Содержание
о чем рассказали ученым новые исследования ДНК человека
Ученые впервые расшифровали полный геном человека. Какую практическую пользу это принесет, в эфире «МИР 24» рассказал соснователь медико-генетического центра «Генотек» Артем Елмуратов.
— О завершении работы по полной расшифровке генома группа ученых сообщила в журнале Science, это авторитетная площадка. С научной точки зрения, на Ваш взгляд, как специалиста, насколько значимым получилось событие?
Артем Елмуратов: Во-первых, можно сказать, что возникает некое дежавю у всех ученых, потому что о расшифровке полного генома человека заявили уже 20 лет назад – в 2001 году, потом в 2003 году. И теперь вновь. На самом деле, все эти новости корректные, просто в них есть небольшие технические нюансы. Но в любом случае это новость важная и серьезная. На мой взгляд, она не такая важная, как изначальное, первичное прочтение генома человека, которые было 20 лет назад. Но это очень важное дополнение к тому, что уже было совершено.
— Технические подробности я и хочу уточнить. Потому что в начале двухтысячных годов эти два сообщения, что мы прочитали, а теперь уже точно прочитали… И потом уже выяснилось, что прочитали тогда 92%, а оставшиеся 8% назвали «мусорной частью ДНК». Но эту мусорную часть расшифровывали в итоге 20 лет и, я так понимаю, результаты показали, что это совсем не мусорная часть?
Артем Елмуратов: Мне, честно говоря, никогда не нравился термин «мусорная ДНК», потому что он мне кажется довольно агрессивным, немножко таким оскорбительным. Его можно было бы применять в случае, если бы мы достоверно знали, что эти участки генома ни на что не влияют. Но ситуация была другая. Мы не знали, на что они влияют, и на самом деле до сих пор не всегда знаем, на что они влияют. И называть то, что мало изучено, мусором, это неправильно, на мой субъективный взгляд.
И, действительно, сейчас получилось посмотреть все участки, которые довольно тяжело было посмотреть, и предварительно понятно, что они далеко не все бессмысленны, нельзя их называть мусором.
То есть здесь можно аналогию применить, что есть некая территория большая, там холмы, там дороги какие-то, болото и так далее. И нужно построить карту местности. И вот были инструменты, которые позволили в целом построить карту местности, но не позволяли глубоко зайти в болото, не позволили глубоко зайти в пещеры, подняться на самый высокий пик и так далее. И вот из того, что в эти самые труднодоступные места не получалось дойти, сказали, что это что-то неважное. Территорию описать в принципе смогли, карта очень хорошая и работающая была в последние двадцать лет. Но сейчас получилось зайти в различные труднодоступные места, где по большей части действительно болотная местность, не полезная, но местами там могут быть какие-то интересные открытия.
— С точки зрения не специалиста, я, например, в генетике даже не поверхностно, знаю в основном то, что есть в открытых источниках. Что удалось найти значимого в этих оставшихся 8%?
Артем Елмуратов: Смотрите, пока мы не можем полностью оценить, здесь есть несколько нюансов.
Во-первых, это весьма специфическое исследование было, по одной конкретной клеточной культуре. Следующий шаг – это посмотреть эти же участки у большого количества людей и сравнить их между собой. Действительно, впервые прочитали, что в целом что-то там есть. Понятно теперь, что именно там есть.
Но генетику же что интересно? Понимать, почему у одного человека такой участок в геноме, а у другого человека этот участок отличается. И как это связано, как это влияет на болезни, на внешние фенотипы, внешние проявления, на умственные способности и так далее. Вот пока этого сравнения мы сделать не можем. Потому что впервые только прочитали вот эти потайные участки. И я думаю, что в ближайшее время мы поймем, что там действительно важное, а что оказалось просто какой-то структурной, технической вещью.
— Вообще когда ученые говорили о том, что они сделали, а они изучили 3,055 миллиардов пар оснований генома человека, это в голове сложно укладывается, как это можно представить?
Артем Елмуратов: Это, действительно может, скажем так, взорвать мозг.
Можно на секунду представить, что это миллиарды буковок, которые находится внутри каждой клетки человека. А внутри каждой клетки человека есть ядро, которое совсем маленькое. Внутри этого ядра хромосомы упакованы в так называемые нуклеотиды, вот эти основания. И эти основания бывают четырех типов, их можно обозначить буквами A, B, C, D. И вот они идут друг за дружкой, эти три миллиарда букв. Такой генетический текст, упакованный в каждую клеточку человека. Эти буквы, в зависимости от того, в какой последовательности они у нас организме идут, переводятся при помощи определенного кода в белки, то есть те молекулы, которые в нашем организме влияют на его работу. И если представить себе это в виде текста, это действительно огромный текст. Я как-то пытался посчитать, это тысячи копий романа «Война и мир». Это огромный текст, который просто нельзя взять и глазами прочитать и изучить. Это возможно только методами компьютерными, вычислительными, методами биоинформатики изучать, смотреть, сравнивать и во всем этом копаться.
— Когда говорят о результатах, что удалось выяснить, то, по мнению ученых, секвенирование полного генома открывает новые перспективы в исследовании болезней. Которые, цитата, связаны с гетерохроматическим геномом. О чем здесь речь?
Артем Елмуратов: Речь идет об участках хромосомы. Мы все представляем ее обычно толстой такой линией, но там все более сложно, частицы внутри плотно упакованы, иначе они не помещались бы. Если хромосому растянуть, она будет длиной в два метра. Берем линию в два метра и упаковываем ее.
— Простите, это в ядре одной клетки эта линия в два метра?
Артем Елмуратов: Да. Вот почему она помещается в невидимое ядро в каждой клетке человека? Потому что она очень-очень-очень плотно упакована, многослойно. Вот и, соответственно, есть участки, которые фактически редко участвуют непосредственно в переводе в белки, и они так плотно упакованы. И для того, чтобы их изучать, использовали сейчас особые технологии так называемых длинных прочтений.
До этого использовались технологии коротких прочтений. Сейчас не буду грузить техническими нюансами. Но проект генома человека, который был 20 лет назад, завершен методом коротких чтений. А сейчас появилось новое поколение технологий, которые позволяют читать длиннее. Как если у вас есть некая оперативная память и вы можете взять книгу, прочитать строчку и остановиться, потом следующую строчку и тоже остановиться. Вот сейчас появились технологии, которые позволяют начать читать и держать в памяти целую страницу или несколько страниц, а потом остановиться и понять, что вы прочитали. Вот эти технологии оказались критичными для того, чтобы прочитать эти участки генома из-за особенности их структуры.
— Я так понимаю, это позволяет подходить, например, к тому, чтобы ту же онкологию лечить, подбирать способы лечения персонально в каждом случае, в зависимости от того, что в геноме у человека находится?
Артем Елмуратов: Да, в целом расшифровка генома помогает подобрать терапию при лечении онкологических заболеваний.
В частности, именно такие длинные прочтения могут быть особенно полезны. При онкологических заболеваниях могут быть довольно сложные мутации, которые этими короткими прочтениями не всегда можно прочитать.
— Сделано третье заявление о том, что полностью прочитали геном человека. Но, исходя из того, что сейчас я услышал, я могу сделать вывод, что мы опять находимся в самом начале пути. Что мы еще только первую страницу перевернули, а там впереди, как Вы говорите, несколько тысяч копий «Войны и мира».
Артем Елмуратов: Я бы сказал, что не первую. Думаю, уже много страниц перевернули, но много и впереди. Точно предстоит подобными методами расшифровать много-много геномов. Опять же, надо понимать, что сейчас расшифровали очень специфический геном особой клеточной культуры. Да, это человеческий геном, но есть еще много-много других человеческих геномов, которые могут в определенных участках сильно отличаться.
Это очень интересно. Вот как мы пользуемся телефонами или любыми приложениями, у приложения есть определенная версия и определенный патч.
— Да, есть изначальная версия, а дальше модификации.
Артем Елмуратов: Да, вот так же с человеческим геномом. Например, геном версии 38 патч 1.9. И человеческий геном, с которым все ученые сравнивают свои исследования, все время апдейтится и все время его версия обновляется.
Генетика синдромов, ассоциированных с мутацией гена FMR1
Геном человека — вся совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Хромосома представляет собой молекулу ДНК – макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.
Информация, содержащаяся в ДНК, определяет то, какими свойствами будет обладать организм. Например, многие наши внешние особенности, такие как цвет глаз, кожи и волос, «записаны» в нашем геноме.
Как это происходит? Дело в том, что большую роль в развитии и функционировании нашего организма играют белки.
Это молекулы, которые представляют собой цепочки аминокислот, соединенных вместе пептидной связью. Комбинации 20 стандартных аминокислот позволяют создать большое разнообразие белков, обладающих разными свойствами. Именно эти свойства определяют то, как будет строиться и функционировать наш организм.
Ген – это участок ДНК, кодирующий определенный белок. При мутации (изменении) гена возникает изменение структуры или количества белка, которое в свою очередь приводит к изменениям на уровне отдельной ткани, органа и целого организма.
Каждый ген содержит «схему» строения белка. Эта информация содержится в так называемой структурной части гена (на схеме обозначена зеленым). Но помимо этого ген несет и указания на то, как и когда следует начинать и заканчивать изготовление данного белка. Эта информация образует регуляторную часть гена (на схеме отмечена синим цветом).
Так, перед структурной частью гена находится промотор, который влияет на то, будет ли в клетке создаваться данный белок.
Это позволяет клеткам производить именно те белки, которые необходимы им сейчас, и останавливать синтез ненужных в данный момент или данной клетке белков. После структурной части расположен терминатор транскрипции, дающий сигнал о завершении транскрипции гена.
Среди 23 пар хромосом человека выделяют одну пару половых хромосом (остальные 22 пары хромосом называют аутосомами). Женский организм обычно имеет в своих клетках две половые хромосомы Х (ХХ), мужской – хромосомы Х и У (ХУ). Девочка наследует по одной хромосоме Х от обоих родителей, таким образом, ее набор половых хромосом – ХХ, где одна хромосома Х унаследована от матери, а вторая – от отца. Мальчик наследует от матери хромосому Х, а от отца – хромосому У.
Организм, в клетках которого содержится две хромосомы Х, производил бы вдвое больше белков, гены которых лежат в этих хромосомах, что могло бы приводить к серьезным аномалиям. Для того чтобы этого не происходило, существует процесс Х-инактивации.
Это значит, что в каждой клетке женского организма одна из Х-хромосом остается активной, другая же инактивируется и не служит для производства белков. Обычно выбор хромосомы, которая будет инактивирована, случаен. Таким образом, примерно в половине клеток организма инактивируется одна хромосома X, например, материнского происхождения, а в другой половине – другая, отцовского происхождения. Это случай равной Х-инактивации.
Часто при генетических мутациях в хромосоме Х наблюдается неравная Х-инактивация. В таком случае тяжесть заболевания может определяться степенью смещения от равной инактивации хромосомы Х, в которой имеется мутация. Если таких активных хромосом с мутацией меньше 20%, то заболевание будет протекать легче, если их больше 80% — тяжелее.
В организме, содержащем только одну хромосому Х, такой инактивации не происходит.
FMR1 (fragile X mental retardation 1) – ген, кодирующий белок fragile X mental retardation protein (FMRP).
Этот белок является важным для нормативного когнитивного развития, а так же женской репродуктивной функции. Ген FMR1 расположен на длинном плече хромосомы Х (одна из половых хромосом).
В промоторе гена FMR1 находится некоторое число тринуклеотидных повторов CGG (цитозин-гуанин-гуанин). У здоровых людей число этих повторов варьирует от 7 до 60. При возрастании числа повторов от 60 до 200 возникает состояние премутации FraXA, а количество повторов более 200 приводит к полной мутации.
Количество повторов CGG увеличивается в процессе образования половых клеток у женщин (но не у мужчин). Таким образом, женщина, имеющая премутацию по данному гену, может передать своему ребенку полную мутацию.
Полная мутация
Большое количество повторов CGG (более 200) сопровождается аномальным метилированием (присоединением метильных групп СН3) промотора данного гена, что приводит к невозможности синтеза соответствующего белка FMRP.
Это состояние приводит к синдрому умственной отсталости, сцепленной с ломкой хромосомой Х (синдром Мартина-Белл).
Проявления данного синдрома обычно являются более тяжелыми у мальчиков. Организм, в клетках которого содержится только одна хромосома Х, не может производить белок FMRP, что и приводит к появлению соответствующих симптомов.
У девочек проявления могут варьироваться в зависимости от процесса Х-инактивации.
Премутация
Наличие в промоторе гена FMR1 количества повторов от 60 до 200 характеризуется состоянием премутации, которое может проявляться в виде синдромов FXPOI (fragile X-associated primary ovarian insufficiency) и FXTAS(fragile X tremor/ataxia).
Ссылки:
Синдромальные формы аутизма
Наследование
Диагностика
Синдром Мартина-Белл
Синдромы премутации гена FMR1
Факты и информация о ДНК
Иллюстрация Райана Россотто, Коллекция изображений Nat Geo
Пожалуйста, соблюдайте авторские права.
Несанкционированное использование запрещено.
Посмотрите внимательно на того, кого вы любите. Обратите внимание на изгиб ее улыбки и особенные морщины на лбу, когда она смеется. В следующий раз, когда будете держаться за руки, обратите внимание на форму ее пальцев.
Не ступая в модную научную лабораторию, вы можете увидеть хитросплетения ДНК человека.
Химия с изюминкой
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, — это молекула, присутствующая внутри каждой клетки почти каждого живого существа. Он помогает клеткам производить белки, необходимые им для выживания, и облегчает размножение. Цепь ДНК, которая в тысячи раз тоньше одного волоса на вашей голове, состоит из трех химических строительных блоков: сахарной группы, фосфатной группы и одного из четырех азотсодержащих оснований.
В 1953 году ученые предположили, что ДНК имеет структуру двойной спирали, в которой химические основания — аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т) — расположены парами между двумя переплетающимися участками.
сахара и фосфатов. Представьте себе лестницу, которая закручивается, как штопор, где сахар и фосфат действуют как боковые поручни, а пары оснований — как перекладины.
Порядок или последовательность этих пар оснований имеет решающее значение, поскольку определяет генетический код, дающий начало определенным формам жизни, от человека до хомяка и гибискуса.
ДНК человека состоит примерно из трех миллиардов оснований, и 99 процентов из них одинаковы у всех людей. Эти основы образуют схему, порождающую общие черты, характерные для нашего вида. Оставшийся один процент отвечает за бесчисленные черты, такие как цвет глаз, оттенок кожи и форма тела, которые делают каждого человека уникальным.
Где находится ДНК в организме?
ДНК существует внутри ядра каждой из клеток организма. Его части тесно связаны в пакеты, известные как хромосомы. У большинства людей 23 пары хромосом, всего 46 пар. Из этих пар 22 одинаковы у всех, а одна пара — пара X и Y, называемая половыми хромосомами, — дает начало мужским и женским признакам.
Каждая хромосома содержит множество генов, представляющих собой участки ДНК, которые сообщают клеткам, как именно строить множество белков, необходимых для создания и поддержания формы жизни. Гены составляют основные единицы наследственности.
Передайте
Поскольку ДНК человека должна быть абсолютно одинаковой во всех клетках тела, ДНК обладает удивительной способностью создавать копии самой себя. Именно так он хранит генетическую информацию и гарантирует, что при делении клетки новые клетки будут содержать точные копии ДНК исходной клетки.
ДНК, которую часто называют наследственным материалом тела, передается от родителей потомству во время размножения. У каждого человека есть две копии каждого гена — одна унаследованная от матери и одна от отца. Наследственные признаки выражаются через гены, поэтому у сына может быть «такой же» нос, как у отца, или почему братья и сестры могут иметь определенное сходство друг с другом.
Когда происходят изменения
Однако, как и все в природе, ДНК несовершенна, и при копировании могут возникать ошибки.
ДНК также чувствительна к факторам окружающей среды, таким как сигаретный дым и ультрафиолетовое излучение. Изменения в последовательности ДНК в наших генах называются мутациями, и они могут быть либо унаследованы, либо приобретены.
Небольшой процент генетических мутаций может привести к серьезным проблемам со здоровьем — категории заболеваний, называемых генетическими нарушениями. Примерами наследственных генетических заболеваний являются муковисцидоз и серповидно-клеточная анемия. Рак может возникнуть в результате генетических мутаций, которые были унаследованы или приобретены в результате воздействия вредных факторов окружающей среды. Генетические мутации, возникающие в развивающемся эмбрионе, иногда могут приводить к выкидышу или таким состояниям, как трисомия 21, также известная как синдром Дауна.
Хорошая новость заключается в том, что клетки часто могут исправить генетическую мутацию до того, как она станет постоянной. И даже если это так, подавляющее большинство мутаций вообще не представляют опасности для здоровья.
Источники
Национальные институты здравоохранения: Домашняя страница генетики Справочник
Национальный институт исследования генома человека: ДНК
Современный генетический анализ. Гриффитс А.Дж.Ф., Гелбарт В.М., Миллер Дж.Х. и др.
Клетка: молекулярный подход. 2-е издание. Купер ГМ
Читать дальше
Этот древний сорт винограда может стать будущим вина
- Окружающая среда
Этот древний сорт винограда может стать будущим вина очень старый — и очень адаптированный к климату — сорт. Результаты вкусные.
Что такое NFT и как они работают?
- Наука
Что такое NFT и как они работают?
От их воздействия на окружающую среду до того, как мошенники наживаются, вот что вам следует знать о невзаимозаменяемых токенах.
5 способов сделать путешествия более значимыми в 2023 году
- Путешествия
5 способов сделать путешествия более значимыми в 2023 году
Откройте для себя свои корни, проложите новый путь или следуйте своим увлечениям, чтобы заново открыть для себя чудеса путешествий в этом году .
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли жизнь на Марсе на протяжении всей истории будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Посмотрите, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету
Подробнее
Что такое ген? (для детей)
Гены (скажем: jeenz ) играют важную роль в определении физических черт — как мы выглядим — и многих других вещей о нас.
Они несут информацию, которая делает вас тем, кто вы есть и как вы выглядите: вьющиеся или прямые волосы, длинные или короткие ноги, даже то, как вы можете улыбаться или смеяться. Многие из этих вещей передаются от одного поколения к другому в семье посредством генов.
Что такое ген?
Гены несут информацию, которая определяет ваши черты (скажем: trates ), которые представляют собой особенности или характеристики, которые передаются вам — или унаследованы — от ваших родителей. Каждая клетка человеческого тела содержит от 25 000 до 35 000 генов.
Например, если у обоих ваших родителей зеленые глаза, вы можете унаследовать от них черту зеленоглазости. Или, если у вашей мамы есть веснушки, у вас тоже могут быть веснушки, потому что вы унаследовали черту веснушек. Гены есть не только у людей — гены есть и у всех животных и растений.
Где эти важные гены? Ну, они такие маленькие, что их не видно. Гены находятся на крошечных структурах, похожих на спагетти, называемых хромосомами (например, KRO-moh-somes).
А хромосомы находятся внутри клеток. Ваше тело состоит из миллиардов клеток. Клетки — это очень маленькие единицы, из которых состоят все живые существа. Клетка настолько мала, что увидеть ее можно только под сильным микроскопом.
Хромосомы состоят из двух одинаковых наборов (или пар), и только в одной хромосоме сотни, а иногда и тысячи генов. Хромосомы и гены состоят из ДНК, которая является сокращением от дезоксирибонуклеиновой кислоты (скажем: ди-окс-си-ри-бо-нью-глин-ик).
Большинство клеток имеют одно ядро (скажем: NOO-clee-us). Ядро представляет собой небольшую яйцевидную структуру внутри клетки, которая действует как мозг клетки. Он говорит каждой части клетки, что делать. Но откуда ядро знает так много? Он содержит наши хромосомы и гены. Каким бы крошечным оно ни было, в ядре содержится больше информации, чем в самом большом словаре, который вы когда-либо видели.
У человека клеточное ядро содержит 46 отдельных хромосом или 23 пары хромосом (хромосомы идут парами, помните? 23 x 2 = 46).
Половина этих хромосом исходит от одного родителя, а половина — от другого родителя.
Под микроскопом мы видим, что хромосомы бывают разной длины и имеют разную структуру полос. Когда они выстроены в ряд по размеру и похожему рисунку полос, первые двадцать две пары называются аутосомами; последняя пара хромосом называется половыми хромосомами, X и Y. Половые хромосомы определяют, мальчик вы или девочка: у женщин две X-хромосомы, а у мужчин одна X и одна Y.
Но не каждое живое существо имеет 46 хромосом внутри своих клеток. Например, клетка плодовой мушки имеет только четыре хромосомы!
Как работают гены?
У каждого гена есть особая работа. ДНК в гене содержит конкретные инструкции — почти как в рецепте из поваренной книги — для производства белков (скажем, PRO-подростков) в клетке. Белки являются строительными блоками для всего в вашем теле. Кости и зубы, волосы и мочки ушей, мышцы и кровь — все они состоят из белков. Эти белки помогают нашему телу расти, правильно работать и оставаться здоровым.
Современные ученые подсчитали, что каждый ген в организме может производить до 10 различных белков. Это более 300 000 белков!
Как и хромосомы, гены также состоят из пар. У каждого из ваших родителей есть две копии каждого из их генов, и каждый родитель передает только одну копию, чтобы составить ваши гены. Гены, которые передаются вам, определяют многие ваши черты, такие как цвет волос и цвет кожи.
Может быть, мать Эммы имеет один ген каштановых волос и один ген рыжих волос, и она передала ген рыжих волос Эмме. Если у ее отца есть два гена рыжих волос, это может объяснить ее рыжие волосы. У Эммы оказалось два гена рыжих волос, по одному от каждого из ее родителей.
Вы также можете увидеть гены в действии, если подумаете обо всем многообразии пород собак. У всех у них есть гены, которые делают их собаками, а не кошками, рыбами или людьми. Но те же самые гены, которые делают собаку собакой, создают и другие собачьи черты. Так что некоторые породы маленькие, а другие большие.
У одних длинная шерсть, у других короткая. У далматинцев есть гены белого меха и черных пятен, а у игрушечных пуделей есть гены, которые делают их маленькими с курчавым мехом. Вы поняли идею!
Когда проблемы с генами
Ученые очень заняты изучением генов. Они хотят знать, какие белки производит каждый ген и что эти белки делают. Они также хотят знать, какие болезни вызываются генами, которые не работают должным образом. Гены, которые были изменены, называются мутациями. Исследователи считают, что мутации могут быть частично виноваты в проблемах с легкими, раке и многих других заболеваниях. Другие болезни и проблемы со здоровьем возникают, когда отсутствуют гены или лишние части генов или хромосом.
Некоторые из этих проблем с генами могут быть унаследованы от родителей. Например, возьмем ген, который помогает организму вырабатывать гемоглобин (скажем: HEE-muh-glow-bin). Гемоглобин является важным белком, необходимым эритроцитам для переноса кислорода по всему телу.