Днк человека из чего состоит: что это такое, как работает, на что влияет, структура и функции

Код жизни. Что такое ДНК и как она влияет на жизнь человека. Новости общества

Что такое ДНК?

Мы знаем, что внешность человека, привычки и некоторые заболевания передаются по наследству. Информация о живом существе закодирована в генах, и носителем всех генов человека или животного является ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.

Молекула ДНК – одна из трёх основных, которые содержат информацию обо всех генетических характеристиках. Другие – это РНК и белки. По сути ДНК – это длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. Чтобы понять, что такое ДНК, лучше представлять не химическое соединение, а программный код, в языке которого всего четыре буквы: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). В этом коде записано, когда, сколько и каких белков будет произведено в нашем теле, начиная от формирования в виде эмбриона и до самой смерти.

А нуклеотиды – это что?

Нуклеотид – это, скажем так, кирпичик, и их нужно очень много, чтобы построить дом с кухней, залом и другими комнатами, которые находятся в определённой последовательности. ДНК человека содержит около 3 млрд пар нуклеотидов. Без них наш организм не будет существовать. В одной молекуле ДНК есть две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга. Три рядом расположенных нуклеотида кодируют аминокислоту. Основных аминокислот всего 20. Зачем они нужны? Чтобы построить белок – основной структурный элемент, из которого в нашем организме состоит всё. И белок как раз таки кодирует ДНК.

И как же происходит синтез белка?

Считается, что у человека около 20 тыс. генов. Здесь надо понимать, что дело не в количестве. Возьмём, к примеру, рис – у него их 30 тыс. Казалось бы, человек более высокоорганизованное существо, чем рис, он вершина эволюции! У него должно быть больше генов, чем у какого‑то растения. Но важнее, как сложно устроена работа организма. С помощью белка строятся мембраны клеток, ферменты. Условно говоря, у нас есть завод, где производятся машины. Чтобы машину собрать до конца, нужны колёса. А шины производят на соседнем заводе, их необходимо привезти. Так и здесь: есть молекула ДНК, и, чтобы синтезировать белок, она должна синтезироваться с РНК.

Если у нас есть ДНК, РНК тогда зачем?

Для того чтобы прочитать молекулу, её нужно сначала выделить, затем многократно скопировать, а после – нарезать на небольшие кусочки, удобные для анализа. И если ДНК хранит информацию, то РНК её копирует с ДНК и несёт из ядра на рибосому, в цитоплазму – этот процесс называется транскрипцией.

Интересно, что по своему химическому составу РНК является двойником ДНК. Главное отличие этих кислот заключается в их углеводном компоненте. В РНК это рибоза, а в ДНК – дезоксирибоза. И там, где у ДНК есть атом водорода (Н), у РНК стоит оксигруппа (ОН).

Михаил Чурносов.
Фото Алёны Антоновой

Чем отличаются ДНК мужчины и женщины?

Новый организм начинает формироваться ещё при оплодотворении, когда соединяются яйцеклетка и сперматозоид. В женском организме 44 аутосомы и две половые хромосомы. Они одинаковые: XX. Мужчина же может продуцировать половинный набор: у него 44 таких же, как и у женщины, аутосомы, а половые хромосомы разные: одна – X, другая – Y. То есть от матери ребёнок может унаследовать только женскую Х-хромосому, тогда как от отца он может получить либо женскую Х (родится девочка), либо мужскую Y (родится мальчик).

Кстати, папы, которые очень хотят мальчика, иногда винят мам, если в итоге рождается девочка. Но вина здесь исключительно отцов: какую половую клетку они отдают ребёнку, такой пол и получается.

Как узнать информацию о своём генеалогическом древе?

Родословную каждый может составить сам, пообщавшись с родственниками. Если есть интерес узнать более глубокое происхождение, за десятки и сотни тысяч лет, то генетики могут дать чёткий ответ, изучив генетические маркеры, которые записаны в X- и Y-хромосоме. В клетках человека часть информации есть в ядре, о чём мы уже говорили, и часть – в органоидах, вне ядра – в цитоплазме. В последней есть митохондриальные гены. По анализу их ДНК также можно проследить ход эволюции. И выяснить, что определённые изменения произошли, условно, 10 тысяч лет назад. Если генетики находят это изменение, то они могут точно сказать, когда появились и где жили прародители человека. Картотека расселения человечества есть в Интернете в свободном доступе.

А без сдачи анализов это можно определить?

Без них не обойтись: делаются выборки из разных этнических групп, достаточно большие по численности. Они анализируются, и только потом генетики строят карты. Кстати, на основании такого исследования учёные выяснили, что первые люди на Земле появились в Африке. В ДНК всех женщин есть следы, ведущие к одной прародительнице, жившей в Юго-Восточной Африке 150 тысяч лет назад. И гены всех мужчин сходятся к предку, проживавшему там же. Они отправная точка всех народов.

В Белгороде тоже проводят такие исследования?

Да, учёные-генетики из БелГУ собирали анализы ДНК коренных жителей Белгородской области, чьи семьи проживают на этой земле много поколений. При этом обязательно учитывали национальность, ведь у нас много как русских, так и украинцев. В Алексеевском, Грайворонском, Красногвардейском районах, например, 100 лет назад были целые поселения украинцев, которые старались до 30–40-х годов прошлого века жениться только между собой. Эти материалы вошли в крупные международные проекты. В отношении антропогенетики Белгородская область хорошо изучена.

Фото shutterstock.com

У нас есть центр, где можно сделать анализ ДНК?

Есть только филиалы, точки сбора анализов. Любые исследования должны окупаться. Спрос среди белгородцев на это низкий, поэтому люди, у которых есть научный интерес, едут в Москву или Питер либо обращаются в сетевые лаборатории, которые сами отправляют материалы в крупные города.

Здесь важен и другой вопрос: у человека могут быть различные заболевания, которые контролируются генами. И исследования помогают разобраться в природе заболеваний, выявить их или предотвратить. Например, рак молочной железы. Если в организме происходят мутации, то риск того, что женщина заболеет, составляет 70–80 %. Зачастую это заболевание наследственное. Для того чтобы убедиться, если ли риск заболеть раком молочной железы у родственников, достаточно всем сдать анализы ДНК и наблюдаться у специалистов. Известный пример: у мамы Анжелины Джоли выявили эту болезнь. Анжелина протестировала свою ДНК на мутации, и подтвердилось, что они есть. Она сразу же сделала операцию. Анализы на такие заболевания в Белгороде сдают в перинатальном центре.

Правда, что отправлять пробирки со своими анализами ДНК за пределы России запрещено?

Тестирование ДНК россиян происходит только в России, как и американцев – только в США. Да, в связи с напряжённой ситуацией в международном сообществе у нас в стране подняли вопрос, не будет ли ДНК русских использована для разработки какого‑нибудь оружия, специфичного именно для славян.

На самом деле эти меры очень странны. Потому что, имея заграничный паспорт, любой человек может обследоваться на что угодно в любой стране, в том числе и на ДНК. К тому же за границей живёт масса русских.

Как и для чего делают анализ ДНК?

В качестве материала для анализа можно использовать слюну, кровь, сперму, ногти, волосяные луковицы, ушную серу, кусочки кожи и так далее. Чтобы получить достоверный результат, лучше сдавать на ДНК-анализ кровь из вены.

С помощью анализа ДНК можно определить наследственную предрасположенность к патологиям, которые уже встречались в семье, какие заболевания могут возникнуть у конкретного человека в будущем, индивидуальную непереносимость лекарств, вероятность осложнений во время беременности, склонность к алкоголизму или наркомании, возможные причины бесплодия и многое другое.

Анализ используется не только в медицине, но и в юриспруденции, криминалистике. Самая популярная потребность в таком исследовании – определение отцовства. Сравнение ДНК ребёнка и его отца позволяет получить 100%-ный результат.

Опубликована полная последовательность человеческого генома

Молекулярные биологи закончили собирать последовательность ДНК человека — этому посвящен специальный выпуск журнала Science. В предыдущей версии генома, которая появилась в 2001 году, около восьми процентов последовательности оставались нерасшифрованными. Это в основном некодирующие участки, центральные и концевые области хромосом. Результатам проекта посвящены сразу шесть (1, 2, 3, 4, 5, 6) статей. Полная версия генома позволяет точнее выявлять индивидуальные генетические особенности людей и может стать новым стандартом в генетике, несмотря на то, что в ней пока не хватает целой хромосомы.

В 2000 году проект «Геном человека» и компания Крейга Вентера Celera genomics заявили о том, что закончили секвенировать последовательность человеческой ДНК (подробнее об этом мы рассказывали в тексте «Геном человека: двадцать лет спустя»). К 2001 году они опубликовали свои черновые версии сборки с разницей в сутки (сначала «Геном человека», потом проект Вентера), а к 2003 году объединили свои усилия и наработки, чтобы собрать единый чистовик. Он стал первым стандартом, или референсным геномом, с которым сверялись все, кто расшифровывал новые геномы человека или искал генетические причины болезней. Однако работа по чтению человеческой ДНК на этом не закончилась.

Авторы первой версии человеческого генома не скрывали, что он далеко не полон. Например, в нем остался 341 пробел. Кроме того, в своей работе исследователи сделали ставку на эухроматин — ту фракцию ДНК, которая в клетке обычно находится в неплотно упакованном состоянии и информация с которой может быть считана. Таким образом, в первый вариант генома не вошли многие участки гетерохроматина — «скрученной» фракции ДНК. Она состоит в основном из последовательностей, которые не кодируют белки, но выполняют разные технические и структурные (и часто не до конца понятные) функции — поэтому тоже могут влиять на жизнь и работу клетки.

В первом варианте генома также не до конца было ясно, какие гены и некодирующие участки за что отвечают. Выяснением этого занимается, например, проект ENCODE. Наконец, референсный геном не учитывал в полной мере генетическое разнообразие людей — несмотря на то, что его собрали из случайных количеств ДНК от нескольких десятков человек. Восполнять эти пробелы взялись другие проекты, например, «Тысяча геномов».

С тех пор геном неоднократно уточняли, появилось несколько обновленных референсов. Последний, GRCh48.p13, был опубликован в 2019 году. Но и в нем оставалось немало белых пятен — участков, где вместо нуклеотидов значились буквы N, или где были подставлены какие-то суррогатные последовательности. Еще про полторы сотни участков не было точно известно, где именно и в каком порядке они располагаются. Суммарно эти неточности затрагивали около 8 процентов человеческого генома — что по размеру сопоставимо с целой хромосомой.

Разобраться с недостающими частями в геноме взялся Консорциум «От теломеры до теломеры» (T2T-Consortium, теломера — концевой участок хромосомы). В него вошли ученые из 54 институтов и лабораторий из разных стран (в том числе России), а результатом их работы стала первая полноценная сборка генома — о которой они рассказали в шести статьях в журнале Science.

Первая статья — это презентация новой сборки, в ней авторы рассказывают о том, какие методы они использовали, и подводят итоги своей работы. Новый геном получил имя CHM13 — по культуре клеток, которые стали донорами ДНК. Эта культура происходит из пузырного заноса — необычной опухоли человека, которая появляется, если оплодотворенная яйцеклетка по какой-то причине теряет материнские хромосомы (фактически это разновидность партеногенеза, подробнее об этом читайте в тексте «Половинка себя»). Пузырный занос удобен тем, что часто его геном состоит из удвоенного хромосомного набора, который принес с собой сперматозоид. А значит, обе копии каждой хромосомы должны быть практически идентичны (за исключением точечных мутаций и случайных поломок), и при секвенировании не нужно разбираться, на какой из копий расположен тот или иной участок.

Сборка CHM13 отличается от предшественников и технологией секвенирования. Предыдущие варианты генома были собраны из множества коротких последовательностей — то есть ДНК сначала разбивали на маленькие участки, прочитывали каждый в отдельности, а затем накладывали друг на друга. Но для гетерохроматина этот метод не подходит, поскольку там много повторяющихся участков, в расположении и числе которых легко ошибиться (например, некоторых генов рибосомальной РНК у человека может быть по 300-400 копий). Поэтому участники Консорциума T2T использовали метод длинных чтений (long-read sequencing), то есть разбивали ДНК на длинные части и прочитывали их целиком.

В результате в состав CHM13 вошли 3 054 815 472 пар нуклеотидов ядерной ДНК и 16 569 пар — из митохондриальной. Из них 182 миллиона пар — совершенно новые: их не было в предыдущей сборке генома 2019 года. В этом геноме, отмечают авторы работы, нет пробелов и нуклеотидов, которым не удалось найти место — он совершенно полный.

Подавляющая часть новых участков — это некодирующая ДНК, в основном центромерная (то есть из середины хромосом, в том месте, где они скрепляются друг с другом в характерный крест при мейозе). Тем не менее, исследователям удалось найти и новые гены — всего 1956 штук. Из них около сотни, по их оценкам, кодируют белки (остальные могут кодировать отдельные типы РНК или не работать совсем).

Остальные пять статей в выпуске посвящены отдельным углубленным исследованиям в рамках проекта. Например, в одной из работ рассказывается о центромерах, их разнообразии, структуре и эволюции. В другой — о повторах в геноме: авторы искали среди них ретротранспозоны (мобильные генетические элементы, которые могут перемещаться по геному или вставлять в него новые свои копии), в том числе активные. Третья посвящена сегментным дупликациям — длинным участкам с небольшим количеством копий, которые, вероятно, сыграли роль в эволюции приматов. Четвертая представляет карту метилирования новосеквенированных участков.

Наконец, еще одна статья посвящена практическим применениям нового генома. Ее авторы проверяли, насколько удобно использовать сборку CHM13, чтобы сравнивать с ней геномы отдельных людей и искать особенные варианты последовательностей. Для этого они воспользовались базой проекта «Тысяча геномов» и, сравнивая последовательности из базы с CHM13, нашли больше миллиона генных вариантов (тех, которые не показывало сравнение со сборкой GRCh48). Поэтому участники консорциума предложили назначить CHM13 новым стандартом для генетических и геномных исследований.

Но и на этом расшифровка человеческого генома не закончится. В CHM13 остаются свои недоделки — например, в этой сборке нет Y-хромосомы. Это связано с тем, что клетки пузырного заноса несут по две одинаковых копии каждой хромосомы, а генотип YY не жизнеспособен. Поэтому эту хромосому придется собирать отдельно.

Кроме того, CHM13 — это не синтетический геном из клеток разных людей, как было с предыдущими сборками, а геном одной клеточной линии. Поэтому дальше Консорциуму предстоит собрать другие варианты геномов, чтобы их стандарт учитывал не только полную последовательность ДНК, но и разные ее варианты.

Раньше мы писали о спорах, которые идут между учеными по поводу того, какая часть ДНК на самом деле «полезна» для клетки. А еще рассказывали о том, как биологи попали в Книгу рекордов Гиннесса, отсеквенировав геном человека за считанные часы.

Полина Лосева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

99 процентов… генома человека

Из триллионов клеток, из которых состоит наше тело, от нейронов, передающих сигналы по всему мозгу, до иммунных клеток, помогающих защищать наши тела от постоянных внешних воздействий, почти каждая содержит те же самые 3 миллиарда Пары оснований ДНК, составляющие геном человека — весь наш генетический материал. Примечательно, что каждый из более чем 200 типов клеток в организме очень по-разному интерпретирует эту идентичную информацию, чтобы выполнять функции, необходимые для поддержания нашей жизни. Это показывает, что нам нужно смотреть дальше самой последовательности ДНК, чтобы понять, как функционируют организм и его клетки.

Изучение генома в целом

Так как же нам начать понимать геном в целом? В 2000 году проект «Геном человека» предоставил первую полную последовательность генома человека []. ДНК, из которой состоят все геномы, состоит из четырех родственных химических веществ, называемых нуклеиновыми кислотами, — аденина (А), гуанина (G), цитозина (Ц) и тимина (Т). Последовательность ДНК представляет собой цепочку этих нуклеиновых кислот (также называемых «основаниями» или «парами оснований»), которые химически связаны друг с другом, например, AGATTCAG, которая «считывается» линейно. Экспериментальные методы определения последовательности ДНК, а также помощь некоторых мощных компьютеров в конечном итоге дали ученым последовательность, состоящую из букв А, Г, С и Т и состоящую из 3 миллиардов букв. В то время исследователи думали, что знают достаточно о том, как работает ДНК, чтобы искать функциональные единицы генома, также известные как гены. Ген — это цепочка ДНК, которая кодирует информацию, необходимую для создания белка, который затем выполняет определенную функцию в наших клетках.

После проекта «Геном человека» ученые обнаружили, что в геноме содержится около 20 000 генов, число, которое некоторые исследователи уже предсказывали. Примечательно, что эти гены составляют лишь около 1-2% от 3 миллиардов пар оснований ДНК []. Это означает, что где-то 98-99% всего нашего генома должны делать что-то кроме кодирования белков — ученые называют это некодирующей ДНК. Представьте себе, что вам дали несколько томов энциклопедий, содержащих связное предложение на английском языке каждые 100 страниц, а остальное пространство содержало небольшое количество непонятных случайных букв и символов. Вы, вероятно, начнете задаваться вопросом, почему все эти случайные буквы и символы были там в первую очередь, и это именно та проблема, которая мучила ученых на протяжении десятилетий.

Почему так много нашего генома не используется для кодирования белка? Служит ли эта дополнительная ДНК какой-либо функциональной цели? Чтобы понять, нужна ли нам вся эта дополнительная ДНК, мы можем взглянуть на близкородственные виды с сильно различающимися размерами генома. Например, род Allium , который включает лук, лук-шалот и чеснок, имеет размер генома в диапазоне от 10 до 20 миллиардов пар оснований. Очень маловероятно, что такое большое количество дополнительной ДНК было бы полезно для одного вида, а не для его генетического родственника, возможно, аргументируя это тем, что большая часть генома бесполезна []. Кроме того, эти геномы намного больше, чем геном человека, что указывает либо на то, что луковица очень сложна, либо, что более вероятно, размер генома ничего не говорит о том, насколько сложен организм или как он функционирует.

Какие части генома функциональны?

Благодаря поразительным технологическим достижениям в области секвенирования ДНК и использования компьютеров для анализа полученных последовательностей (вместе называемых биоинформатикой) начались крупномасштабные проекты, подобные проекту «Геном человека», направленные на раскрытие сложности и размера человеческого генома. Один конкретный проект, ENCODE, или элементы Enc yclopedia O f D NA E , направлен на поиск функции всего генома человека [2, 3]. Другими словами, в то время как проект «Геном человека» был направлен на изучение чертежей человеческой жизни, цель ENCODE состояла в том, чтобы выяснить, какие части этих чертежей на самом деле делают что-то функциональное. Группа лабораторий со всего мира работает над проектом ENCODE, который начался в 2003 году и финансируется Национальным институтом исследования генома человека. Только в этом месяце консорциум опубликовал свои основные результаты в более чем 30 статьях в научных журналах, и ему было уделено значительное внимание средств массовой информации [].

Рис. 1. 46 хромосом (вверху), составляющих весь геном человека. Каждая хромосома (в центре) представляет собой длинный непрерывный участок ДНК, усеянный генами, которые кодируют информацию, необходимую для создания белка. Гены составляют лишь небольшой процент генома, а остальная часть состоит из межгенных областей (внизу), которые не кодируют белки. Это регионы, в изучении которых ENCODE заинтересована больше всего. ( Изображение предоставлено: Wikimedia Commons; Пользователь — Plociam)

Чтобы лучше понять цель ENCODE, сначала полезно понять, что мы подразумеваем под «функциональным». Помните, что гены кодируют информацию, необходимую для создания белков — молекул, выполняющих функции в клетке. Сколько белка в конечном счете продуцирует данный ген, и разрешено ли ему вообще его производить, определяется экспрессией его гена . В случае генома любая функциональная последовательность, не кодирующая белок, предположительно будет оказывать некоторое влияние на то, как экспрессируется ген; то есть функциональная последовательность каким-то образом регулирует, сколько белка производится из данной кодирующей последовательности ДНК. Именно различие в составе белков помогает придать клетке ее индивидуальность. Поскольку каждая клетка содержит одну и ту же ДНК и геном, именно уровни экспрессии генов определяют, будет ли клетка нейроном, кожей или даже иммунной клеткой.

В то время как в Проекте генома человека в первую очередь использовался метод секвенирования ДНК для считывания генома человека, фактическое распределение ролей и характеристика функций этих оснований ДНК требует гораздо более широкого спектра экспериментальных методов. В проекте ENCODE использовалось шесть подходов, помогающих присвоить функции определенным последовательностям в геноме. Эти подходы включали, среди прочего, секвенирование РНК, молекулы, похожей на ДНК и состоящей из нее, которая несет инструкции по созданию белков, а также определение областей ДНК, которые могут быть химически модифицированы или связаны с белками. Исследователи выбрали эти методы, потому что каждый из них дает представление о том, является ли данная последовательность функциональной (то есть влияет ли она на экспрессию генов). Если клетка тратит энергию на создание РНК из ДНК, то, скорее всего, она для чего-то используется. Кроме того, белки, которые связываются с ДНК, влияют на экспрессию гена, а химические модификации ДНК также могут предотвращать или усиливать экспрессию гена.

Каждый из этих подходов позволяет идентифицировать последовательности в геноме, обладающие какой-либо биохимической активностью, и, чтобы повысить полезность этого проекта, лаборатории использовали эти методы на нескольких типах клеток, чтобы учесть естественную изменчивость. Так что же они в итоге нашли? Используя шесть подходов, проект смог определить биохимическую активность для 80 % оснований в геноме []. Хотя это не обязательно означает, что все эти предсказанные функциональные области действительно служат определенной цели, это убедительно свидетельствует о том, что биологическую роль играет гораздо больше, чем 1% нашей ДНК, которая формирует гены. Многие ученые уже подозревали об этом, но с ENCODE у нас теперь есть большой стандартизированный набор данных, который может использоваться отдельными лабораториями для исследования этих потенциально функциональных областей. Точно так же, поскольку это был такой большой проект со строгим контролем качества, мы можем быть уверены, что данные воспроизводимы и надежны.

Полезность и полемика

Хотя основные преимущества, вытекающие из этого проекта, возможно, не будут реализованы в течение нескольких лет (аналогично проекту «Геном человека»), в настоящее время уже есть некоторые области, в которых этот огромный набор данных будет полезен. Существует множество заболеваний, которые, по-видимому, связаны с генетическими мутациями; однако многие из обнаруженных мутаций не находятся в реальных генах, что затрудняет понимание того, какие функциональные изменения вызывают мутации. Используя данные проекта ENCODE, исследователи смогут быстрее находить мутации, вызывающие заболевания, поскольку теперь они могут связать мутации с функциональными последовательностями, найденными в базе данных ENCODE. Сопоставив эти два понятия, исследователи и врачи смогут начать понимать, почему конкретная мутация вызывает заболевание, что поможет в разработке соответствующих методов лечения.

Хотя проект ENCODE был выдающимся достижением научного сотрудничества, вокруг проекта до сих пор ведутся споры [5, 6, 7]. Некоторые ученые выразили обеспокоенность тем, что деньги, потраченные на этот проект (более 200-300 миллионов долларов), могли бы быть более полезными для предоставления грантов отдельным исследователям. Некоторые биологи также выразили обеспокоенность по поводу того, как результаты проекта были представлены публике, как с точки зрения ажиотажа вокруг проекта, так и с точки зрения самих результатов. Из-за дороговизны и сложности этих типов исследований для ученых важно представить беспристрастную точку зрения. Необходимость осторожного представления для общественности была продемонстрирована шумихой вокруг недавней публикации ученых НАСА о бактериях, которые могут использовать мышьяк способом, который никогда раньше не наблюдался. После объявления о том, что они обнаружили что-то новое и захватывающее, вплоть до созыва пресс-конференции, самосозданная шумиха в конечном итоге рухнула после того, как результаты были в конечном итоге опровергнуты []. Как и в случае с любым новым крупномасштабным проектом, как ученые, так и общественность должны быть терпеливы в оценке ценности, пока не будут реализованы истинные преимущества проекта.

Еще одна серьезная критика статей, опубликованных группой ENCODE, была сосредоточена на значении фразы «биологическая функция». В основной статье журнала ENCODE авторы заявили, что они приписали биологическую функцию примерно 80% генома человека []. Как отмечали другие, только потому, что данная последовательность ДНК связывает белок или связана с некоторой химической модификацией, не обязательно означает, что она функциональна или выполняет полезную роль. Многие события связывания белков случайны и несущественны. Также в течение некоторого времени было известно, что большая часть некодирующей «мусорной» ДНК на самом деле не является мусором, поэтому некоторые исследователи поставили под сомнение новизну результатов ENCODE. Все эти опасения, безусловно, оправданы, и, по сути, разговор вокруг проекта демонстрирует, как именно должна работать наука.

Скорее всего, потребуются годы, чтобы полностью понять, как ENCODE помог научному сообществу, но, тем не менее, этот проект показал, насколько важно изучать геном в целом, а не только для того, чтобы понять, почему у нас так много не -кодирования ДНК в каждой клетке, но и для информирования нас о темах, которые имеют отношение к большинству людей, в частности о том, как редкие или множественные генетические мутации приводят к развитию болезней.

Джонатан Хеннингер — аспирант программы биологических и биомедицинских наук Гарвардского университета.

Дополнительная информация

Видео. Главный координатор ENCODE Эван Бирни обсуждает основные цели проекта.

Ссылки

[] Домашняя страница проекта «Геном человека»

[] Домашняя страница ENCODE

[] ENCODE статьи, опубликованные в Nature

[] «Кусочки загадочной ДНК, далекие от «мусора», играют решающую роль», Джина Колата, The New York Times

[] reddit.com «Спросите меня о чем угодно» с участниками проекта ENCODE

[] «Ослепленный большой наукой: урок, который я извлек из ENCODE, заключается в том, что такие проекты, как ENCODE, — плохая идея», — Майкл Эйзен 

[] «Что говорит кодировка?» Шон Эдди janelia.org/people/eddys/blog/?p=683>

[] «Новые научные документы доказывают, что НАСА потерпело неудачу в продвижении предположительно потрясающих Землю открытий, которых не было, » Мэтью Херпер

[] «Эволюция размера генома некоторых культивируемых Allium видов». Рикроч и др. , Genome 2005.

[] «Интегрированная энциклопедия элементов ДНК в геноме человека». The ENCODE Project Consortium, Nature 2012. 

Структура, функция и влияние на здоровье

Возможно, ДНК самая известная биологическая молекула; он присутствует во всех формах жизни на Земле. Когда в генетическом коде происходит мутация, могут возникать заболевания. В этой статье рассматриваются основы ДНК и то, как она влияет на здоровье.

Практически каждая клетка тела содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Генетический код делает каждого человека уникальным. ДНК несет инструкции по развитию, росту, размножению и функционированию всего живого.

Различия в генетическом коде объясняют, почему у одного человека голубые глаза, а не карие, почему у птиц только два крыла или почему у жирафов длинная шея. Различия или мутации в генетическом коде также могут привести к восприимчивости к определенным заболеваниям.

Мало того, что почти все клетки в организме содержат ДНК, так еще и длина ДНК в одной клетке превышает 6,5 футов (футов), если ее распутать и растянуть из конца в конец.

В этой статье будут рассмотрены основы ДНК, из чего она состоит, как она работает и как влияет на здоровье.

Короче говоря, ДНК — это длинная молекула, содержащая уникальный генетический код каждого человека. Он содержит инструкции по созданию белков, необходимых для функционирования организма.

Инструкции ДНК передаются от родителя к ребенку, причем примерно половина ДНК ребенка происходит от отца, а половина — от матери.

ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, которая кажется скрученной, что придает ей уникальную форму, известную как двойная спираль.

Каждая из двух цепочек представляет собой длинную последовательность нуклеотидов. Это отдельные единицы ДНК, и они состоят из:

• молекулы фосфата
• молекулы сахара дезоксирибозы, содержащей пять атомов углерода
• азотсодержащей области

Существует четыре типа азотсодержащих областей, называемых баз, в том числе:

• аденин (A)
• цитозин (C)
• гуанин (G)
• тимин (T)

Порядок этих четырех оснований образует генетический код, который является руководством к жизни.

Основания двух нитей ДНК слипаются, образуя форму лестницы. Внутри лестницы A прилипает к T, а G прикрепляется к C, чтобы создать «ступеньки». Длина лестницы формируется за счет сахарной и фосфатной групп.

Каждая длина ДНК, кодирующая определенный белок, называется геном. Например, один ген кодирует белок инсулин, гормон, который помогает контролировать уровень сахара в крови. У людей около 30 000 генов, хотя оценки разнятся.

Считается, что только около 1% ДНК состоит из генов, кодирующих белок. Ученые меньше знают о функциях оставшихся 99% ДНК, но считают, что они участвуют в регуляции транскрипции и трансляции.

Хромосома 1 является самой крупной и содержит около 2800 генов. Самая маленькая хромосома — это 22-я хромосома, содержащая около 750 генов.

Большая часть ДНК находится в ядрах клеток, а некоторые существуют в митохондриях, которые являются электростанциями клеток.

Из-за того, что у людей так много ДНК, а ядра такие маленькие, ДНК нужно упаковывать невероятно аккуратно.

Нити ДНК в виде петли, спирали и обертывания вокруг белков, называемых гистонами. В этом свернутом состоянии ДНК называется хроматином.

Хроматин далее конденсируется в процессе суперспирализации и упаковывается в структуры, называемые хромосомами. Эти хромосомы образуют знакомую форму «X».

Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. У человека 23 пары хромосом или всего 46 хромосом. Другие виды имеют другие номера. Например, у плодовых мушек 8 хромосом, а у голубей 80 хромосом.

Создание белка

Гены создают белок в два основных этапа, в том числе:

• Транскрипция: Код ДНК дублируется в информационную РНК (мРНК). РНК — это копия ДНК, но обычно она одноцепочечная. Еще одно отличие состоит в том, что РНК не содержит основания тимина (Т). В РНК урацил (U) заменяет тимин (T).
• Перевод: мРНК транслируется в аминокислоты с помощью транспортной РНК (тРНК).

мРНК предоставляет информацию о конкретной аминокислоте через трехбуквенные участки, называемые кодонами. Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту или строительный блок белка. Например, кодон GUG кодирует аминокислоту валин.

Существует 20 возможных аминокислот.

Теломеры

Теломеры представляют собой участки повторяющихся нуклеотидов на концах хромосом.

Они защищают концы хромосомы от повреждения или слияния с другими хромосомами.

Ученые сравнивают их с пластиковыми наконечниками на шнурках, которые не дают шнуркам изнашиваться.

По мере взросления человека эта защитная область неуклонно уменьшается. Каждый раз, когда клетка делится и ДНК реплицируется, теломеры становятся короче.

У всех людей ДНК со временем деградирует, вызывая старение.

Однако иногда последовательность ДНК человека может изменяться случайным образом. Это называется мутацией. Определенные мутации в генетическом коде человека могут привести к развитию различных заболеваний или состояний.

В качестве альтернативы человек может унаследовать ген, вызывающий проблемы со здоровьем. Факторы окружающей среды могут влиять на то, как проявляются эти мутировавшие гены.

Повреждение структуры ДНК может происходить различными путями. В том числе когда:

• основания соединяются в неправильном порядке после репликации
• отсутствует пара оснований
• имеется лишняя пара оснований
• имеется сбой в репликации или рекомбинации ДНК тяжелые металлы
• происходит мутация в процессе восстановления поврежденной ДНК.
• изменение числа или структуры хромосом

Болезни или состояния здоровья могут быть результатом повреждения только одного гена, например, муковисцидоза, или повреждения нескольких частей ДНК человека, например, рака. Другие примеры включают:

• Синдром Дауна
• Аутоиммунные заболевания
• Хронические воспалительные заболевания
• Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Гентингтона

Вот несколько распространенных вопросов о ДНК.

Кто открыл ДНК?

Открытие ДНК приписывают швейцарскому ученому Фридриху Мишеру, который впервые выделил ДНК из гнойных клеток человека в конце 1860-х годов.

Какие существуют типы ДНК?

Существует множество типов ДНК, каждый из которых различается в зависимости от своей конкретной структуры. Наиболее распространенным является B-ДНК, но некоторые другие типы, обнаруженные в геноме, включают A-ДНК, H-ДНК и Z-ДНК.

Что такое репликация ДНК?

Репликация ДНК — это процесс, происходящий при копировании ДНК в клетках. Это помогает гарантировать, что каждая новая клетка имеет свой собственный полный геном во время клеточного деления.

Можно ли вылечить генетические заболевания?

Врачи могут лечить только симптомы состояний, вызванных генетической мутацией. Тем не менее, исследователи постоянно работают над разработкой типов генной терапии, которые могут помочь остановить прогрессирование болезни. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило некоторые препараты для генной терапии, в то время как другие проходят клинические испытания.

ДНК — это молекула, присутствующая в большинстве клеток и содержащая уникальный генетический код каждого человека. Он отвечает за кодирование белков, необходимых для роста и развития клеток.

Хромосомы представляют собой плотно закрученные нити ДНК. Гены — это участки ДНК, которые кодируют отдельные белки. ДНК также несет важную генетическую информацию, необходимую для выживания и функционирования всех форм жизни на Земле.