Днк расшифровать: ДНК — что это такое? Расшифровка, определение, перевод

Содержание

Из чего собрана наша ДНК

Научная догма

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature двухстраничную статью с заголовком «Молекулярная структура дезоксирибонуклеиновых кислот». В статье коротенечко сообщалось, что ДНК — это двойная спираль, нити которой состоят из нуклеотидов, букв «генетического текста», и удерживаются вместе эфемерными водородными связями. Примерно тогда же стало понятно, как ДНК воспроизводит свои копии, и был сформулирован ключевой для всей биологии принцип — центральная догма* молекулярной биологии.

*Ее автор, один из первооткрывателей молекулярной структуры ДНК Фрэнсис Крик, объяснял выбор этого слова желанием подобрать звучное название.

Эта догма гласит: ДНК является средоточием генетической (наследственной) информации и может служить инструкцией — матрицей для синтеза своей ближайшей родственницы РНК, рибонуклеиновой кислоты. Последняя содержит информацию, которая используется для синтеза белков, а уже те самостоятельно принимаются за дело, выполняя огромное разнообразие работ в клетке. Вольный пересказ центральной догмы молекулярной биологии на сем окончен.

Появление этой догмы ознаменовало наступление «нового времени» в науке о живом. Но заметьте: что догма, что открытия 1950-х выхватили, словно лучом прожектора, только самый центральный, основополагающий сюжет с участием ДНК — кодирующие последовательности в генах. Все остальное первооткрыватели структуры чудо-молекулы пренебрежительно назвали «мусорной ДНК» (англ. Junk DNA), оставив без внимания.

16 000 томов Толстого

В последующие десятилетия некодирующей «темной материи» не придавали особого значения. Но время шло, не стоял на месте и научный прогресс — ученые понемногу узнавали о разнообразии процессов, происходящих внутри ДНК и с ее участием. Немало удивительного удалось узнать и о геноме в целом. Например, что весь генетический код представляет собой длинный текст, который записан 4-буквенным алфавитом. Это так называемые нуклеотиды: аденин — A, тимин — T, гуанин — G и цитозин — C.

Не так давно, на рубеже тысячелетий, чтобы получить полную версию этого сакраментального «текста», был создан огромный международный консорциум «Геном человека». На протяжении более чем 10 лет исследователи из 20 научных центров США, Великобритании, Японии, Франции, Германии, Испании и Китая и нескольких частных компаний сплоченно работали и ежедневно докладывали о своих успехах.

В результате огромной работы к 2003 году этот написанный природой и прочитанный человеком опус был наконец опубликован. В последовательности из 3 миллиардов букв* было найдено около 20-25 тысяч фрагментов — генов, — в которых непосредственно закодирована наследственная информация.

*Для сравнения: в 4-томном романе «Война и мир» всего-навсего около 750 тысяч знаков, включая знаки препинания и пробелы. Если разбить ДНК на отрезки, равные по числу знаков томам «Войны и мира», получится, что геном человека — это 16 000 таких томов.

Средняя длина гена — около 25-27 тысяч пар нуклеотидов. Если посчитать долю знаков всех генов от объема общего текста, получится около 2%. Если вычесть некодирующие элементы внутри генов, и того меньше. Но если в категорию «мусора» попало 98% генома, значит, этот мусор для чего-то да нужен?

Для сравнения: в 4-томном романе «Война и мир» всего-навсего около 750 тысяч знаков, включая знаки препинания и пробелы. Если разбить ДНК на отрезки, равные по числу знаков томам «Войны и мира», получится, что геном человека — это 16 000 таких томов.Проект «Геном человека» подарил много новых инструментов для работы с ДНК. Историки науки даже называют 2003 год началом новой эры в биологии — постгеномной. Менее чем за два десятилетия в арсенале учёных появились методы, позволяющие распознавать отдельный нуклеотиды при протягивании молекулы ДНК через нанопору, — в ХХ веке о таком не помышляли даже фантасты. И потихоньку наука начала разбираться с завалами «мусора».

Так из какого сора?

Что же представляет собой это «молчаливое большинство» нашего генома?

Безусловно, нельзя говорить о ненужности и бессмысленности 98% генетического материала. Эту хаотичную и слабо понятную сейчас массу можно назвать не мусором, а скорее свалкой сокровищ.

Некодирующие области могут выполнять разные функции или не выполнять никаких. Чтобы попасть в эту огромную категорию, участкам ДНК достаточно не хранить в себе информацию о структуре РНК или белка.

Компоненты человеческого генома

Кодирующие области 2%

Интроны 26%

ДНК-транспозоны 3%

LTR-ретротранспозоны 8%

LINEs 20%

SINEs 10%

Микросателлиты 3%

Другие типы 28%

Непосредственно внутри кодирующих областей встречаются интроны. Это такие участки ДНК, которые сидят внутри генов, но при этом ничего не кодируют. В дальнейшем интроны безжалостно вырезаются и выбрасываются из уже из РНК (этот процесс называется сплайсингом). Обилие подобных побочных продуктов производства РНК характерно для эукариот: у них для генома есть специальный контейнер, способный вместить сколь угодно много сора, — ядро. В человеческой ДНК на интроны приходится аж четверть текста. У бактерий такого контейнера нет, их геномы более компактные и рационализированные.

За границами кодирующих областей встречаются два типа крайне важных последовательностей: промоторы и терминаторы. Первые обозначают место, откуда надо начать считывание гена, вторые — конец. Рядом могут находиться энхансеры и сайленсеры — своеобразные тумблеры, позволяющие настроить активность считывания гена. Регуляторные участки ДНК — важный тип некодирующих последовательностей, ведь такая сложная машина, как организм, должна, во-первых, правильно собирать себя в процессе развития и, во-вторых, оперативно реагировать на изменения состояния — своего собственного и окружающей среды.

Плодятся буквы, как лопухи и лебеда, как буквы в ворде

«Ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа», — повторяет Владимир Сорокин несколько страниц в своем дебютном романе «Норма», используя бессмысленный повтор как средство художественной выразительности. TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT или GCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCA, — вторит ему ДНК. На такие последовательности приходится около 1,5 миллиарда знаков из 3-миллиардного текста нашего генома. Почему бессмысленные повторы занимают столько места? Или, раз это место им отведено, они что-то да значат? Учёные считают, что повторяющиеся последовательности — это горячие точки эволюции: с ними связаны быстрые и неожиданные изменения генома. Исследования показали, что не все повторы одинаковы, их можно разделить на два больших типа: прямые и диспергированные, причём в каждом по несколько разновидностей.

Диспергированные повторы, в отличие от прямых, не идут впритык друг за другом, а перемежаются с другими участками ДНК. По большей части диспергированные повторы — это транспозоны, последовательности-анархисты, способные скакать с места на место, то есть перемещаться по геному. Свободолюбивое поведение делает транспозоны важной движущей силой эволюции: они перемешивают и прочее население генома, вмешиваясь в работу генов.

Некоторые транспозоны — ретротранспозоны — могут не только скакать по геному, но и плодиться в нём. Их название отражает не художественные пристрастия, а механизм, который эти мобильные генетические элементы используют для передвижения по ДНК. Корень «ретро-» по аналогии с ретровирусами намекает на переход в форму РНК. То есть такие последовательности сначала считываются, а потом из РНК-матрицы переходят снова в ДНК, встраиваясь в новое место генома. Принцип «копировать — вставить». Оставшиеся малочисленные ДНК-транспозоны переходить в РНК не умеют, им остается вариант «вырезать — вставить».

Ретротранспозоны нашего генома можно разделить на несколько групп. Во-первых, это LTR-ретротранспозоны. На концах таких последовательностей присутствуют особые повторяющиеся участки. Подобные концевые повторы есть у ретровирусов и используются ими для встраивания генетического материала в геном хозяина. Это сходство названий и последовательностей не случайно: LTR-ретротранспозоны происходят от ретровирусов. Очередной вирусный след в человеческом геноме, притом увесистый: на LTR-повторы приходится порядка 8% генома Homo sapiens.

Ретротранспозоны LINEs и SINEs таких концевых повторов лишены. Главное различие между ними в размере: от менее 500 нуклеотидов у SINEs до в среднем 7000 у LINEs. Самые любопытные из них Alu-повторы. Подавляющее большинство SINEs генома Homo sapiens — это именно они. Предполагают, что Alu-элементы возникли около 100 млн лет назад и с тех пор изменялись вместе с расходящимися по собственной эволюционной ветке обезьянами. Изучение Alu-повторов помогает лучше понять родословную наших родичей.

Ну сколько можно повторять!

Тандемные повторы ДНК вплотную примыкают друг к другу, почти как ездоки велосипеда-тандема. Отсюда их правильная структура с регулярным чередованием. Ну а свойства определяются размером повторов, по этому признаку тандемные повторы делят на три типа: сателлиты, минисателлиты и микросателлиты.

Самые длинные — сателлиты, или сателлитная ДНК, — могут тянуться миллионы и миллионы нуклеотидов подряд. Космическое название (англ. Satellite — спутник) связано с тем, что при ультрацентрифугировании (метод разделения веществ в результате очень быстрого раскручивания на ультрацентрифуге) эта часть ДНК легко отделялась от прочего генома. Сателлиты не кодируют РНК и белки и вообще складированы в «технических» областях хромосом: центромерах и теломерах. Центромеры и сателлитные повторы важны при делении клетки. Когда дело доходит до разделения удвоенных хромосом, микротрубочки подходят именно к центромерам и тянут за них хромосомы в противоположном направлении. А сателлиты в теломерах не позволяют концам хромосом слипаться (и самой хромосоме — разрушиться). Еще они защищают нас от старения, препятствуя укорачиванию хромосом.

Фото: Журнал «Кот Шрёдингера»

Средненькие в семье тандемных — минисателлиты, — как заведено и у людей, следуют за старшенькими. Они обнаружены не в самих центромерах и теломерах, а по соседству. Именно по последовательностям минисателлитов в детективных сериалах определяют сходство ДНК с места преступления с ДНК подозреваемого, а в романтических — устанавливают родительство. Длина каждого отдельного минисателлита довольно специфична у каждого из нас, однако у близких родственников они схожи.

Самые маленькие из тандемных повторов длиной всего 6-10 нуклеотидов — микросателлиты. Как и средненькие (и по тому же принципу), самые короткие в семействе нашли применение в криминалистике, но на этом их сходство со старшими братьями заканчивается. В отличие от них, микросателлиты находятся не в определённых участках хромосом, а распределены по всей ДНК почти равномерно. И не криминалистическое применение в них самое интересное. Микросателлиты, несмотря на малый размер, — кипучие котлы эволюции. Мутации в них происходят в тысячу раз чаще, чем в каких-либо других нуклеотидах. Характер этих мутаций заключается в потере или дублировании единиц-повторов целиком. Притом не одной — иногда «проскальзывание» копирующего ДНК белка затрагивает большие участки ДНК со следующими один за другим микросателлитами.

Если такое нарастание происходит в некоторых пределах, то в целом ситуация остается под контролем. Если же они превышены (к этому располагает наследственность), никто и ничто уже не сможет удержать микросателлиты. Происходит так называемая экспансия: единицы микросателлитов повторяются сотни и тысячи раз подряд, а обладатель соответствующего генома приобретает серьезное, обычно неизлечимое и быстро прогрессирующее заболевание. Это может быть и болезнь Хантингтона — неуклонно прогрессирующее заболевание мозга, прославившееся вместе с Тринадцатой из сериала «Доктор Хаус», и синдром хрупкой Х-хромосомы. Хрупкой оказывается как раз область микросателлитов, причем хрупкой настолько, что часть этой хромосомы может просто… отвалиться.

Геном Homo sapiens — это текст из 3 миллиардов букв, который очень далек от порядка и предсказуемости. Наш геном — это разнообразие, хаос, повторы и… своеобразная эволюционная разумность. И неожиданные сюжетные повороты. Почти как в стихотворении Хармса об устройстве человека:

А, впрочем, не рук пятнадцать штук,

пятнадцать штук,

пятнадцать штук.

Хэу-ля-ля,

дрюм-дрюм-ту-ту!

Пятнадцать штук, да не рук.

Как была расшифрована ДНК | Forbes.ru

Создатель метода чтения ДНК стал единственным ученым, дважды получившим Нобелевскую премию по химии

В первые два десятилетия после того, как  Уотсон и Крик открыли двойную спираль ДНК, человечеству удалось очень многое понять о молекулярной природе жизни. Была сформулирована знаменитая «центральная догма», согласно которой генетическая информация в клетке передается только в одном направлении: от ДНК к белку. Был полностью расшифрован генетический код, который позволяет клетке переводить тексты нуклеиновых кислот в тексты белков, то есть последовательность нуклеотидов в ДНК и РНК — в последовательность аминокислотных остатков в белках. Все это были огромные достижения.

Проблема, однако, состояла в том, что, хотя молекулярные биологи все время рассуждали про эти тексты, самих текстов никто не знал. Не было способа расшифровать гены. Или, иными словами, не было метода определения последовательности нуклеотидов в ДНК.

К тому времени это уже умели делать для белков — метод чтения их последовательности был разработан в начале 1950-х годов, еще до открытия двойной спирали. Кроме того, ученые уже немного умели читать короткие последовательности РНК. А вот последовательности ДНК не умели читать вообще. Это создавало колоссальную брешь в реальном понимании молекулярных основ жизни и сдерживало как развитие биотехнологий, которых, собственно говоря, еще не было, так и медицинского применения этих знаний.

Стало даже казаться, что это слишком сложная задача и ее не удастся решить — все попытки оказывались безуспешными.

Но вот в середине 70-х годов XX века произошел прорыв. Метод определения последовательности ДНК был разработан британским ученым-химиком Фредериком Сенгером.

Сенгер — великий человек. Он единственный в истории науки, кто получил две Нобелевские премии по химии. Нобель запретил давать два раза одному и тому же человеку премию в одной и той же области. А Сенгер к тому времени уже получил премию как раз за разработку метода чтения аминокислотных последовательностей в белках. И когда он разработал метод чтения последовательности ДНК, Нобелевский комитет оказался в очень трудном положении: он должен был либо не дать человеку премию за выдающееся открытие, либо нарушить завещание Нобеля. Решили все-таки нарушить завещание. И это единственный случай в области химии.

Как теперь читают последовательности ДНК? С тех пор в этом направлении был сделан  огромный прогресс, и он основан на прорыве Сенгера. Последовательность ДНК —  это  колоссальной длины текст, написанный с помощью всего четырех «букв» — четырех химических соединений: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С). У нас в каждой клетке имеется геном, который состоит из трех миллиардов нуклеотидов, трех миллиардов таких «букв».

Как этот текст прочитать?

Прежде всего, ДНК разрезают на фрагменты с помощью специальных ферментов, которые называются рестриктазы. Рестриктазы узнают короткие последовательности ДНК, содержащие приблизительно от 6 до 8 нуклеотидов, и только в этом месте определенным образом разрезают двойную спираль ДНК. Открытие таких «ножниц» стало еще одним прорывом начала 1970-х годов.

После разрезания ДНК задача сводится к тому, чтобы определить последовательность короткого куска — он может содержать сотню или несколько сотен звеньев. И здесь используется метод Сенгера.

К полученному фрагменту молекулы добавляются с обоих концов специальные адаптеры, потому что рестриктаза оставляет неровные концы. Адаптер имеет определенную последовательность, которую выбираем мы сами, так как он синтетический. После добавления адаптера каждый фрагмент получит определенные — известные нам — последовательности на концах. Эти последовательности мы сможем использовать для того, чтобы добавить к фрагменту молекулы синтетические праймеры (фрагменты нуклеиновой кислоты), начиная с которых по имеющейся последовательности ДНК будет синтезироваться комплементарная цепочка.

Идея Сенгера состояла в том, что в процессе такого синтеза нужно добавить к смеси нормальных предшественников нуклеотидов, называющихся нуклеозидтрифосфатами, специально модифицированные нуклеозидтрифосфаты, которые не смогут удлиняться.

В результате синтез останавливается на месте той или иной «буквы». Тем самым мы получаем молекулы с набором длин, который точно говорит нам, в каком месте встроена та или иная «буква». И тогда остается только разделить эти молекулы по длине, что делается при помощи гель-электрофореза.

Готовится специальный гель, то есть полимерная сетка, к которому прикладывается постоянное электрическое поле. Под действием электрического поля отрицательно заряженные молекулы ДНК ползут через полимерную сетку. И чем длиннее молекула, тем медленнее она движется в геле. Это позволяет разделять смесь молекул согласно их длинам, и там, где стоит тот нуклеотид, который мы в данный момент изучаем, мы будем видеть остановку синтеза, то есть длины фрагментов, когда мы будем разделять их по длине, соответствующие номеру этих нуклеотидов.

И таким образом мы можем прочитать всю последовательность.

Этот замечательный, гениальный метод, благодаря которому мы смогли  секвенировать человеческий геном, и был придуман Сенгером. Первый  геном человека был прочитан в самом начале нашего века. Тогда это обошлось в сумму порядка трех миллиардов долларов. Затем метод был модифицирован, роботизирован и сегодня процедура определения последовательности стоит несравненно меньше. Цена приближается к $1000 за расшифровку ДНК конкретного человека.

Совершенно фантастическое развитие методов секвенирования ДНК создало неимоверный прогресс и в области понимания молекулярной природы жизни, и в области биотехнологического и медицинского применения.

Что такое ДНК человека | Как расшифровывают результаты ДНК-анализа


ДНК – что это такое простыми словами и как она устроена? Физически это макромолекула, которая не только хранит в себе наследственную информацию, но и является подробной инструкцией по развитию всего организма условно из одной универсальной клетки.


Если сравнить человека с компьютером, а все многообразие биологической жизни – с различными формами роботизированных компьютеров, ДНК в этом сравнении будет биологическим языком программирования. С той лишь разницей, что биологические виды устроены намного сложнее и совершеннее самых передовых компьютеров.


К примеру, все биологические виды обладают уникальной способностью деления и преобразования клетки. Фактически в ходе самовоспроизводства клетки биомасса не только материализуется сама из себя, но и физически преобразовывается под решение множества узкоспециализированных задач. А все многообразие живых видов, их форм, уникальных способностей исходит из деления одной универсальной клетки. Одно это уже уходит далеко за грань всех современных генетических достижений.


История открытия


Фактически открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло дважды. Первым открытие молекулы совершил Иоганн Фридрих Мишер в 1869 году. Будучи швейцарским биологом и физиологом, он из клеток, содержащихся в гное, смог выделить большую молекулу с высоким содержанием азота и фосфора. Свое открытие он назвал нуклеин, а позже – нуклеиновой кислотой, когда были открыты ее кислотные свойства.

Первоначально ученые считали, что основная функция нуклеиновой кислоты состоит в хранении фосфора. А предположения, что она может содержать в себе наследственную информацию, вызывали насмешки, поскольку структура молекулы казалась им слишком простой и однообразной для таких функций. Также считалось, что наличие дезоксирибонуклеиновой кислоты свойственно только животным клеткам, а в растениях содержится только РНК. Но в 1934–1935 годах советские ученые-биологи А. Н. Белозерский и А. Р. Кизель это наглядно опровергли и опубликовали результаты своих работ в советских и мировых научных журналах.

Повторное открытие ДНК уже в качестве носителя наследственной информации и не только было совершено в 1944 году. Группа исследователей, состоящая из Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти, проводила эксперименты с трансформацией бактерий и доказала, что основную роль в этом процессе играет дезоксирибонуклеиновая кислота.

Значение ДНК в медицине


Открытие ДНК в медицине, расшифровка этой кислоты – это события, значение которых трудно преувеличить. Большая часть современных прорывных технологий и исследований прямо или косвенно базируется на этом фундаментальном для науки открытии. Не знай мы про гены, не было бы многих современных методов лечения и диагностики, многих технических изобретений. По сути, не было бы и генетики как полноценной самостоятельной науки. Застопорилось бы изучение клетки и того, как она функционирует. А без этих знаний и множество открытий в этой области было бы невозможно.

На сегодняшний день знания о генах помогают многим людям:

  • Узнать о заболевании намного раньше наступления первых симптомов. Лечение на сверхранней стадии всегда более успешно.

  • Узнать свою генетику просто – для этого достаточно сделать ДНК-анализ. С помощью него вы можете понять, к каким заболеваниям у вас есть предрасположенность, или, например, как вам стоит питаться, какие витамины просто необходимо включить в рацион, а какие вещества, наоборот, нужно ограничить, и даже определить, каким видом спорта вам стоит заниматься

  • Найти своих близких и родных. Узнать много подробностей о своем роде

  • Благодаря открытию носителя наследственной информации у медицины появился шанс побороть наследственные заболевания, которые ранее казались неизлечимыми

  • Вполне возможно, что именно благодаря этому открытию человечество решит задачу многих тысячелетий и найдет эликсир бессмертия или таблетку от всех болезней.


Молекула ДНК


ДНК-определение, поиск ее места в уже систематизированном знании не так прост. По существу, к молекулам ДНК отнесли условно, для удобства. Молекула ДНК – это структура, превосходящая размером обычные молекулы. И она имеет уникальную спиральную структуру. В то время как физики и химики считают молекулами электрически нейтральные частицы, состоящие из одного и более атомов, связанных ковалентными связями. Либо же, по результатам международного съезда химиков 1860 года, молекулой считается наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.


Структура ДНК


У всех на слуху, что дезоксирибонуклеиновая кислота имеет двуспиральную структуру. В интернете, в фильмах, в рекламе – всюду можно встретить ее многократно увеличенное изображение. Но что ответить, если попросят объяснить подробнее. Это уже более сложный вопрос. Давайте разберемся лучше, из чего эта структура состоит:

  1. Нуклеотиды – базовые структурные элементы.

  2. Две цепочки генов, закрученные в спираль.

  3. Каждая цепочка состоит из нуклеотидов, которые кодируют определенный ген.

  4. Связывают две цепочки воедино водородные связи.


В цепочках нуклеотидов присутствуют и совсем не изученные структуры, которые, на первый взгляд, никак не участвуют в физиологических процессах. Эти довольно обширные участки называют мусорными.


Состав ДНК


Если говорить о составе ДНК более подробно, то нуклеотиды – это базовый структурный элемент, кирпичики, из которых состоят обе цепи спирали. Нуклеотиды подразделяются на 4 разновидности: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И всего четыре этих нуклеотида осуществляют запись всей наследственной информации и составляют все известные гены.


Закручиваются в спираль обе цепочки генов тоже не просто так. Из всех четырех различных нуклеотидов находиться напротив друг друга в разных цепочках они могут только двумя парами: аденин-тимин и гуанин-цитозин. В науке эти пары называются комплементарными.


Между парными нуклеотидами возникает крепкая водородная связь. При этом связь аденином и тимином немного слабее, чем между гуанином и цитозином. Но закручиваются цепочки в спираль по иным причинам:


  • Исследования показали, что скручивание помогает сократить длину цепочки генов в 5-6 раз. А во время суперспирализации (такое тоже бывает) длина цепочки может сократиться в целых 30 раз!


  • Помимо того, что пара цепочек генов закручена в спираль, существует и суперспирализация. За это явление отвечают гистоновые белки, которые имеют форму катушек для ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нитка. Что не оставляет сомнений в том, что спиральность как таковая специально служит тому, чтобы более компактно упаковать наследственную информацию в клетку.


    Роль в клетке


    Конечно, одна, даже большая двойная спираль не способна вместить в себя весь объем информации, необходимый для такого сложного проекта, как человеческое тело. Возможно, поэтому эти цепочки объединены в пары, что делает их похожими на букву «Х». Хромосомы, в свою очередь, тоже парные, и их у человека 46 пар.


    Помимо того, что хромосома содержит в себе подробную инструкцию по функционированию клетки, она же путем активации актуальных моменту генов провоцирует клетку вырабатывать определенные белки с самыми различными свойствами. Например, в борьбе с опухолями активно участвует ген старости, который старит ее недоброкачественные клетки и не дает им бесконечно делиться.


    Что такое нуклеотиды


    Нуклеотиды – это четыре элемента, которые являются основой биоязыка программирования цепи ДНК, так же, как ноль и единица являются основой ассемблера (первого из языков программирования). Уникальная последовательность нуклеотидов в одной из двух цепочек ДНК является геном. Если хотя бы немного изменить эту последовательность, то ген уже будет поврежден или разрушен.


    Синтез белка


    Синтез белков – это ключевое таинство всей физиологии человека. Именно белки запускают и контролируют все процессы в организме на клеточном уровне. Если полностью изучить, какие гены и группы генов в каких случаях запускают синтез белков и сами эти белки, то наука научится полностью настраивать и перенастраивать весь человеческий организм.


    На сегодняшний день нам известно, что, реагируя на различные раздражители, в двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты активируются гены или участки с генами. Информация с этих участков копируется на РНК (рибонуклеиновая кислота), и уже РНК переносит информацию из ядра клетки, в котором находятся хромосомы, в саму клетку. РНК выступает своего рода глашатаем, который читает указ всем работникам. Так РНК заставляет клетку вести себя тем либо иным образом и вырабатывать различные белки.


    Что такое РНК


    Если ДНК – это кабинет министров, которые всем управляют и принимают все решения, то РНК – это пресс-атташе. Она извещает всех о новых распоряжениях и указах и раздает инструкции на местах.


    РНК – это рибонуклеиновая кислота, которая может копировать формы различных участков дезоксирибонуклеиновой кислоты и транспортировать их из ядра клетки в ее внутриклеточное пространство.


    Расшифровка ДНК


    ДНК-расшифровка стала возможна только благодаря открытию полимеразной цепной реакции, и происходит она следующим образом:


    Проба, содержащая образцы дезоксирибонуклеиновой кислоты, быстро нагревается. Это необходимо, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две самостоятельные нити.


    •  К интересующему исследователей участку цепи генов прилепляется полимераза. Эта процедура происходит при немного более низких температурах.


    •  Полимераза активирует деление пойманного участка – так происходит синтез необходимых для изучения участков генов.


    •  Участки пропитываются специальной краской, которая светится при воздействии направленного пучка лазера. Так получают картину гена, которую можно изучать и расшифровывать.


    Таким образом, изучение ДНК стало доступным инструментом, который позволяет людям узнать о себе много нового и может помочь сохранить здоровье, избавиться от уже имеющихся заболеваний, похудеть, сохранить молодость и улучшить качество своей жизни!


    Как ученые расшифровывают геномы и зачем это нужно? Отвечаем в 9 карточках

    Как ученые расшифровывают геномы и зачем это нужно? Отвечаем в 9 карточках | SCAMT

    В последние годы ученые постоянно объявляют о расшифровке геномов тех или иных видов. ITMO.NEWS и ученый Международного научного центра SCAMT Алексей Комиссаров в карточках объясняют: что такое ДНК, как с ее помощью изучают историю животных и в чем отличие ДНК-теста от геномного исследования.

    Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS

     



     

    Каждый более или менее знает, что есть белки, жиры и углеводы. Но еще у нас в каждой клетке есть ДНК, дезоксирибонуклеиновые кислоты, которые отвечают за хранение информации. Для геномного биоинформатика ДНК ― это прежде всего один из главных языков биологии, который состоит всего лишь из четырех букв: A, T, G и C. Эти буквы являются сокращениями имен четырех азотистых оснований, из которых состоит ДНК: аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (Т). ДНК можно сравнить с компьютерной программой, очень сложной, запутанной, со множеством ошибок и костылей, но, тем не менее, она работает.

     



     

    ДНК содержится почти во всех клетках организма, исключение — эритроциты, которые в зрелом состоянии теряют ядро, чтобы было легче переносить кислород. Поэтому биологический материал для выделения ДНК может быть разнообразен. Процесс выделения ДНК состоит из четырех этапов: разрушение мембраны клеток для высвобождения ДНК; очистка от связанных с ДНК белков; очистка от разного рода примесей; растворение ДНК для хранения. ДНК можно выделить и в домашних условиях, но тогда ДНК будет не очень чистой и ее будет сложно использовать для каких-либо научных исследований. От качества этих процедур будет зависеть и полученная из нее информация. Поэтому необходима лабораторная точность работы специалистов, молекулярных биологов. Проще всего ДНК выделять из крови, потому что это легкий для получения биоматериал. Хотя в эритроцитах ДНК нет, в крови плавает огромное количество других клеток — белых кровяных телец, так что и ДНК из них получается много. Из слюны или кусочков эпителия во рту ― уже меньше, из волос ― еще меньше. Например, чтобы прочитать весь геном достаточно точно, необходима кровь, а не слюна. А для того, чтобы сделать какой-нибудь ДНК-тест, где точность не очень важна ― достаточно и слюны.

     



     

    ДНК — это название молекулы, которая хранит наследственную информацию. Геном ― это совокупность всей ДНК организма со всеми записанными в ней особенностями конкретного вида или даже индивида. Поэтому можно говорить о геноме человека вообще, а можно — о геноме конкретных Васи или Кати. На физическом уровне геном разделен на хромосомы, в случае человека — 23 пары хромосом, 23 от мамы, и 23 от папы, всего 46. Когда организм начинает расти после оплодотворения, в каждой клетке копируется этот набор, но иногда это происходит с небольшими ошибками. Это называется соматическими мутациями. Иногда эти ошибки могут быть весьма критическими и приводить к разным заболеваниям.

     



     

    Его никто не зашифровывал, но это слово хорошо передает ощущения от работы с геномными данными. Если продолжать аналогию с геномом как с очень сложной программой, можно сказать, что она не только очень сложная, но и очень плохо написана. И кроме собственно четырех букв A, C, G и Т, он содержит много дополнительных уровней кодирования информации, которые не обязательно будут наследоваться и могут меняться в процессе жизни организма. Это часто называют эпигеномом, который изучает эпигенетика. Вся эта неимоверная сложность и создает ощущение расшифровки. Помимо этого, злую шутку здесь сыграл не очень корректный перевод с английского, где использовали слово decoding и encoding, декодировали и закодировали. Код — это просто система условных обозначений, не предполагающая никакого секрета, никакой защиты от взлома. Любой человеческий язык — это код, система дорожных знаков — это код. Шифр — это код, намеренно защищенный от взлома. Но, конечно, в английских терминах меньше романтики, чем в слове расшифровали.

     



     

    Под ДНК-тестом часто имеют в виду анализ только некоторых небольших участков генома, вариации в которых имеют какой-то известный эффект. В геномных исследованиях ученые работают с гораздо большим количеством ДНК, в идеале со всей доступной информацией. Это называется полногеномными исследованиями. Но даже генетических тестов, направленных на выяснения значения только некоторых фрагментов генома, часто достаточно для того, чтобы проследить генетическую историю или оценить степень родства между двумя людьми. Это возможно, во-первых, благодаря тому, что у нас в геноме есть фрагменты, которые очень вариабельны и отличаются у разных людей, и, во-вторых, благодаря математике.

     



     

    Есть очень сложные математические алгоритмы, которые позволяют по генетическим данным найти наиболее вероятный сценария развития событий: когда происходили мутации отдельных фрагментов, которые привели к образованию того генома, который мы видим сейчас. Своего рода, математическая машина времени. Ученые ИТМО недавно опубликовали программу, направленную как раз на решение проблемы — как наиболее точно заглянуть в прошлое генома. Одним из самых захватывающих расширений этого подхода является добавление еще и географических точек. Тогда мы можем не только смоделировать, как происходили изменения в геноме, ни и посмотреть, как отдельные популяции с этими геномными вариациями перемещались из одной точки в другую.

     



     

    Мы стараемся получить модель, которая наиболее правдоподобно описывает сценарий развития событий в прошлом. Чтобы сделать модель более точной, одного образца часто недостаточно, и чем больше образцов у нас есть, тем более точной становится наша модель. У каждого из нас очень много редких генетических вариантов, бывают и варианты, которые присущи только нам. И если у нас есть уже несколько образов, то такие индивидуальные варианты ученые отфильтровывают именно затем, чтобы они не мешали анализу. Так как единицей эволюции является популяция, а не отдельный индивид.

     



     

    Хорошие модели обладают предсказательной способностью. Проверить проще всего новыми данными, которые не должны противоречить модели, но случается, что они противоречат, и тогда модель приходится пересчитывать. Сейчас мы наблюдаем очень красивую иллюстрацию мутаций, эволюции и вот этого всего на примере геномов коронавируса SARS-CoV-2. Настолько подробных данных об эволюции отдельного вида в реальном времени у человечества еще никогда не было. И появляется все больше данных и для остальных геномов. Со временем модели будут все лучше и лучше, а чем больше данных ― тем лучше модели.

     



     

    Кроме того, что это захватывающе любопытно, это имеет множество практических применений во всех сферах деятельности человека. Если продолжать рассуждать об исследовании истории предков, то есть математический аппарат для поиска так называемых событий бутылочного горлышка, когда размер популяции по каким-то причинам резко сократился. Поиск таких событий, своего рода, геномная археология, может дать нам подсказки, как таких событий избежать. Это важно особенно сейчас, когда многие виды животных бесследно исчезают с лица земли.

    (источник https://news. itmo.ru/ru/science/life_science/news/9915/ )

    Антропологи впервые смогли извлечь и расшифровать ядерную ДНК неандертальцев со дна пещеры


    16 апреля, 2021 12:10


    Источник:

    Пресс-служба РНФ


    Российские и зарубежные ученые впервые извлекли и расшифровали ядерную ДНК неандертальцев не из костей и зубов, а из грунта пещер, где древние люди обитали. То, что результаты такого подхода сопоставимы с получаемыми традиционным методом – крайне важный шаг для генетических исследований наших предков. Также коллективу, вероятно, удалось отследить момент, когда неандертальцы «классического» вида сменили своих предшественников 100 тысяч лет назад. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science.


    Поделиться


    Фотография с раскопок. Источник: Ксения Колобова


    Чагырская пещера. Источник: Ксения Колобова


    Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Источник: Ксения Колобова


    Процесс раскопок. Источник: Ксения Колобова


    Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Источник: Ксения Колобова


    3 / 4


    Фотография с раскопок. Источник: Ксения Колобова


    Чагырская пещера. Источник: Ксения Колобова


    Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Источник: Ксения Колобова


    Процесс раскопок. Источник: Ксения Колобова


    Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Источник: Ксения Колобова



    Исследование ДНК активно используется в изучении останков древних людей: именно расшифровка и анализ последовательности нуклеиновых кислот помогает специалистам понять, чей именно биологический материал они нашли, откуда человек, какими болезнями страдал и многое другое. Этим всем занимается довольно молодая и активно развивающаяся наука — палеогенетика.

    В основном ДНК получают из костей и зубов, но такие находки — большая редкость. Это связано с тем, что в палеолите не было устоявшихся погребальных обычаев и захоронения делали за пределами стоянок и, кроме того, многие древние люди просто не возвращались с охоты. В случае костей и зубов чаще приходится работать с генетическим материалом митохондрий — энергетических станций клеток. Хотя в них копий ДНК намного больше, чем в ядре, и меньше «бессмысленных» фрагментов, получаемая информация очень ограничена: митохондрии наследуются от матери, и в них зашифровано не так много генов.


    «Ядерная ДНК гораздо ценнее, но ее количество очень ограничено: даже имея фрагмент кости, не всегда удается извлечь достаточно материала. Однако мы с коллегами нашли решение этой проблемы. Во-первых, в качестве источника ядерной ДНК мы использовали артефакты с раскопок — камни, орудия труда — словом, все, что могло сохранить биологические следы древнего человека. Во-вторых, мы применили совершенно новый подход к обработке метагеномного материала, то есть всей ДНК с наших образцов. Поэтапно сравнивая расшифрованные последовательности нуклеиновых кислот с имеющимися в базе и концентрируясь на фрагментах, характерных только для человека, мы отделили материал неандертальцев от материала животных, таких как медведи, с которыми у нас очень много схожих генов. Важно знать, что ты изучаешь именно ДНК человека, а не какого-то неизвестного вида гиены», — рассказывает один из авторов работы Андрей Кривошапкин, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор исторических наук, директор Института археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук.


    Свой подход ученые применили к артефактам неандертальцев из трех пещер: Чагырской и Денисовской в Горном Алтае на юге Сибири и испанского грота в месте, называемом Атапуэрка. Сибирские стоянки оказались относительно богаты на кости древних людей, потому удалось сравнить результаты для ядерной ДНК из них и из отложений пещер. Как показал анализ, данные из двух этих источников согласуются между собой, а значит, даже не имея фрагментов скелета, действительно можно получать надежные результаты из осадков.

    Еще одна интересная особенность обнаружилась при построении своего рода генетических «генеалогий» на основании расшифрованных последовательной ДНК митохондрий (также выделенных с поверхности артефактов). Оказалось, что в испанской пещере жили две линии неандертальцев, разделившиеся примерно 100 тысяч лет назад. Одна популяция сменила другую, но непонятно, что послужило причиной — климат или некие морфологические изменения. Известно, что примерно 100 тысяч лет назад неандертальцы пришли к своему «классическому» внешнему виду с коренастым телосложением и очень выступающим вперед широким лицом. Переход происходил в несколько стадий, и, возможно, авторам удалось засечь последний этап.


    «Пока мы не можем делать конкретных выводов об эволюционных взаимоотношениях обитателей этих пещер — на это будут направлены новые работы. Чрезвычайно важно то, что мы доказали надежность нашего подхода. Изучение генетики и эволюции древних людей всегда осложнялось тем, что не хватало материала, откуда можно было бы извлечь ДНК. Найти артефакты гораздо проще, чем кости и зубы, а наша методика позволит сконцентрироваться на последовательностях нуклеиновых кислот именно человека, а не его животных соседей. Результаты этой работы знаменуют рассвет анализа ядерной ДНК из отложений стоянок. Несомненно, это поможет пролить свет на многие спорные и сложные вопросы эволюции человека», — подводит итог Андрей Кривошапкин.

    Теги

    Пресс-релизы

    ВПЕРВЫЕ ОГРОМНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ «ЧЕРТЕЖ» МНОГОКЛЕТОЧНОГО СУЩЕСТВА ПРОЧИТАН ПОЛНОСТЬЮ. НА ОЧЕРЕДИ — РАСШИФРОВКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

    Достижение века: после восьми лет работы многих
    исследовательских групп удалось точно
    определить 97 миллионов пар нуклеотидов и их
    местонахождение в спирали ДНК, хранящей полную
    наследственную информацию микроскопического
    червячка Сaenorhabditis elegans.

    Так выглядит при сильном увеличении героиня грандиозного эксперимента — нематода С. elegans. Ее истинная величина — 1мм.

    Просматриваются фрагменты расшифровки строения генома.

    Сотрудники Сенгеровского центра в Кембридже, принимавшие участие в расшифровке генома C. elegans.

    На рисунке показано строение C. elegans: 1 — так называемый желудочек, 2 — тонкий отдел кишечника, 3 — яичник, 4 — яйца.

    Машины, применявшиеся для секвенирования генома С. elegans.

    ‹

    ›

    Открыть в полном размере

    С самых древних времен люди задумывались над
    вопросом о том, как особенности живых организмов
    передаются их потомкам. Разрабатывались самые
    разные теории, иногда очень остроумные и не
    противоречащие многим фактам, но по-настоящему
    материальные основы наследственности начали
    проясняться лишь 45 лет назад, когда Дж. Уотсон и Ф.
    Крик расшифровали строение ДНК. Оказалось, что в
    этой скрученной двойным жгутом гигантской
    молекуле записаны все признаки организма.

    Каждая прядь молекулы ДНК представляет собой
    цепочку из четырех типов звеньев — нуклеотидов,
    повторяющихся в разном порядке. Нуклеотиды
    обычно считают парами, как сапоги или перчатки,
    потому что в молекуле ДНК две цепочки и их
    нуклеотиды соединены поперечными связями
    попарно. Четыре сорта нуклеотидов, четыре
    «буквы» позволяют записать генетический
    «текст», который прочитывается механизмом
    синтеза белка в живой клетке. Группа из трех
    стоящих подряд нуклеотидов, действуя через
    довольно сложный передаточный механизм,
    заставляет рибосому — внутриклеточную частичку,
    занимающуюся синтезом белков, — подхватывать из
    цитоплазмы определенную аминокислоту, следующие
    три нуклеотида через посредников «диктуют»
    рибосоме, какую аминокислоту ставить в цепочку
    белка на следующее место, и так постепенно
    получается молекула белка. А белки — не только
    основной строительный материал живого
    организма: многие из них — ферменты — управляют
    процессами в клетке. Так что информации,
    записанной в ДНК тройками пар нуклеотидов,
    достаточно для построения нового организма со
    всеми его особенностями.

    Еще задолго до открытия всех этих (и многих
    других) молекулярных тонкостей, изучая передачу
    наследственных признаков при скрещивании,
    биологи поняли, что каждый признак определяется
    отдельной частицей, которую назвали геном.
    Удалось понять, что гены лежат в ядре клетки, в
    хромосомах. А после открытия роли ДНК и механизма
    синтеза белков стало ясно, что ген — это участок
    цепочки ДНК, на котором записано строение
    молекулы определенного белка. В некоторых генах
    всего 800 пар нуклеотидов, в
    других — около миллиона. У человека около 80-90
    тысяч генов. Набор генов, присущий организму,
    называется его геномом.

    В последние годы зародилась новая отрасль
    генетики — геномика, изучающая не отдельные гены,
    а целые геномы. Достижения молекулярной биологии
    и генной инженерии дали человеку возможность
    читать генетические тексты — сначала вирусов,
    бактерий, дрожжевых грибков. А сейчас впервые
    удалось полностью прочитать геном
    многоклеточного животного — обитающего в почве
    микроскопического червячка длиной около
    миллиметра. В лабораториях мира полным ходом
    идет расшифровка генома человека. Эта
    международная программа была начата в 1989 году,
    тогда же благодаря инициативе и энергии
    выдающегося биолога, ныне покойного академика А.
    А. Баева, к программе подключилась и Россия. В
    феврале этого года в Черноголовке под Москвой
    прошла конференция «Геном человека-99»,
    посвященная десятилетию начала этих работ и
    памяти их инициатора, руководившего российской
    частью программы первые пять лет. Сейчас в разных
    странах мира, в лабораториях,
    разделивших между собой «фронт работ» (всего
    надо прочитать около трех миллиардов пар
    нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более
    миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все
    ускоряется.

    Об успехах и перспективах геномики
    рассказывает публикуемая статья.




    Как это было

    Биология, по всеобщему признанию, заняла
    доминирующее положение среди естественных наук
    во второй половине уходящего века. В конце 1998
    года эта точка зрения получила новое мощное
    подтверждение: завершена восьмилет няя работа по
    расшифровке строения генома (совокупности генов
    и межгенных участков) многоклеточного животного,
    круглого червя, нематоды, имеющего латинское
    название Caenorhabditis elegans.

    Хотя это очень маленький червь, скорее
    червячок, с него без всякого преувеличения
    начинается новая эра в биологии. Геном этой
    нематоды состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов
    ДНК, округленно 0,1 миллиарда пар. Геном человека,
    согласно большинству оценок, — 3 миллиарда
    нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно
    эта работа, о которой идет речь, окончательно
    убедила даже самых закоренелых скептиков, что
    расшифровка строения всего генома человека не
    только возможна, но и достижима в ближайшие годы.

    Расшифровка, или, как говорят биологи,
    секвенирование, генома C. elegans была осуществлена
    по совместному проекту двумя исследовательскими
    группами: из Центра геномного секвенирования
    Вашингтонского университета (США) и
    Сенгеровского центра (Кембридж, Англия). В
    журнале «Science» от 11 декабря 1998 года
    опубликована серия статей, подробно
    рассказывающая об этой поистине грандиозной
    работе. Число авторов этой работы столь велико,
    что журнал не опубликовал списка, отослав
    читателей к Internet, а авторов назвал просто
    «Консорциум секвенаторов C. elegans». Это,
    вероятно, первый случай в истории науки, когда
    открытие с самого начала и с согласия авторов как
    бы становится анонимным. Эту работу можно с
    полным правом считать знаковой, символизирующей
    «индустриальную» науку. Зримый символ
    современной науки, где огромные финансовые
    вложения, роботизация, автоматизация,
    менеджмент, дисциплина, координация играли
    определяющую роль, оттеснив на этом этапе роль
    интеллекта и творческой изобретательности
    отдельных участников проекта.

    Будет справедливым напомнить о том, кто первым
    обратил внимание на C. elegans как на объект
    исследования. В середине 1960-х годов Сидней
    Бреннер, выдающийся молекулярный генетик,
    внесший огромный вклад в изучение генетического
    кода, работал в знаменитой лаборатории
    молекулярной биологии в Кембридже в Англии (в ней
    трудились нобелевские лауреаты Ф. Крик, Дж.
    Кендрю, М. Перутц, А. Клуг и другие знаменитые
    исследователи). После работы над кодом С. Бреннер
    решил посвятить себя изучению нервной системы и
    путей ее возникновения и формирования. Он
    обратил внимание на малюсенького червя (C. elegans),
    состоящего всего из 959 клеток, из которых 302
    нейроны, нервные клетки. Замечательным свойством
    нематоды была ее прозрачность: можно следить за
    поведением и судьбой каждой отдельной клетки!
    Сидней Бреннер привлек в свою «нематодную»
    лабораторию талантливых молодых исследователей,
    сделавших немало важных открытий. Многие из них
    стали «мотором» проекта секвенирования,
    который был реализован в Сенгеровском центре.

    Естественно, расшифровать геном таких
    гигантских размеров, как у названной нематоды
    (напомню: 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК),
    невозможно без огромной подготовительной
    работы. Ее в основном завершили к 1989 году. Прежде
    всего была построена физическая карта всего
    генома нематоды. Физическая карта представляет
    собой небольшие участки ДНК известной структуры
    (маркеры), расположенные на определенных
    расстояниях один от другого.

    И вот с 1990 года началось само секвенирование.
    Его темп составлял в 1992 году 1 миллион пар
    нуклеотидов в год. Если бы такой темп сохранился,
    на расшифровку всего генома понадобилось бы
    почти 100 лет! Ускорить работы удалось простейшим
    способом — число исследователей в каждом центре
    возросло примерно до 100. Люди и аппараты работали
    круглосуточно, производительность каждой машины
    была увеличена за счет большего числа дорожек, на
    которых секвенировали фрагменты
    ДНК.

    По мере того, как раскрывалась нуклеотидная
    последовательность ДНК C. elegans, пришлось
    расстаться с двумя заблуждениями. Во-первых,
    оказалось, что генов у нее не 15 тысяч, как
    предполагали вначале, а 19099. Во-вторых, надежда на
    то, что гены сосредоточены в середине хромосом, а
    к концам сильно редеют, оправдалась лишь отчасти,
    гены распределены вдоль хромосом относительно
    равномерно, хотя в центральной части их все-таки
    больше.

    Если у дрожжей функция половины генов в геноме
    неизвестна (так называемые молчащие гены), то у
    червя эта доля еще больше: из 19 тысяч генов 12
    тысяч остаются пока загадочными.

    Два исследовательских центра, решившие
    гигантскую по сложности задачу, приобрели
    уникальный опыт — и в ходе получения самих
    результатов, и в ходе их осмысления, хранения и
    переработки. Поэтому неудивительно, что обе
    группы недавно заявили, что они готовы раскрыть
    структуру половины генома человека, то есть
    выполнить работу в 15 раз большую по объему, чем
    то, что было сделано на геноме червя. И это
    реально. Приведу такие цифры. Сейчас во всем мире
    в день расшифровывается более 1 миллиона пар
    нуклеотидов — столько, сколько за весь 1992 год.
    Скорость возросла в 365 раз!

    Значение секвенирования генома нематоды,
    конечно, выходит далеко за рамки того, что можно
    назвать полигоном для расшифровки генома
    человека. C. elegans — первый многоклеточный организм,
    геном которого раскрыт практически полностью.
    Можно напомнить: два года назад был расшифрован
    первый геном эукариотического организма -
    дрожжей, то есть организма, клетки которого
    содержат оформленные ядра. (К эукариотам
    относятся все высшие животные и растения, а также
    одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы
    и простейшие. Дрожжи, согласно биологической
    систематике, относятся к одноклеточным грибам.)
    Иначе говоря, за два года был пройден путь от
    генома одноклеточного до генома многоклеточного
    организма. Биологи знают, это гигантская
    дистанция на лестнице эволюции и, следовательно,
    на пути усложнения геномов. Поразительно, как невероятно быстро пройден этот
    путь!

    Сравнивая теперь геномы бактерий (известно уже
    более 20 геномов) с геномами дрожжей и нематоды,
    биологи-эволюционисты имеют уникальную
    возможность сравнивать не отдельные гены и даже
    не генные ансамбли, а целиком геномы — такой
    возможности в биологии еще десять лет назад
    просто не существовало, об этом только мечтали. В
    ближайшие месяцы, когда полученные огромные
    объемы информации начнут осваивать и
    осмысливать, следует ждать появления
    принципиально новых концепций в теории биологической эволюции.

    Новые данные и перспективы
    биологии

    Каковы же ближайшие перспективы, открывающиеся
    сейчас в биологии? Вот самые очевидные. У
    человека только в пять раз больше генов, чем у
    нематоды. Следовательно, по крайней мере около 20%
    генома человека должно иметь родственников
    среди известных теперь генов C. elegans. Это в
    громадной степени облегчает поиск новых генов
    человека. Функции еще не известных генов
    нематоды изучать несравненно легче, чем
    аналогичные гены у человека. Гены червя можно
    легко изменить (мутировать), одновременно следя
    за изменениями структуры гена и свойств
    организма. Таким путем можно выявлять
    биологическую роль генных продуктов (то есть
    белков) у червя, а затем экстраполировать эти
    данные на другие организмы, в первую очередь на
    человека. А можно угнетать активность генов
    (например, с помощью особых молекул
    специфических РНК) и следить, как меняется
    поведение организма. Этот путь тоже раскрывает
    функции неизвестных генов и, разумеется,
    сильнейшим образом повлияет на изучение генома
    человека и других высших организмов.

    Биологов всегда интригует вопрос: как
    регулируется работа генов? Хотя мы знаем об этом
    очень много, наши знания получены в основном на
    отдельных генах, а потому не дают цельной картины
    регуляции работы всего генома как единого
    целого. Сейчас бурно развивается техника так
    называемых биочипов (по аналогии с микрочипами в
    кибернетике). Это маленькие пластинки, на которые
    с помощью прецизионных приборов в тысячи точек,
    на строго фиксированных расстояниях одна от
    другой, наносят микроскопические количества
    фрагментов ДНК.

    Такой микрочип может, например, содержать все
    19000 генов нематоды — по одному гену в каждой точке,
    и его можно использовать для того, чтобы
    определить, какие гены работают в данной клетке
    червя, а какие молчат. Разумеется, здесь возможно
    использовать клетки на любой стадии развития и
    из любой части тела червя. В результате
    исследователь получит информацию о
    функциональном состоянии всех генов любой
    клетки на любой стадии развития червя. Опыты уже
    начаты, есть все основания не сомневаться, что
    еще в текущем году мы узнаем о первых
    результатах. Это будет действительно
    революционным прорывом для биологии развития.
    Помимо совершенной микротехники эти опыты
    требуют и совершенных компьютерных программ,
    чтобы полученные фактические данные можно было
    осмыслить и интерпретировать.

    Методика биочипов открывает новую стратегию в
    решении одной из сложнейших в биологии проблем -
    проблемы взаимосвязи сигнальных регуляторных
    путей. Основная трудность заключается в том, что
    взаимодействие белковых продуктов многих генов
    происходит одновременно, причем комбинации
    белков меняются не только во времени, но и в
    клеточном пространстве. В результате изучение
    отдельных генов и их продуктов (что в основном
    делалось до сих пор) нередко было неэффективным.

    Каково соотношение областей в геноме C. elegans,
    кодирующих синтез белков (экзоны) и не кодирующих
    (интроны)? Компьютерный анализ показывает, что
    экзоны и интроны занимают в геноме нематоды
    примерно равные доли (27 и 26%), остальное (47%)
    приходится на повторы, на межгенные участки и т.
    д., то есть на ДНК с неизвестными науке функциями.

    Если сравнить по этим данным дрожжевой геном и
    геном человека, то станет очевидным, что в ходе
    эволюции доля кодирующих участков в расчете на
    весь геном резко уменьшается: у дрожжей она очень
    высока, а у человека очень мала. Об этом знали
    сравнительно давно, но сейчас названные
    соотношения приобрели не только количественную
    меру, но и структурную основу. Мы приходим, на
    первый взгляд, к достаточно парадоксальному
    выводу. Эволюция у эукариот от низших форм к
    высшим сопряжена с «разбавлением» генома -
    на единицу длины ДНК приходится все меньше
    информации о структуре белков и РНК и все больше
    информации «ни о чем», то есть для нас
    непонятной, непрочитанной.

    Это одна из больших загадок биологической
    эволюции. По поводу «лишней» ДНК существуют
    самые разные предположения, зачастую прямо
    противоположные по смыслу. Много лет назад Ф.
    Крик, один из отцов двойной спирали ДНК, назвал
    эту «лишнюю» ДНК «эгоистической», или
    «мусорной». Он считал ее издержкой эволюции,
    накапливающейся в геноме в результате неполного
    совершенства генетических процессов,
    «балластом», платой за совершенство
    остальной части генома. Возможно, что некоторая
    небольшая «эгоистическая» доля в ДНК
    человека и других высших организмов
    действительно относится к такому типу. Однако
    теперь стало ясно, что основная доля
    «эгоистической» ДНК сохраняется в эволюции
    и даже увеличивается, потому что она дает ее
    обладателям эволюционные преимущества.

    Классическим примером «эгоистической» ДНК
    служат так называемые короткие повторы участков
    ДНК (Alu-элементы, альфа-сателлитные ДНК и другие).
    Как выяснилось в последние годы, их структура
    абсолютно консервативна, то есть мутации,
    нарушающие «правила», установленные
    природой для этих элементов, не сохраняются, они
    «отбрасываются» отбором. Структурное
    постоянство — мощный аргумент в пользу идеи о том,
    что такие участки являются отнюдь не
    «эгоистическими», а это очень важная часть
    ДНК для жизни вида. Другое дело, что мы еще не
    знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая
    роль.

    Геномика человека и будущее
    человечества

    Сегодня почти каждый день широкая пресса США и
    западноевропейских стран сообщает о все новых и
    новых генах человека и об их функциях или связи с
    теми или иными заболеваниями. В 1998 году
    правительство США истратило на проект по
    изучению генома человека 300 миллионов долларов, а
    частные компании, прежде всего
    биотехнологические, — даже больше этой суммы. По
    крайней мере 20 самых развитых стран мира имеют
    свои национальные программы по изучению генома
    человека.

    Сейчас геномная программа уже доказала свое
    выдающееся значение для развития наших знаний о
    жизни в целом. Интересно вспомнить, как эти идеи
    были встречены в момент их первоначального
    обсуждения и создания программы. Научное
    сообщество тогда разделилось на две части: одна
    встретила идею геномной программы с энтузиазмом,
    тогда как другая — со скепсисом, недоверием и
    подозрительностью. Среди
    этой второй группы были и выдающиеся ученые,
    например, лауреат Нобелевской премии Дэвид
    Балтимор, один из отцов обратной транскрипции.
    Основное возражение противников: создание
    геномной программы направлено на то, чтобы привлечь большие финансовые средства (и
    тем самым отобрать их у других направлений
    биологии), а не получить новые знания.

    Истекшие 10 лет показали, что новый уровень
    понимания биологических проблем, сложившийся
    благодаря результатам геномных исследований,
    уже сейчас с лихвой оправдал все организационные
    усилия и финансовые вложения. Более того, стало
    ясно, что добытая информация не могла быть
    получена простой поддержкой сотен отдельных
    исследовательских групп, даже высококвали
    фицированных и хорошо оснащенных. Но вместе с тем
    теперь мы понимаем, что 10 лет назад трудно было
    оценить глубину и широту влияния геномики
    (области биологии, изучающей геномы) человека на
    биологию в целом.

    Один из сильных аргументов против геномной
    программы состоял также в том, что
    «индустриализация» биологии приведет к
    утрате ее творческого потенциала, исчезновению
    «малой» биологии — небольших
    исследовательских групп, возглавляемых
    талантливыми, оригинально мыслящими
    исследователями, которые не захотят пойти
    работать на «фабрики секвенирования ДНК».
    Среди ученых, придерживавшихся таких взглядов,
    был, например, и Брюс Олбертс, нынешний президент
    Национальной академии США.

    Безусловно справедливо, что одно из основных
    звеньев геномной программы — секвенирование,
    которое в столь гигантском масштабе достижимо
    только индустриальными методами. Однако само
    достижение этой фазы требовало больших
    интеллектуальных усилий, новой приборной базы,
    новых методов, новых инструментов исследования.
    Здесь требовалось творческое усилие отдельных
    ученых. И это творческое начало как необходимый
    компонент индустриализации было недооценен о
    скептиками.

    Разработанные в геномике человека идеи и
    методы имеют универсальное значение и применимы
    для решения огромного круга биологических
    проблем, далеко отстоящих от собственно генома
    человека. Напомним только о некоторых из них.

    Для картирования генома (обязательная стадия
    исследований, предшествующая секвенированию)
    разработаны высокоэффективные техники, такие,
    как радиационные гибриды (коллекции клеток, в
    которых удалены разные небольшие фрагменты
    каждой из хромосом), или искусственные дрожжевые
    хромосомы, содержащие огромные фрагменты
    хромосом человека, бактериальные и фаговые
    векторы, позволяющие размножить (клонировать)
    фрагменты ДНК человека…
    Новые техники в совокупности позволили
    построить детальную карту генома человека,
    которая к концу 1998 года содержала более 30 тысяч
    маркеров, создававших детальную карту генома.

    Быстро прогрессировала техника секвенирования
    (например, многоканальный капиллярный
    электрофорез резко ускорил и удешевил
    расшифровку первичной структуры ДНК), созданы
    компьютерные программы, позволяющие находить
    гены в расшифрованных участках ДНК.

    Важно подчеркнуть, что вся эта приборная база и
    методология в полной мере может применяться к
    любым геномам, от бактерий до
    сельскохозяйственных животных и растений.

    Пожалуй, от развития геномики человека в
    настоящее время выиграла больше всего
    микробиология, поскольку уже расшифровано более
    20 полных геномов, в том числе возбудителей многих
    опасных болезней (туберкулеза, сыпного тифа, язвы
    желудка и других). Можно с уверенностью
    утверждать, что без геномного проекта эти данные
    были бы получены гораздо позже и, вероятно, в
    гораздо меньшем объеме. Знание геномной
    структуры патогенных бактерий очень важно для
    создания вакцин (причем рационально
    сконструированных), для диагностики и других
    медицинских целей. Велико влияние геномики и на
    медицинскую генетику, которая занимается
    генодиагностикой наследственных болезней,
    генетическими основами предрасположенности ко
    многим распространенным болезням.

    Частные компании, кредитовавшие проект,
    получили тысячи патентов на новые гены,
    фрагменты ДНК, новые методики и

    т. д. Это имеет как бы двойной эффект. С одной
    стороны, геномика получает мощный
    дополнительный импульс к развитию, а с другой -
    коммерциализация геномики ведет к тому, что
    многое из полученной информации фирмы
    засекречивают, особенно по геномике
    микроорганизмов, заставляя и некоторых ученых
    поступать аналогичным образом.

    Геномные методы идентификации личности,
    разработанные и практически реализованные в
    геномике человека, имеют далеко идущие
    последствия для общества. Действительно,
    криминалистика получила в свое распоряжение
    абсолютно надежный метод доказательства
    виновности или невиновности человека. Для такого
    геномного анализа (его часто называют геномной
    дактилоскопией) достаточно одной капли крови,
    одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы,
    слюны, перхоти и т. д. Сегодня в мире тысячи людей
    осуждены или оправданы только на основании
    геномного анализа. Идентификация родственных
    связей людей решает сейчас проблемы отцовства и
    материнства, проблемы наследования прав и
    имущества между родственниками и неродственни
    ками, если эти вопросы возникают.

    Огромный интерес вызывает вторжение геномики в
    историю человечества, этнографию, лингвистику и
    другие области гуманитарного знания. В эту
    орбиту уже вовлечены и такие биологические
    науки, как антропология и палеонтология, теория
    эволюции. Многие спорные вопросы истории
    цивилизаций в древние времена будут, скорее
    всего, решены не историками, а геномоведами.
    Например, уже сейчас ясно (хотя эти работы
    начались совсем недавно), что происхождение и
    миграцию многих народов в мире (и, конечно, в том
    числе в России) легче всего будет проследить по геномным маркерам, которые дают
    количественную и однозначную информацию.

    Программа «Геном человека», как уже
    говорилось, — программа общечеловеческая. Каждая
    лаборатория, в какой бы стране она ни находилась,
    вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то
    удается раскрыть структуру нового гена, эта
    информация немедленно поступает в Международный
    банк данных, доступный каждому исследователю.
    Без преувеличения надо сказать, что развитие
    информатики играет поистине огромную роль в
    успехе мировой геномной программы.

    В России по этой программе работают около 100
    исследовательских групп. Есть оригинальные
    работы, получившие международное признание
    (только в прошлом году участники программы
    опубликовали более 70 статей в международных
    журналах). Первые пять лет главным в программе
    было картирование, иначе говоря — расстановка
    «опознавательных значков», попытка понять:
    где, в какой части хромосомы ученые находятся -
    подобно тому, как географы прошлого составляли
    первые карты Земли.

    Теперь акцент сместился, и исследователи
    пытаются уже определить функции отдельных генов.
    Это переход от «индустриальной науки»,
    требующей прежде всего оборудования, к науке
    интеллектуальной. И на этом этапе мы надеемся
    преуспеть. «Массовое производство» было нам
    недоступно прежде всего из-за недостатка
    финансирования, а кроме того — русские ученые
    никогда не любили механическую работу.

    ***

    Оглядываясь на 10 лет назад, можно увидеть, что
    значение геномики было недооценено, а ее влияние
    оказалось гораздо шире и глубже, чем ожидалось.
    Ясно также, что создание геномного проекта было
    огромным достижением для биологов всего мира,
    так как впервые поставило биологию в ряд тех
    наук, которые способны реализовать глобальные
    проекты с огромным не только общенаучным, но и
    практическим выходом. Сравнивая геномный проект
    с проектом освоения космического пространства
    (программа полетов к Луне и Марсу, программа
    околоземных станций), видно, что биологическая
    программа, будучи во много раз дешевле, по своему
    влиянию на жизнь людей не только
    не уступает, но и в конечном итоге, безусловно,
    превзойдет достижения космических программ,
    поскольку окажет влияние в XXI веке почти на
    каждого жителя Земли.

    Страница обучения — SelfDecode

    Страница обучения — SelfDecode

    SelfDecode Learn

    Помочь вам понять науку, лежащую в основе персонализированного здоровья.