Расшифровка генома человека

Зачем нужна расшифровка генома?

Расшифрованному верить
Наталия Лескова, «Итоги» №14-2010

С недавних пор в нашей стране действует закон о геномной регистрации. С помощью специального исследования ДНК получают картинку, напоминающую штрихкод. По количеству и расположению полосок можно однозначно (кроме идентичных близнецов) идентифицировать обладателя данной ДНК-информации. Во многих странах такая регистрация применяется давно, а в России все только начинается. Однако уже ясно: ДНК-идентификация неоценима в криминалистике, применима в профессиях, связанных с риском. Но надо ли расшифровывать свой геном обычному человеку и зачем? Об этом «Итоги» спросили директора Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, члена-корреспондента РАН Николая Янковского.

– Николай Казимирович, генетика для многих людей – что-то из разряда теоретических наук. Они могут почувствовать ее достижения на практике?

– Конечная цель генетики отнюдь не теоретическая, а чисто практическая – сделать жизнь каждого из нас более комфортной и продолжительной. Генетика достигла выдающихся результатов в целом ряде практических направлений – в компьютерном анализе генетических тестов, в поиске генов болезней, в биотехнологии. Уже сегодня можно определить предрасположенность более чем к тремстам наследственным болезням. Скоро этот список значительно расширится. На основе проведенных фундаментальных исследований внедряется программа скрининга этих недугов. При повышенном риске появления некоторых наследственных заболеваний – скажем, онкологии – заранее делается операция, и рака уже не будет. Есть и более щадящие рекомендации при высоком риске развития болезней – например, соблюдать специальную диету или принимать соответствующие препараты, эффективно помогающие тому или иному пациенту. Разумеется, тут сразу возникают социальные вопросы доступности лечения, но это уже дело не ученых, а государственных деятелей. В ближайшие годы мы сможем устранить симптомы некоторых генетических дефектов, например диабета, с помощью генотерапии. А чем не благое дело вернуть инвалиду потерянную ногу или руку, вырастив «запасные части» из собственных тканей? Или омолодить человека без всяких «средств Макропулоса»?

– Сегодня чуть ли не на каждом шагу говорят о расшифровке генома. Можно ли узнать судьбу, расшифровав свой геном?

– Я бы сказал так: в большинстве случаев не судьбу, а один из ее вариантов. Расшифровка генома индивида возможна, но пока вместо полной расшифровки генома применяется ДНК-диагностика – выявление изменений некоторых участков ДНК, приводящих к заболеванию. Такая диагностика особенно важна в том случае, когда риск заболеть для данного человека приближается к 100 процентам, – иначе говоря, с возрастом недуг обязательно разовьется. Таких болезней очень много – несколько тысяч, а общее число страдающих от этих болезней во всем мире составляет около 10 миллионов человек. Однако каждая конкретная из этого множества болезней встречается достаточно редко. Например, реже одного случая на 100 тысяч новорожденных. Поэтому детей проверяют на предрасположенность только к наиболее часто встречающимся болезням, например к муковисцидозу, фенилкетонурии и ряду других. Вероятно, тотальная ДНК-диагностика, основанная на полной расшифровке генома человека, станет доступна в практическом здравоохранении если не при нашей жизни, то при жизни наших детей. Но основное количество болезней, причем именно тех, которые встречаются наиболее часто, не может быть предсказано со 100-процентной определенностью даже при полностью известной структуре генома индивида. Скажем, рак молочной железы встречается очень часто. Но случаев, когда можно с очень высокой вероятностью предсказать, что у женщины разовьется этот недуг, – всего 3 процента. Для остальных 97 процентов заболевших женщин даже предварительное знание структуры генома указывало бы лишь на повышенную по сравнению с другими женщинами вероятность развития рака молочной железы. Однако можно уверенно сказать, что большинство женщин никогда не заболеют этим недугом, даже если у них точно такая же структура генома, как у заболевших. Поэтому при массовой диагностике этого заболевания значительное число женщин станут жить в постоянном страхе, и вред, нанесенный проверкой на всякий случай, здоровью общества скорее навредит, чем поможет.

– Как различить, в каком случае проводить расшифровку генома, а в каком – нет?

– Этот вопрос открыт для всех – и для генетиков, и для биоэтиков, и для чиновников от здравоохранения, поскольку ДНК-диагностика, а тем более установление полной структуры геномов индивидов – это бешеные деньги. Полагаю, на сегодня генетическая диагностика должна рекомендоваться лишь для тех уже известных науке случаев, когда связь генетической конституции с развитием болезни близка к 100-процентной, а болезнь является смертельной или приводящей к тяжелой инвалидности. В таком случае на основе данных ДНК-диагностики и, естественно, консультации с врачом-генетиком родители, например, могут принять решение прервать беременность. Конечно, это ужасно, но у них хотя бы появляется выбор – ведь с вероятностью не менее 75 процентов следующая беременность у той же пары приведет к появлению здорового ребенка!

– Когда я, в 40 лет вынашивая третьего ребенка, приходила к врачу, только и слышала, что в моем возрасте синдром Дауна и все прочие ужасы наследнику обеспечены. Но обошлось…

– Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но и для рожениц в возрасте 50 лет одиннадцать детей из 12 окажутся здоровыми. К тому же синдром Дауна обычно связан с генетическим дефектом половой клетки, возникшим еще до оплодотворения. Поэтому ДНК-диагностика этого заболевания возможна на самых ранних этапах беременности, даже до внедрения зародыша в стенку матки. Технологически точность такого анализа предельно высока, но ошибки диагностики могут происходить и по причинам, не имеющим к науке никакого отношения… Остальные болезни, а их абсолютное большинство, не наследуются так просто. Для их проявления необходимо участие сразу нескольких генов в сочетании с действием определенных факторов среды. Эти недуги проявляются, как правило, во взрослом и пожилом возрасте. Например, гипертония и диабет. Даже зная всю структуру генома конкретного организма, мы не сможем сказать, заболеет ими человек наверняка или нет.

– Лично вы расшифровали свой геном?

– Свой – нет. То, что там «написано», – это предрасположенности. Думаю, они у меня все реализованы. А вот ребенку это было бы полезно. Можно определить зоны риска. Но ирония заключается в том, что в ответ на вопрос, что с ними делать, можно дать лишь давным-давно известные рекомендации: не пей, не кури, не нервничай, не переедай, веди подвижный образ жизни. Пока никто ничего лучшего не придумал. И, полагаю, не придумает. Конечно, есть острые заболевания, но их всего 2-3 процента.

– Правда ли, что именно по причинам генетического порядка одна и та же пища может быть полезна одним людям и вредна другим?

– Да, это установленный факт. Возьмем для примера молоко и хлеб. Казалось бы, что может быть в них вредного? Однако наше исследование способности к усвоению молочного сахара – лактозы – дало удивительные для многих результаты: из-за генетических особенностей лактозу не усваивает примерно 30 процентов взрослого населения Центральной части России, и в частности Москвы. Употребление цельного молока у таких людей может приводить к тошноте, проблемам с пищеварением, плохому самочувствию. Никто пока не выяснял, как эта особенность влияет на детей переходного возраста. А потребление обычного белого хлеба у некоторых детей может вести к нарушению пищеварения и слабоумию. Эта болезнь, называемая целиакией, встречается у каждого сотого жителя Ирландии. В других странах Европы она выражена не столь очевидно – примерно один случай на тысячу.

– Что нам делать с нашим пристрастием к алкоголю?

– В лаборатории, которую я возглавляю, ведутся работы по изучению генетических факторов, предрасполагающих к алкоголизму. У русских в сравнении с другими европейцами нет никаких особенностей метаболизма алкоголя, заставляющих нас пить. Так что жаловаться на плохую генетику в связи с пьянством нам нечего.

– В какую сторону сегодня движется развитие науки генетики?

– В будущем мы надеемся перейти с уровня понимания того, какими генами вызывается болезнь, на уровень понимания того, как она возникает – как гены работают и как они между собой взаимодействуют. Это даст нам возможность приблизиться к более точному предсказанию болезней. Еще одно интересное направление касается действия лекарств. Оказывается, для каждого человека скорость этого действия, а значит, и эффективность индивидуальна. Это тоже генетически обусловленный факт. Эту скорость с определенной степенью достоверности тоже можно будет предсказать по анализу генов. Таким образом, знание генетической конституции позволит определить, что нам необходимо для лечения и в какой дозе.

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

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

По пунктам:

1. Начнем с простого: что такое ДНК?
2. Говорят, ДНК можно получить из волоса, слюны, крови. А каким образом?
3. А есть еще геном. Это одно и то же?
4. Я все время слышу: расшифровали геном того, расшифровали геном сего. А кто его зашифровывает?
5. Говорят, по геному можно проследить генетическую историю. Это что-то типа ДНК-теста?
6. А как ученые берут кровь или шерсть у современного льва, а получают данные о его предках?
7. Мы говорим, что взяли кость тигра раннего палеолита и по ней определили какие-то вещи про целую популяцию. Но как мы отделяем эту информацию от той, что была присуща именно вот этому самому тигру?
8. А как мы проверяем наши выводы? Ведь не всегда мы можем выкопать пещерного предка современных животных и удостовериться, что все сходится.
9. Зачем нам все это?

Начнем с простого: что такое ДНК?

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.

Говорят, ДНК можно получить из волоса, слюны, крови. А каким образом?

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.

А есть еще геном. Это одно и то же?

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.

Я все время слышу: расшифровали геном того, расшифровали геном сего. А кто его зашифровывает?

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.

Говорят, по геному можно проследить генетическую историю. Это что-то типа ДНК-теста?

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.

А как ученые берут кровь или шерсть у современного льва, а получают данные о его предках?

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 говорим, что взяли кость тигра раннего палеолита и по ней определили какие-то вещи про целую популяцию. Но как мы отделяем эту информацию от той, что была присуща именно вот этому самому тигру?

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.

А как мы проверяем наши выводы? Ведь не всегда мы можем выкопать пещерного предка современных животных и удостовериться, что все сходится.

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.

Зачем нам все это?

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.

Исследователи заявили о первой полной расшифровке генома человека

Два десятка лет назад геном человека впервые секвенировали. В недавнем исследовании международный консорциум учёных заявил, что теперь человеческий геном расшифровали полностью, включая восстановление пропущенных в прошлых исследованиях фрагментов.

В июне 2000 года проект «Геном человека» и корпорация Celera Genomics заявили о завершении работ над секвенированием генома человека. В феврале 2001 года они опубликовали черновой вариант генома. К октябрю 2004 года учёные опубликовали итоговые результаты секвенирования в журнале Nature. В ходе работ исследователи сформировали последовательности ДНК в составе эухроматина, содержащегося в примерно 90 % генома человека.

После завершения проекта «Геном человека» в 2000 году исследователи продолжали создавать геномные справочники. Последнее крупное обновление учёные сделали в 2017 году, где дополнили созданный в 2013 году справочник GRCh38 и исправили около тысячи ошибок в составленных последовательностях. При этом GRCh38 тоже неполный — около 8 % генома пропущено из-за ошибок при секвенировании.

В новом исследовании специалисты международного консорциума Telomere-to-Telomere (T2T) работали над нерасшифрованными участками генома и заполнили пробелы полученными данными. По словам исследователей, они составили полный справочник человеческого генома T2T-CHM13. Учёные опубликовали результаты на bioRxiv и ждут рецензирования работы.

Авторы использовали методы секвенирования с длинными прочтениями: одномолекулярное PacBio HiFi и нанопоровое Oxford Nanopore в сочетании с почти полностью гомозиготной линией CHM13hTERT (CHM13). Первую черновую сборку генома исследователи обозначили как CHM13v0.9. Позже добавили в неё десять мегабаз с генами рРНК и получили полную сборку CHM13v1.1. Средняя точность сборки находилась между Phred Q67 и Q73 (одна ошибка на десять мегабаз). Это значит, что исследователи не охватили регионы с низким покрытием — лишь 0,3 % генома.

В T2T-CHM13 авторы включили беззазорную сборку 22 аутосом человека и Х-хромосомы, включающие свыше 3 млрд пар нуклеотидов ядерной ДНК и 16 тыс пар нуклеотидов митохондриального генома. Это на 200 миллионов пар оснований больше, чем у GRCh38.

В новом справочнике нет данных Y-хромосомы, поскольку исследователи взяли образцы для исследования у женщины с молярной беременностью. При таком типе патологии дефектная яйцеклетка не содержит ядра с собственными хромосомами, поэтому после оплодотворения внутри остаётся две копии набора из 23 отцовских хромосом. Из таких яйцеклеток вместо эмбрионов появляются пузырные заносы. Исследователи сказали, что уже работают над клеточной линией HG002 с 46 кариотипами XY.

Другие учёные высказывают опасения по поводу клеточной линии CHM13. Поскольку авторы замораживали и некоторое время хранили клеточную культуру в лаборатории, в CHM13 мог присутствовать клеточный детрит (мёртвое органическое вещество). Поэтому в T2T-CHM13 могут присутствовать данные детрита. Авторы утверждают, что провели тщательный анализ перед секвенированием генома и исключают такую возможность.

Исследователи используют полное секвенирование генома для генетических исследований в разных областях. Например, в мае этого года антропологи на основе анализа ДНК определили различия между метаболизмом клеток у неандертальцев и современных людей. Кроме того, секвенирование генома используют медики для диагностики, лечения и прогнозирования генетических заболеваний.

В случае успешного рецензирования исследования T2T-CHM13 станет самым полным справочником человеческого генома. По словам исследователей, на основе полученных данных уже можно прослеживать регуляцию генов и искать новые взаимосвязи в работе разных участков генома. Для этих целей учёные опубликовали T2T-CHM13 в браузере генома UCSC и Reservoir Genomics.

Что такое ДНК и хромосомы

Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.

Когда впервые в истории появилось упоминание о ДНК

Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.

Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.

Нынешние взгляды на состав молекулы ДНК ассоциируются у людей с именами английских ученых Джорджа Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые открыли структуру данной молекулы в 1953 году. За несколько лет до этого, в тридцатые годы, ученые из советского союза А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля доказали наличие ДНК в клетках во всех живых организмах, тем самым они опровергли теорию о том, что молекула ДНК находится только в клетках животных, а в клетках растений присутствует только РНК. Лишь спустя несколько лет, в 1944 году, группой освальдских ученых было установлено, что молекула ДНК является механизмом сохранения наследственной информации клетки. Таким образом, благодаря совместным усилиям и трудам исследователей человечество познало тайну процесса эволюции и его основных принципов.

ДНК в медицине

Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:

• Возможность поставить диагноз на ранней стадии заболевания, когда оно еще находится в скрытом периоде, и никаких симптомов не проявляется.
• Тест ДНК на установление родственных связей у человека.
• Тесты на наличие у человека аллергии или непереносимости некоторых пищевых продуктов. Индивидуальные исследования помогут выявить, какая пища хорошо усваивается организмом, а какая плохо или вообще не усваивается, и что может стать причиной аллергической реакции у исследуемого.
• Анализ ДНК этнических особенностей. Возможность узнать, какие этносы формируют Вашу внешность, и из каких народов были Ваши далекие предки
• Тест на наличие врожденных заболеваний, передающиеся через поколения, оценка риска их возникновения у тестируемого человека.

И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из органических соединений — нуклеотидов, которые скручиваются в две спиралевидные цепи. Нуклеотиды в этих цепях – это базовые элементы, с помощью которых потом будут кодироваться и выстраиваться гены. В составе одного гена возможны несколько вариантов расположения некоторых нуклеотидов, поэтому вместе с тем, как меняется структура гена, меняется и его функциональность.

От цепочки к хромосоме

В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.

В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.

Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.

Хромосома: определение и описание

Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.

Строение и виды хромосом:

Хромосома состоит из двух «палочек» — хроматид, перетянутых по центру первичной перетяжкой – центромерой. Конец хромосомы называется теломером. Центромера может делить хромосому на короткое и длинное плечо.

Отсюда возникают различные типы хромосом:

• Равноплечая – центромера перетягивает хроматиды точно посередине;
• Неравноплечая – центромера неточно перетягивает хроматиды, из-за чего одно плечо хромосомы будет длиннее, а другое – короче. К этому типу относится Y-хромосома;
• Палочковидная – центромера перетягивает хроматиды практически на их концах, из-за чего по форме хромосома напоминает палочку;
• Точковые – очень мелкие хромосомы, форму которых трудно определить. В науке существуют 3 основные формы хромосом:
• Х-хромосома, встречающаяся у особей женского и мужского пола;
• Y-хромосома, встречающаяся только у мужских особей;
• В-хромосома, которая очень редко встречается в клетках растений. Обычно их число доходит до 6, редко – до 12. Ее наличие обуславливает различные болезни и побочные эффекты в организме

Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.

Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.

Наследственные болезни

Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.

Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.

Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.

Расшифровка цепочки ДНК

Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.

Как происходит расшифровка цепочки ДНК?

• Взятые на пробу образцы ДНК нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две нити.
• К интересующему участку цепочки генов прилепляется полимераза — фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот. Процедура проходит при низких температурах.
• С помощью полимеразы в интересующих участков происходит синтезов генов, необходимых для изучения.
• Участки пропитывают светящейся краской, которая светится при лазерном воздействии.

Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.

В ДНК эти нуклеотиды располагаются строго по парам параллельно друг другу строгими парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином.

Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.

Как это происходит:

• Один конец генной спирали раскручивается, формируя две развернутые нити с цепочкой генов.
• К развернутому участку спирали подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует его копию.
• У копии в структуре нуклеотидов тимин во всех парах заменяется на урацил, что позволяет копии генетической цепи покинуть ядро клетки. Синтез белка при помощи генов Основное взаимодействие, происходящее между генами и клеткой, состоит в том, что различные гены могут заставлять клетку производить синтез разных белков с самыми непредсказуемыми свойствами.

Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Сутягина Дарья Сергеевна

В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

ООО «Медикал Геномикс» Лицензия № ЛО-69-01-002086 от 06.10.2017

Юр. адрес: г. Тверь, ул. Желябова, 48

ООО «Лаб-Трейдинг», ИНН: 6950225035, ОГРН: 1186952017053, КПП:695001001

Юр. адрес: г. Тверь, ул. 1-Я За Линией Октябрьской Ж/Д, 2, оф. 22

Расшифровка генома человека

За последние 20 лет достигнут прогресс в нашем понимании на молекулярном уровне структуры и функции генов и хромосом. Недавно, благодаря результатам проекта «Геном человека», эти знания были дополнены глубоким пониманием организации генома человека на уровне ДНК последовательности.

Эти достижения были в значительной мере вызваны потребностями молекулярной генетики и геномики в решении многих клинических проблем, предоставив инструментальные средства для новых методов медицинской генетики. В настоящей главе мы представляем обзор структуры и функционирования генов и те аспекты молекулярной генетики, которые необходимы для понимания генетического метода в медицине.

Возрастание объема знаний о генах и их организации в геноме оказало огромное влияние на медицину и наше восприятие физиологии человека. На заре новой эры Нобелевский лауреат 1980 г. Пол Берг проницательно указал:
«Подобно тому, как современная теория и практика медицины полагаются на углубленное знание анатомии, физиологии и биохимии человека, так в будущем потребуется подробное понимание молекулярной анатомии, физиологии, и биохимии генома геловека. Мы будем нуждаться в более подробных знаниях о том, как организованы и как функционируют и регулируются гены геловека. Нам понадобятся враги, так же сведущие в молекулярной анатомии и физиологии хромосом и генов, как кардиохирург — в структуре и работе сердца».

Как же 3 млрд кодовых букв генома человека описывают всю сложность анатомии, физиологии и биохимии человека, на которую указывал Берг? Все дело в увеличении количества информации при передаче ее в белки, управляющие множеством функций клеток, органов и всего организма, а также взаимодействие с внешней средой. Даже получив в руки по существу полную последовательность генома человека, мы все же не знаем точного количества генов в нем.

Современные оценки сходятся на том, что геном содержит около 25 000 генов, но эта цифра — только первый ориентир в загадке, возникающей при декодировании цифровой информации.

Продукт большинства генов — белок, структура которого в конечном счете определяет его конкретные функции в клетке. Однако если бы существовала простая взаимнооднозначная связь между генами и белками, мы могли бы получить максимум 25 000 различных белков. Это число представляется недостаточным, принимая во внимание обширную массу функций, выполняемых белками в клетках. Ответ на дилемму находится в двух характеристиках структуры и функции генов.

Во-первых, многие гены способны генерировать несколько различных белков. Такое возможно, благодаря альтернативным кодирующим сегментам гена и последующей биохимической модификации полученного белка. Эти две характеристики генома значительно увеличивают его информационное содержание. Подсчитано, что таким образом 25 000 генов человека могут кодировать до миллиона отличающихся белков.

Во-вторых, индивидуальные белки не функционируют сами по себе. Они формируют сложные функциональные сети, включающие множество различных белков и согласованно отвечающие на массу различных сигналов, как генетических, так окружающей среды. Комбинаторная природа генных сетей приводит к резкому увеличению разнообразия возможных функций клеток.

Гены распространены по всему геному, но тяготеют к объединению в отдельные группы или хромосомы и могут сравнительно редко встречаться в других регионах или в других хромосомах. Проиллюстрируем данное положение на примере хромосомы 11, сравнительно богатой генами — около 1300 генов, кодирующих белки. Гены не рассеяны вдоль хромосомы произвольно, их концентрация особенно велика в двух регионах с плотностью до одного гена на каждые 10 килобаз. Некоторые гены организованы в «семейства» родственных генов.

Другие области бедны генами, и есть несколько так называемых «генных пустынь», размером в миллион пар оснований и более, в которых нет никаких известных генов.

Гены, расположенные на аутосомах, имеют две копии: одна в хромосоме, унаследованной от матери, вторая в хромосоме, унаследованной от отца. В большинстве случаев обе копии аутосомных генов экпрессируются и генерируют конечный продукт. Однако некоторые гены генома — исключения из этого общего правила, и у них экспрессируется только одна из двух копий. Такая необычная форма регуляции генов получила название геномного импринтинга.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Расшифровка ДНК-анализа

Насколько точна расшифровка генома ДНК, и можно ли ей доверять? Какие виды тестирования может предложить современный рынок медицинских услуг? Зачем это обычному человеку, и какая от этого польза? Анализ, ДНК, расшифровка: попробуем подробно ответить на эти и другие вопросы в этой статье.

ДНК экспертиза: определение и описание

ДНК экспертиза это выявление индивидуальных особенностей организма человека путем расшифровки его генетического кода. На сегодняшний день на рынке услуг по ДНК тестированию предлагается несколько основных тестов, которые широко применяются в медицине, спорте и криминалистике:

• Тест на установление отцовства и родства, как такового.
• Предрасположенности и противопоказания в спорте.
• Диагностика вирусных и инфекционных заболеваний на ранней инкубационной стадии позволяет определить наличие инфекции даже при наличии всего одной молекулы в образце.(когда болезнь еще ни как себя не проявляет и выявить её иным способом не возможно).
• Диагностика наследственных заболеваний, предрасположенности к заболеваниям и выявление аллергических реакций.
• Подробный анализ национальности и всех этносов в роду.
• Определение личности человека по ДНК

Как расшифровывают результаты ДНК-теста

ДНК тест, расшифровка и экспертиза генома проходит в несколько основные стадии:

1. Исследователи выделяют интересующие их клетки. На этом этапе можно определить наличие инфекций и вирусов, даже если содержание чужеродного ДНК в образце минимально возможное.
2. Синтез (размножение) выделенных клеток методом полимеразной цепной реакции. Именно благодаря этому методу можно провести подробное исследование генетического кода, имея минимальное количество биоматериала для исследований.
3. Секвенирование. Определение нуклеотидной и аминокислотной последовательности ДНК. На этой стадии либо выделяются конкретные участки дезоксирибонуклеиновой кислоты для более глубокого их анализа, либо вся цепочка, если необходимо провести комплексное исследование. Эти участки столь малы, что для удобства изучения их приходится подкрашивать специальной флуоресцентной краской.
4. Расшифровка результатов. Компетентный специалист составляет подробный отчет по результатам проведенного исследования и рекомендации к нему, если в этом есть необходимость.

Достоверность теста

ДНК-тестирования это высокоточная методика изучения микромира организма и микропроцессов в нём. Расшифровка теста происходит на основе генетической базы, над пополнением которой работают многие мировые ученые и институты. Более точных методик диагностики по направления, которые предлагают разные варианты тестирования, на сегодняшний день нет.

На отцовство: индекс

ДНК-тестирование на отцовство это одно из самых известных в обществе исследований, вызывающее наибольший общественный резонанс. Результаты такое исследования имеют юридическую силу и являются достаточным основанием для принятия решения в судебном порядке. В чем же заключается суть тестирования?

Несомненно, многие знают, что спираль ДНК человека имеет двойную структуру. Так, часть генотипа ребенок заимствует от матери, а часть от отца. Сравнение аллелей (различных форм одного и того же гена) ребенка и отца (и в некоторых случаях матери) может подтвердить вероятность отцовства с точностью до 99,99%. Считается, что 100% результат не возможен, поскольку всегда есть вероятность наличия у потенциального отца близнеца. Опровергается же отцовство стопроцентно.

Основной показатель, по которым вычисляется родственная связь, называется «индексом отцовства». Не углубляясь в сложные термины, в общих чертах это показатель того, насколько аллели ребенка и потенциального отца схожи в различных областях генокода.

Для стандартизации результатов и исключения возможных ошибок расшифровки теста на отцовство, международная организация идентификации человека установила следующие пороговые значения для определения отцовства:

1. 99,75 – 99,99% полностью доказанное отцовство
2. 99 – 99,7% высокая вероятность родства
3. 95 – 98,5 отцовство не исключено, но и не доказано
4. 90 – 94,5 небольшая вероятность родственной связи

На родство

В последние году всё большую популярность обретает тестирование на определение национальности. И речь тут не только в стремлении людей к самоидентификации: кому-то это необходимо для переезда в другую страну и получения гражданства, а кто-то хочет восстановить свое родовое древо и имеет представление о своих предках.

Зачастую результаты удивляют и имеют мало общего с тем, что представлял себе клиент до их получения. Порой результаты исследований таковы, что и вовсе могут сильно изменить отношение человека к другим народностям, и расширить понимание глубокой взаимосвязи между всеми людьми.

Так же, тестирование можно провести без согласия тестируемого и предоставить ему результаты в качестве оригинального подарка.

Врожденные заболевания

Избежать многих рисков и продлить свою жизнь может помочь своевременное исследование на врожденные заболевания и предрасположенности к таковым. Предупрежден – значит вооружен. И это полностью характеризует всю пользу подобного анализа. На сегодняшний день специалисты способны выявить до 6000 различных вирусов и инфекций, а так же определить генетическую предрасположенность к самым опасным заболеваниям современности.

Стоимость исследования

Сколько стоит ДНК-анализ? Стоимость тестирования, как и сроки его проведения, зависит от многих факторов: от самого вида теста до объемов расшифровываемых данных (цена расшифровки) и ценовой политики конкретной лаборатории. По сути, цена складывается почти так же, как и сроки проведения исследований, что описано далее в данной статье. В среднем цена может колебаться от нескольких до десятков тысяч рублей.

Кто оплачивает

На сегодняшний день, в РФ нет государственных программ, проектов и благотворительных фондов, которые могут оплатить ДНК-анализ за вас. Единственная такая возможность возникает, если суд сам решает, что необходимо его проведение. В таком случае анализ оплачивается из областного бюджета.

Сроки

Сроки проведения исследований и получения готового результата зависят они нескольких факторов, и оговариваются индивидуально:

1. Объем исследований может начинаться от простого поиска инфекции в биообразце то комплексного исследования всего генома. Соответственно могут варьироваться и сроки работы.
2. На сроки получения результатов может повлиять наличие у клиники свой лабораторией, оборудованной всей необходимой техникой, или она заказывает анализ в другой лаборатории. При заказе ДНК-теста в нашей клинике проблемы с лабораторией и оборудованием нет – наша лаборатория оснащена по последнему слову техники.
3. Загруженность лаборатории и специалистов так же может повлиять на сроки получения результата.

В среднем на проведение исследований и оформления их в готовый документ со всеми сопутствующими рекомендациями уходит 3-4 недели. Но, в зависимости от факторов выше, точные сроки оговариваются индивидуально.

Что нужно для анализа

Провести тестирование можно на любом образце тканей человека, но самым простым и распространённым способом получения биоматериала для исследований является забор слюны в ротовой полости клиента. Забор можно произвести самостоятельно в домашних условиях с помощью обычной ватной палочки. Во избежание возможных ошибок при анализе необходимо соблюдать стерильность образца: ватную палочку для сбора слюны лучше всего взять новую из только что распакованной упаковки, конверт для пересылки и хранения образца не должен быть полиэтиленовым или с полиэтиленовыми вставками.

Проведение процедуры

Проведение процедуры анализа, заказанного в нашей клинике, происходит по соответствующей лицензии в стерильной лаборатории, оборудованной новейшей техникой. Открылась наша лаборатория относительно недавно (в 2018 году) и предоставляет самые современные услуги по ДНК-тестирования, доступные на сегодняшний день для мировой практики.

Расшифровка

Наибольший период от всего затраченного на тестирование времени занимает расшифровка результатов. Поскольку речь идет об исследовании микроструктур, что уже осложняет процесс изучения образца, интересующие врачей гены подкрашиваются флуоресцентной краской, а после облучаются направленным лучом лазера – таким образом, добиваются более-менее четкой и различимой картинки. В зависимости от самого теста гены сравниваются с эталонами в базе данных, и, исходя из сходств и различий, делаются итоговые выводы и составляются рекомендации.

Можно ли повлиять на результат

Даже теоретически подделать результаты ДНК анализа очень и очень не просто. Если допустить, что кому-то удалось подкупить сотрудника лаборатории, то совершить такую подмену можно только в сговоре со всему участниками исследования – вся процедура анализа фиксирует документально и на фото, и проходит под надзором уполномоченного лица.

Если, всё-таки возникли подозрения в недостоверности результатов анализа, всегда можно потребовать повторное исследование в той же или в другой лаборатории. В том случае, если подмена результатов будет подтверждена, виновники таковой не только понесут уголовную ответственность, но и должны будут компенсировать все сопутствующие проверке затраты.

По самому невероятному сценарию, учёнными Израиля тестируется методика синтеза искусственной цепочки ДНК, но это еще не готовая и очень дорогая технология. И для её применения необходимо иметь доступ к банку всех исследованных генов, чего нет у обычного медицинского учреждения.

В связи с этим, и по причине высокой точности результатов исследования ДНК, тестирование является единственным способом доказать отцовство, или его отсутствие в суде. На данный момент государство не предоставляет бесплатную возможность провести анализ на отцовство, но в тех случаях, когда в ходе судебных разбирательств суд сам принял решение о необходимости проведения исследования, его оплата входит в судебные издержки и покрывается из областного бюджета.

Можем ли тест быть ошибочным

При соблюдении всех норм сбора и проведения тестирования вероятность ошибки теста исключена. В редких случаях результаты теста на отцовство могут оказаться ошибочными, если у потенциального отца имеются близкий родственник (например, брат) – такие детали необходимо сообщать специалистом до проведения тестирования. В остальных случаях ошибка может возникнуть в связи с загрязнением или подменой биоматериала.