические (средовые, поведенческие и др.) факторы риска.

Мультифакториальные заболевания — болезни, которые развиваются в результате взаимодействия определённых генетических факторов и специфических воздействий факторов окружающей среды. При этом наличие неблагоприятных аллелей одного или нескольких генов не является абсолютно фатальным для определения исхода, они лишь определяют индивидуальный уровень предрасположенности к заболеванию.

Генетическая предрасположенность – обусловленная генетическим полиморфизмом склонность к развитию заболевания при воздействии на организм факторов риска.

Общепопуляционный риск – среднестатистическая вероятность развития заболевания для населения данного региона.

Индивидуальный риск — вероятность развития заболевания для жителя данного региона с учетом его генотипа. Если индивидуальный риск выше популяционного, то вероятность развития заболевания возрастает, особенно при воздействии факторов риска.

Генная сеть — группа координировано-работающих генов, контролирующих выполнение определенной функции организма.

Рубрика

Полезная информация

Что наша ДНК может рассказать нам об истории человечества · Границы для молодых умов

Аннотация

Почти каждая клетка нашего тела содержит ДНК. ДНК — это молекула, в которой хранятся инструкции о том, как работает наш организм, и она передается от родителей к детям. В этой статье мы покажем вам, как ДНК можно использовать в качестве машины времени, возвращающей нас на многие тысячи лет назад и раскрывающей истории наших предков. Например, мы можем узнать о древней истории человечества и рассказать, где и с кем, вероятно, жили наши предки. ДНК также может рассказать нам о недавней истории страны, раскрывая истории о том, как жили или передвигались обычные люди.

Введение

Наш ДНК подобен длинному дневнику человеческой истории, передаваемому из поколения в поколение. В этом дневнике много увлекательных историй наших предков, причем каждое новое поколение вносит свой небольшой вклад. Используя математику, статистику и компьютеры, ученые могут раскрыть эти истории, разобравшись в небольших различиях в нашей ДНК. Это могут быть рассказы о предках Homo sapiens , живших сотни тысяч лет назад, или о наших предках последних нескольких тысяч лет.

Давайте начнем с того, откуда взялась наша ДНК Молекулы . Каждый из нас унаследовал уникальную комбинацию ДНК от наших родителей. Вот почему мы выглядим не так, как наши братья и сестры, за исключением однояйцевых близнецов, у которых одинаковая ДНК. Каждый фрагмент ДНК можно проследить до одного из наших четырех бабушек и дедушек, и, поскольку все они сами имеют разных предков, каждый фрагмент ДНК рассказывает немного другую часть истории прошлого.

Фрагменты нашей ДНК передавались от наших предков на протяжении тысячелетий. Давайте представим, что мы оглядываемся назад во времени, чтобы проследить наши родовых линий для каждого фрагмента (красные и синие линии на рисунке 1А). Когда два человека имеют общего предка, их родовые линии пересекаются. Для людей, состоящих в близком родстве (например, двоюродных братьев), эти линии предков могут встретиться совсем недавно, но для людей, не состоящих в близком родстве, линии предков встречаются намного раньше. Линии предков образуют генеалогических деревьев ДНК , показывая, как ДНК людей связаны друг с другом. Каждый фрагмент ДНК наследуется от разных предков, поэтому генеалогическое древо ДНК может быть разным для разных фрагментов (рис. 1В). Одни и те же два человека могут быть тесно связаны в одних генеалогических деревьях ДНК и отдаленно связаны в других. На самом деле, в некоторых фрагментах ДНК ближайший предок вас и вашего двоюродного брата может восходить к самому происхождению человекоподобных обезьян на миллионы лет назад.

Рис. 1. (A) Мы показываем два разных фрагмента ДНК красным и синим цветом и то, как они передавались нашим предкам.
По мере того, как они передаются от одного поколения к другому, они иногда мутируют, так что между фрагментами, унаследованными современными людьми, есть небольшие различия. (B) Семейные деревья ДНК различаются для красных и синих фрагментов, что можно увидеть, проследив, от кого был унаследован каждый фрагмент в (A) . Ученые могут реконструировать эти деревья, используя идею о том, что фрагменты с меньшим количеством различий более тесно связаны, чем фрагменты с большим количеством различий.

Ученые разработали способы реконструкции генеалогических деревьев ДНК, изучая небольшие различия в ДНК между людьми, живущими сегодня [1, 2]. Как правило, чем раньше у двух людей есть общий предок, тем больше генетических различий будет между этими двумя людьми.

В этой статье мы расскажем вам три разные истории, содержащиеся в этих генеалогических деревьях ДНК. Первая история о том, как мы можем раскрыть древнее прошлое, в том числе, когда наши предки расселились по разным уголкам мира. Вторая история посвящена нашей недавней истории и тому, что мы можем узнать из ДНК людей, живущих сегодня в той же стране. Третья история о том, как группы людей перемещались и сливались, и о том, что все мы на самом деле являемся смесью многих предков.

Раскрытие древнего прошлого с помощью семейных деревьев ДНК

Письменные записи датируются всего несколькими тысячами лет. Они не могут рассказать очень древние истории, но, что удивительно, наша собственная ДНК может. Чтобы понять, как ученые читают истории по ДНК, давайте рассмотрим вас и вашего друга. Если вы оба находитесь в маленькой комнате с несколькими другими людьми, вы легко найдете своего друга. Если вы находитесь в большой комнате, полной сотен людей, может быть гораздо сложнее найти вашего друга. Мы можем думать о ваших предках, используя аналогичные рассуждения. В любой момент времени в прошлом, если в живых было лишь небольшое количество людей или если ваши предки населяли один и тот же географический регион, тогда вероятность того, что у вас в то время был общий предок с вашим другом, высока. С другой стороны, если количество людей, живших в то время, было большим или если ваши предки жили далеко друг от друга, вероятность того, что в то время у вас был общий предок, будет мала.

То, как часто вы и ваш друг имели общего предка в разное время в генеалогическом древе ДНК, может сказать нам, жили ли ваши предки близко друг к другу, как они передвигались и сколько других людей населяли наш мир в то время.

Сегодня на нашей планете проживает почти 8 миллиардов человек, широко расселенных по всем континентам. До относительно недавнего времени люди были гораздо более редким видом, и еще 200 000 лет назад люди в основном жили на африканском континенте. Генеалогическое древо ДНК указывает на то, что относительно небольшое количество людей мигрировало из Африки и поселилось в других частях мира. В то время некоторые наши дальние родственники, наиболее известные из которых Неандертальцы уже жили в Европе и Азии. Долгое время мы не знали, какое отношение к нам имеют неандертальцы. Только когда ученые сравнили свою ДНК с нашей и использовали идею генеалогических деревьев ДНК, они обнаружили, что люди, мигрировавшие из Африки, смешались с неандертальцами [3].

История нации, записанная в ДНК

Наша ДНК также может рассказать нам о гораздо более недавнем прошлом. Если мы сконцентрируемся на самых последних фрагментах нашего генеалогического древа ДНК, мы сможем узнать об истории наших современных человеческих предков — когда, где и с кем жили или передвигались обычные люди. Когда люди, живущие в пределах локализованного региона, имеют общих детей на протяжении многих поколений, их потомки будут иметь общих предков друг с другом позже, чем с людьми из других мест. Это проявляется в небольших различиях в том, как фрагменты ДНК распределяются между людьми, чьи предки жили в разных местах.

Нам уже давно известно, что такие региональные различия возникли в глобальном масштабе на протяжении многих сотен поколений (многих тысяч лет). Например, два ханьских китайца, как правило, имеют более схожую ДНК, чем ханьский китаец и ирландец, потому что в целом линии предков двух ханьских китайцев имеют тенденцию сливаться позже, чем у ирландца в генеалогическом древе ДНК. Вы можете задаться вопросом, проявляются ли эти региональные различия в гораздо меньших масштабах, например, внутри стран. ДНК людей, имеющих много общих недавних предков, имеет тенденцию быть чрезвычайно похожей: например, если общий предок жил примерно во времена Чингисхан (примерно 800 лет назад), мы ожидаем, что менее одной позиции ДНК на миллион будет отличаться!

Когда ученые изучили ДНК людей, живущих сегодня на Британских островах [4], они обнаружили различия в ДНК между группами людей, живших на небольшом расстоянии друг от друга. Они могли видеть, например, границу между Корнуоллом и Девоном (два региона в Англии), потому что можно отличить ДНК людей, чьи дедушки и бабушки родились в каждом регионе. Это означает, что предки людей в Девоне, как правило, имели детей от других людей из Девона, а не от корнуоллцев, живущих через реку Тамар (рис. 2). Есть много других областей относительной изоляции, таких как Северный и Южный Уэльс, Западный Йоркшир и географически изолированные места, такие как Оркнейские острова. Интересно, что эти узоры отражают определенные исторические события, например районы различных поселений бриттов и саксов около 600 г. н.э. Теперь мы знаем, что небольшие региональные различия, подобные этим, не уникальны для Великобритании, поскольку они также были обнаружены во многих других частях мира, таких как Испания, Ирландия, Италия, Финляндия и Япония, каждая из которых может рассказать свою уникальную историю.

Рисунок 2. Ученые обнаружили небольшие различия в ДНК даже среди людей из очень близлежащих регионов, таких как Девон и Корнуолл в Англии.

Мигрирующий плавильный котел человека

Глядя на ДНК, мы знаем, что географические особенности, такие как море или горы, могут быть барьерами для людей, встречающихся и зарождающих детей, но не всегда. В истории человечества есть много примеров, когда группы людей перемещались, иногда через бескрайние океаны и огромные горы, и рожали детей от других людей, которых они встречали. Мы можем видеть это в ДНК людей, живущих сегодня.

Одним из ярких примеров этого является Иберия (включая сегодняшнюю Испанию). Из письменной истории мы знаем, что во времена мусульманского правления (около 700–1200 гг. н. э.) происходила миграция людей из Северной Африки в Иберию. Когда ученые сравнили ДНК современных испанцев с ДНК людей из других стран Европы и Северной Африки, они увидели, что у мигрантов из Северной Африки, скорее всего, были дети от местных жителей [5]. Это связано с тем, что для некоторых фрагментов ДНК родовые линии испанца совсем недавно сливаются с современным человеком из Северной Африки (обычно из Северного Марокко), но другие фрагменты сначала сливаются с человеком из Европы (обычно из Франции).

ДНК современных людей также может сказать нам, когда, вероятно, произошло смешение исторических человеческих популяций. На протяжении многих поколений фрагменты ДНК, унаследованные от каждого из первоначальных предков, перетасовываются среди потомков на все более и более мелкие фрагменты. Мы можем использовать эту перетасовку как генетические часы, чтобы подсчитать, сколько поколений прошло с момента первоначального смешения [6] (рис. 3). В случае Иберии ДНК показала, что большая часть смешения, вероятно, произошла между 860 и 1120 годами нашей эры, начавшись через несколько поколений после первоначальной миграции из Северной Африки [5].

Рисунок 3. ДНК можно использовать как часы, чтобы выяснить, когда две популяции, вероятно, объединились.
Например, если у группы людей из Иберии и группы людей из Северной Африки были общие дети, ДНК их потомков выглядела бы как мозаика из фрагментов двух групп предков. Используя ДНК многих людей сегодня, ученые могут выяснить, какие фрагменты, вероятно, были унаследованы от разных групп предков, а размер фрагментов говорит им, когда, вероятно, впервые произошло смешение популяций.

Заключение

Наша ДНК содержит истории древнего прошлого, задолго до того, как появились какие-либо письменные записи. Эти истории дополняют археологические находки, рассказывая нам о том, сколько людей, вероятно, жило в древнем прошлом, и когда разные группы людей, вероятно, вступали в контакт друг с другом. ДНК также может добавить еще одно измерение в наши книги по истории, рассказав нам о событиях, которые сформировали жизнь обычных людей, а не только тех, кто оказался у власти.

Изучение нашей общей истории само по себе интересно, но изучение небольших различий ДНК (и их происхождения) между людьми также имеет решающее значение для понимания здоровья человека. Ученые заняты изучением ДНК, чтобы лучше понять процессы, которые поддерживают наше здоровье или делают нас больными, а также для открытия новых методов лечения, которые сделают нас лучше [7]. Расшифровывая генетический код людей, живущих сегодня, с помощью математики, статистики и компьютеров, мы можем не только раскрыть историю нашего прошлого, но и улучшить свое здоровье в будущем.

Глоссарий

ДНК : ↑ Молекула, в которой хранятся инструкции о том, как работает наш организм. Он передается от родителей к детям и иногда мутирует, вызывая небольшие различия в ДНК современных людей. Полное название – дезоксирибонуклеиновая кислота.

Homo Sapiens : ↑ Название единственного оставшегося человеческого вида, к которому мы все принадлежим.

Молекулы : ↑ Это химические строительные блоки нашего тела и большей части живого мира. Они состоят из множества крошечных частиц, называемых атомами, которые очень плотно слипаются.

Линии предков : ↑ Линии предков описывают, от каких предков мы унаследовали нашу ДНК (например, через маму, дедушку, прабабушку и т. д.). Мы наследуем множество фрагментов ДНК, каждый из которых принадлежит к разным наследственным линиям. Интересно, что лишь немногие из ваших далеких предков передали вам свою ДНК по чистой случайности. Это связано с тем, что родитель может передать каждому ребенку только половину своей ДНК, и поэтому в течение многих поколений деления пополам, деления пополам и еще раз деления пополам не все их потомки в конечном итоге получат фрагмент своей ДНК.

Семейное древо ДНК : ↑ Они описывают, как и когда линии предков разных людей встречаются в прошлом, и могут рассказать нам, как мы связаны друг с другом на протяжении многих тысяч лет.

Неандерталец : ↑ Дальний родственник Homo sapiens , который жил в Евразии задолго до Homo sapiens . Когда Homo sapiens начали заселять Евразию (мигрируя из Африки), они смешались с неандертальцами, так что большинство людей неафриканского происхождения несут небольшое количество неандертальской ДНК. Неандертальцы вымерли около 40 000 лет назад.

Чингисхан : ↑ Военачальник, завоевавший и правивший на большой территории мира, известной как «Монгольская империя». Империя возникла около 1200 г. н.э. и просуществовала около 200 лет. Некоторое время он покрывал обширную территорию, которая простиралась примерно от некоторых частей Восточной Европы до самых восточных частей Китая.

Конфликт интересов

CB — ученый компании Genomics plc. Второй автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

LS и CB хотели бы поблагодарить Меган (и Саймона) Майерс за очень полезные отзывы. LS выражает признательность Wellcome Trust (200186/Z/15/Z) за финансирование.

Каталожные номера

[1] ↑ Спейдель Л., Форест М., Ши С. и Майерс С. Р. 2019. Метод полногеномной генеалогической оценки для тысяч образцов. Нац. Жене. 51:1321–9. doi: 10.1038/s41588-019-0484-x

[2] ↑ Келлехер, Дж., Вонг, Ю., Вонс, А.В., Фадил, К. , Альберс, П.К., и Маквин, Г. 2019. Вывод историй всего генома в больших наборах данных о населении. Нац. Жене. 51: 1330–1338. doi: 10.1038/s41588-019-0483-y

[3] ↑ Ottenburghs, J. 2019. Почему у некоторых людей есть неандертальская ДНК? Перед. Молодые умы 7:104. doi: 10.3389/frym.2019.00104

[4] ↑ Лесли С., Винни Б., Хелленталь Г., Дэвисон Д., Бумертит А., Дэй Т. и др. 2015. Мелкомасштабная генетическая структура населения Великобритании. Природа 519: 309–14. doi: 10.1038/nature14230

[5] ↑ Байкрофт, К., Фернандес-Розадилья, К., Руис-Понте, К., Квинтела, И., Карраседо, А., Доннелли, П., и др. 2019. Закономерности генетической дифференциации и следы исторических миграций на Пиренейском полуострове. Нац. коммун. 10:551. doi: 10.1038/s41467-018-08272-w

[6] ↑ Hellenthal, G., Busby, G.B.J., Band, G., Wilson, J.F., Capelli, C., Falush, D., et al. 2014. Генетический атлас истории примесей человека. Наука 343:747–51. doi: 10.1126/science.1243518

[7] ↑ Байкрофт К., Фриман К., Петкова Д., Бэнд Г., Эллиот Л. Т., Шарп К. и др. 2018. Ресурс UK Biobank с данными глубокого фенотипирования и генома. Природа 562:203–9. doi: 10.1038/s41586-018-0579-z

Проект «Геном человека» — открытие человеческого чертежа

Хотя все люди на нашей планете созданы по одному и тому же чертежу, нет двух одинаковых людей. Хотя мы достаточно похожи, чтобы легко отличить себя от других живых существ, мы также отмечаем нашу индивидуальную уникальность. Так что же делает нас всех людьми, но уникальными? Наша ДНК.

Вещество, которое делает нас теми, кто мы есть

Наша ДНК ( D эоксирибо N нуклеиновая A cid) находится в ядре каждой клетки нашего тела (кроме эритроцитов, которые не имеют ядро). ДНК — это длинная молекула, состоящая из множества более мелких единиц. Для создания молекулы ДНК вам потребуется:

азотистых оснований — их четыре: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), гуанин (С)
молекул углеродного сахара
молекул фосфата

Аденин

Thymine

Гуанин

Цитозин

Молекулы углеродного сахара

Фосфатные молекулы

Если вы принимаете один из четырех азотных баз и соедините его с сахаром, и сахар и молекуля, и сахар и молекуля, и сахар и молекуля, и сахар и молекуля, и сахара нуклеотидное основание. Молекулы сахара и фосфата соединяют нуклеотидные основания вместе, образуя единую цепь ДНК.

Затем две из этих нитей наматываются друг на друга, образуя скрученную лестничную форму двойной спирали ДНК. Нуклеотидные основания спариваются, образуя ступени лестницы, а молекулы сахара и фосфата образуют стороны. Основания соединяются вместе в определенных комбинациях: A всегда соединяется с T, а C всегда соединяется с G, образуя пары оснований.

Соедините вместе три миллиарда этих пар оснований в правильном порядке, и вы получите полный набор ДНК человека — геном человека. Это составляет молекулу ДНК длиной около метра.

Именно порядок расположения пар оснований — их последовательность — в нашей ДНК обеспечивает основу для всех живых существ и делает нас такими, какие мы есть. Последовательность ДНК пар оснований в ДНК рыбы отличается от таковой в ДНК обезьяны.

Последовательность пар оснований у всех людей почти одинакова — это то, что делает всех нас людьми. Тем не менее, есть небольшие различия порядка трех миллиардов пар оснований в ДНК каждого человека, которые вызывают изменения, которые мы наблюдаем в цвете волос, цвете глаз, форме носа и т. д. Нет двух людей с абсолютно одинаковой последовательностью ДНК (за исключением однояйцевых близнецов, потому что они произошли от одной яйцеклетки, которая разделилась на две, образовав две копии одной и той же ДНК).

ДНК мы получаем от родителей. ДНК генома человека разбита на 23 пары хромосом (всего 46). Мы получаем 23 от матери и 23 от отца. Яйцеклетки и сперматозоиды имеют только одну копию каждой хромосомы, поэтому, когда они объединяются, чтобы сформировать ребенка, у ребенка есть нормальные 2 копии.

Три миллиарда — это много кошек, которых нужно пасти

Три миллиарда — это много пар оснований, и вместе они содержат огромное количество информации. Если бы все они были написаны в виде списка, они составили бы около 10 000 эпических фантастических романов (вспомните толщину «Игры престолов»). Однако это не просто случайные списки информации. Скорее, в этой длинной цепочке есть отдельные участки ДНК, влияющие на определенную характеристику или состояние. Эти участки ДНК известны как ген. Их последовательность пар оснований используется для создания аминокислот, которые соединяются вместе, образуя белок. Некоторые гены небольшие, всего около 300 пар оснований, а другие содержат более миллиона.

Гены составляют лишь около 1,5 % нашей ДНК — остальное — это лишнее, которое изначально не имело какой-либо конкретной цели и было названо «мусорной ДНК». Однако оказывается, что по крайней мере часть этого «мусора» на самом деле очень полезна — он используется для определения того, где начинаются и заканчиваются некоторые гены, и для регулирования их поведения. Хотя большая часть «мусорной» ДНК происходит от копий вирусных геномов, которые вторглись в наши далекие предки, новые исследования показывают, что большая часть этой ДНК, возможно, также приобрела функции в ходе нашей эволюции.

Гены содержат информацию для создания белков

Внутри гена пары оснований считываются наборами по три, и эти наборы называются кодонами. Это триплеты пар оснований, которые обеспечивают «код» для производства конкретной аминокислоты. Аминокислоты затем объединяются вместе, чтобы построить белки. Белки строят все живые структуры, а также действуют как катализаторы (ферменты), контролирующие биохимические реакции. Белки строят ткани, а ткани строят органы, из которых состоит наше тело. Гены, которые определяют, что у вас будут карие глаза, содержат инструкции для клеток радужной оболочки вашего глаза, чтобы сделать белок коричневого цвета. Другая последовательность оснований записала бы другое сообщение, производя другие белки и давая голубые глаза — это похоже на запись другого предложения с использованием тех же букв алфавита.

Гены можно включать и выключать

Итак, если каждая клетка нашего тела содержит одну и ту же ДНК, как мы получаем сложное расположение различных клеток, которое представляет собой тело человека (или любого другого существа, если уж на то пошло) ?

Секрет в том, что хотя каждая клетка содержит одинаковую последовательность генов, не каждый ген «включается» или экспрессируется в каждой клетке. Клетки, которые вырабатывают пигмент в глазах, также содержат гены для производства белков зубной эмали или клеток печени, но, к счастью, этого не происходит, потому что эти гены неактивны в клетках глаза. Есть участки ДНК, которые не кодируют белки, а действуют как «пунктуация» в геноме, контролирующую функционирование генов и другие процессы.

Все это — гены плюс «пунктуация» плюс «мусор» — составляет наш геном.

Источник: TED-Ed на YouTube. Посмотреть детали видео и расшифровку.

Зачем изучать наш геном?

Определение последовательности пар оснований во всех наших генах позволяет нам понять код, который делает нас такими, какие мы есть. Это знание может затем дать нам ключ к пониманию того, как мы развиваемся в качестве эмбрионов, почему у людей больше мозговых способностей, чем у других животных и растений, и что происходит в организме, вызывая рак. Но установить последовательность из трех миллиардов пар оснований — БОЛЬШАЯ задача. Великая и амбициозная исследовательская программа, направленная на это, называлась «Проект генома человека».

Идея проекта «Геном человека» родилась в 1970-х годах, когда ученые научились «клонировать» небольшие фрагменты ДНК размером примерно с ген. Чтобы клонировать ДНК, ученые вырезают фрагмент ДНК человека из длинной нити, а затем включают его в геном бактерии или бактериального вируса. Затем этот фрагмент многократно реплицируется внутри бактериальной клетки, и каждый раз, когда бактериальная клетка делится, новые клетки также содержат введенный фрагмент ДНК. Бактериальные клетки размножаются в большом количестве, и поэтому в результате этого процесса образуются миллионы клеток, каждая из которых содержит введенный фрагмент ДНК, достаточный для того, чтобы исследователи могли детально изучить его и выяснить последовательность пар оснований.

Со временем исследователи смогли изучить все большее количество различных фрагментов ДНК, то есть разных генов. Стало ясно, что определенные варианты последовательностей ДНК связаны с определенными состояниями: такими заболеваниями, как кистозный фиброз или рак молочной железы, или нормальными, безвредными вариантами, такими как рыжие волосы.

Первоначально проект «Геном человека» вызвал сильное сопротивление, даже со стороны некоторых ученых. Учитывая, что только около 1,5% нашего генома представляют собой настоящие гены, кодирующие белки, считалось, что большая часть из трех миллиардов долларов, потраченных на секвенирование всего человеческого генома, будет потрачена впустую на «мусорную» ДНК, которая, по мнению ученых, не использовалась. . Важная роль «мусорной» ДНК в регуляции генов еще не была оценена.

Исследовательские группы во многих странах, включая Австралию, начали секвенировать различные гены, положив начало полной карте генов человека. В 1989 году ведущие ученые основали Организацию генома человека (HUGO) для координации масштабных международных усилий, направленных на сбор данных о последовательностях для разгадки секретов наших генов.

открывалка

Фрэнсис Коллинз, бывший директор Национального исследовательского института генома человека, руководил проектом «Геном человека». Изображение предоставлено: Всемирный экономический форум на Flickr.

Проект «Геном человека»

Настолько сложен, что поначалу казался недостижимым

Проект «Геном человека» был направлен на картирование всего генома, включая положение каждого человеческого гена в цепи ДНК, а затем на определение последовательности пар оснований каждого гена. . В то время секвенирование даже небольшого гена могло занять месяцы, поэтому это считалось колоссальным и очень дорогостоящим мероприятием. К счастью, биотехнология быстро развивалась, и к тому времени, когда проект был завершен, ДНК гена можно было секвенировать за несколько часов. Несмотря на это, на реализацию проекта ушло десять лет; первый проект генома человека был анонсирован в июне 2000 г.

Люди удивительно просты?

В феврале 2001 года финансируемый государством проект «Геном человека» и частная компания «Селера» объявили, что они нанесли на карту практически весь человеческий геном, и приступили к работе над определением функций множества новых генов, которые были идентифицированы. Ученые были удивлены, обнаружив, что у людей всего около 25 000 генов, что ненамного больше, чем у аскариды Caenorhabditis elegans, , и меньше, чем у крошечного водного ракообразного под названием дафния, у которого около 30 000. Однако секвенирование генома ясно показало, что сложность организма не обязательно связана с количеством его генов.

Кроме того, хотя у нас может быть удивительно небольшое количество генов, они часто экспрессируются множественными и сложными способами. Многочисленные гены имеют до дюжины различных функций и могут транслироваться в несколько различных версий, активных в разных тканях. У нас также есть много дополнительной ДНК, которая не составляет конкретных генов. Таким образом, несмотря на то, что у рыбы-фугу Tetraodon nigroviridis генов больше, чем у нас — почти 28 000, — размер всего ее генома на самом деле составляет лишь одну десятую часть нашего, поскольку у нее гораздо меньше некодирующей ДНК.

В апреле 2003 года, к 50-летию публикации структуры ДНК, была объявлена полная окончательная карта генома человека. ДНК большого количества доноров, женщин и мужчин из разных стран и разных рас, внесла свой вклад в эту «типичную» последовательность генома человека.

Картирование генов
Из примерно 25 000 генов человека, которые были идентифицированы как кодирующие белки, большинство существует в нескольких вариантах последовательности, называемых аллелями. Иногда эти вариации безвредны. Ген, кодирующий цвет глаз, имеет несколько аллелей — один отвечает за голубые глаза, другой — за карие. Иногда эти генетические вариации могут вызывать заболевания. Например, муковисцидоз может быть вызвана мутацией в гене, который транспортирует ионы через мембрану клеток легких.
Итак, хотя наши аллели могут быть разными, все люди в основном имеют одни и те же гены. Проект «Геном человека» идентифицировал полный набор человеческих генов, секвенировал их все и определил некоторые аллели, особенно те, которые могут вызывать заболевания при мутации.
Гены можно картировать относительно физических характеристик хромосомы или относительно других генов. Когда разные гены расположены близко друг к другу в одной и той же хромосоме, говорят, что они сцеплены, потому что они обычно передаются вместе («совместно наследуются») ребенку. Однако хромосомы разрываются и воссоединяются при формировании яйцеклеток и сперматозоидов («мейоз»), поэтому даже близко расположенные гены иногда могут разделяться. Чем ближе друг к другу расположены гены, тем больше вероятность, что они останутся вместе. Анализ того, как часто гены отделяются друг от друга, может помочь установить расстояние между генами и составить карту генетического сцепления. В проекте «Геном человека» первой задачей было составить карту генетического сцепления для каждой хромосомы.
Карта генетического сцепления составляется на основе изучения моделей разделения генов и показывает относительное расположение генов на хромосоме. Это ничего не говорит нам о реальных физических расстояниях между генами. Физическая карта, полученная путем гибридизации зонда с флуоресцентной меткой с хромосомами, может быть сопоставлена с картой сцепления. Карты молекулярного масштаба могут быть построены из маркеров последовательности в молекуле ДНК и количественно определяют эти расстояния, обычно с точки зрения количества пар оснований между генами. Вместе карта генетического сцепления, физическая карта, молекулярные карты и последовательность дают нам полную картину генома.

открывалка

Техник извлекает ДНК для испытаний в лаборатории разработки и разработки вакцин против СПИДа в Бруклине , Нью-Йорк. Изображение предоставлено: © 2008, Getty Images для Международной инициативы по вакцине против СПИДа.

Все дело во мне

Очень приятно все это составить карту этих трех миллиардов пар и прикинуть, как они все сочетаются друг с другом, чтобы понять фундаментальную сущность человека. Но какое значение это имеет для нашей повседневной жизни?

На самом деле довольно много. Поскольку стоимость секвенирования генома резко падает (первый геном человека, секвенированный в 2003 году, стоил где-то порядка 2,7 миллиарда долларов США, тогда как сейчас это можно сделать менее чем за 1000 долларов США), в распоряжении врачей появился новый и чрезвычайно мощный инструмент. Выявление того, как взаимодействуют наши гены и какие части нашего генома влияют на определенные заболевания и состояния, позволило врачам и ученым лучше понять, как работают эти состояния и как их лечить. Добавьте к этому точное знание генов конкретного человека и их мутаций, и мы вступим в новую эру персонализированной медицины.

Врачи могут подогнать лечение пациента под размер, подобно тому, как портной подгоняет костюм или платье для каждого человека. Лекарственные препараты могут быть разработаны на основе конкретных генетических мутаций, и врачи смогут диагностировать заболевание у пациента, у которого не проявляются типичные симптомы. Ученые ожидают, что вскоре мы перейдем от стиля лечения «один препарат подходит всем» к более эффективному, персонализированному и целенаправленному подходу. Например, на основе генома пациента врачи могут предсказать, будут ли они реагировать на определенные методы лечения рака. Это может помочь избежать ненужного прохождения пациентом разрушительных химиотерапевтических процедур.

Картирование генома человека также может дать врачам возможность прогнозировать или предвидеть любые заболевания, к которым может быть предрасположен человек. Затем эти состояния можно было бы устранить с помощью превентивного подхода, прежде чем они станут серьезными последствиями.

открыватель

Исследователь просматривает последовательность ДНК. Изображение предоставлено: Школа природных ресурсов Мичиганского университета на Flickr.

Этические разногласия

Нет сомнений в том, что информация, полученная в рамках проекта «Геном человека», приносит огромную пользу здоровью человека, помогая понять и лечить генетические заболевания (такие как рак молочной железы, кистозный фиброз и серповидноклеточная анемия). Однако некоторые люди видят этические проблемы и задаются вопросом, не «играют ли ученые в Бога» с нашими геномами.

Возможно ли неправильное использование генетической информации; например, через генетическую дискриминацию со стороны работодателей или страховых компаний? Большинство людей согласны с тем, что с этической точки зрения можно использовать генетическое тестирование для предотвращения серьезных заболеваний, таких как рак, или во время беременности, чтобы избежать рождения человека с тяжелыми физическими недостатками, но должны ли мы позволять генетическому тестированию выбирать ребенка, который будет лучше спортивный, или более интеллектуальный? Как насчет выбора пола, который уже проблема в некоторых странах? И станет ли возможно использовать генетическую информацию для изменения генов у детей или взрослых в лучшую сторону? Действительно ли мы хотим знать, рискуем ли мы заболеть той или иной болезнью, которая может быть излечимой или неизлечимой? Каковы проблемы конфиденциальности в отношении скрининга генома в популяционном масштабе?

Все эти этические, юридические и социальные вопросы, связанные с генетической информацией, рассматриваются учеными и специалистами по этике во всем мире.

Днк человека где находится: что это такое, как работает, на что влияет, структура и функции