Структура домена ДНК с активными генами

Обновлено: 04.05.2024

Проблема гена - центральная проблема молекулярной генетики. Она берет свое начало с работы Т. Моргана «Теория гена» (1926), в которой ген был представлен как неделимая единица мутации (ген изменяется как целое), рекомбинации (кроссинговер происходит в пределах гена) и функции (все мутации одного гена связаны с одной функцией).

С тех пор представления о гене радикально изменились. Важным этапом в развитии теории гена были работы С. Бензера в конце 1950-х гг. (Benzer S., 1961). Они показали, что ген, представляющий собой нуклеотидную последовательность, не является неделимой единицей рекомбинации и мутации. Генетические исследования бактерий и фагов, благодаря гигантской численности их потомства, позволили уловить ничтожные доли (?0,0001 %) внутригенных рекомбинаций, что подтверждало принцип дробимости гена. Единицу рекомбинации С. Бензер назвал реконом, а единицу мутации - мутоном. В дальнейшем было показано, что мутон и рекон соответствуют одной паре нуклеотидов. Единица генетической функции, которую С. Бензер назвал цистроном, совпадала с понятием ген, поэтому этот термин практически исчез из употребления (иногда термин цистрон еще употребляется в генетике как синоним понятия гена, когда хотят подчеркнуть его функциональное значение). С. Бензеру принадлежит крылатое выражение: «Гены - это атомы наследственности».

Современная теория гена сформировалась в русле нового направления, которое Дж. Уотсон назвал молекулярная биология гена (Уотсон Дж., 1978). Исследования тонкой структуры гена были проведены у вирусов, бактерий, грибов, высших эукариот. Что же показали эти исследования?

Основополагающий принцип классической генетики «один ген - один белок» подвергся серьезному пересмотру. В упрощенном виде под геном подразумевалась последовательность нуклеотидов, кодирующая одну полипептидную цепь, расположенная между старт-сигналом и стоп-сигналом. Затем были идентифицированы гены, кодирующие различные виды РНК, что потребовало уточнения в определении. Но новые открытия ставили новые проблемы. Чем дальше развивалась молекулярная генетика, тем труднее было дать четкое определение понятию «ген».

Неожиданный результат принесло изучение вирусных геномов. В 1977 г. Ф. Сэнджер у бактериофага ?Х174 обнаружил «перекрывающиеся» гены, имеющие общие нуклеотидные участки. Бактериофаг ?Х174 имеет кольцевую одноцепочечную ДНК и поражает клетки E. coli (Sanger F. [et al.], 1977). Затем «перекрывающиеся» гены выявили в геномах других организмов, включая человека. Изредка встречаются варианты, когда внутри одного гена целиком содержится другой, меньший - «ген в гене».

Необходимо отметить, что в «перекрывающихся» генах каждый нуклеотид принадлежит одному кодону, т. е. имеются различные рамки считывания с одной и той же нуклеотидной последовательности. Так, у фага ?Х174 имеется участок молекулы ДНК, который входит в состав сразу трех генов. Но соответствующие этим генам последовательности нуклеотидов прочитываются каждый в своей системе отсчета. Поэтому нельзя говорить о «перекрывании» кода.

Если у вирусов такая организация генетического материала позволяет осуществлять экономное использование небольших информационных возможностей своего генома, то значение «перекрывания» в огромных геномах эукариот до конца не понятно. Возможно, эта роль связана с регуляцией активности генов путем образования двух почти комплементарных РНК. Такие молекулы РНК способны образовывать двунитиевые структуры, что блокирует процесс трансляции. «Экономия места» имеет свои побочные эффекты, поскольку одна мутация может «выключить» сразу два или более генов.

Сенсационным открытием явилась показанная в том же 1977 г. будущими нобелевскими лауреатами Р. Робертсом и Ф. Шарпом прерывистая, «мозаичная», структура большинства эукариотических генов (Brown D., 1981). В структуре гена стали выделять экзоны - участки гена, кодирующие структуру полипептида, и интроны - участки гена, не кодирующие структуру полипептида. Термины «экзон» и «интрон» были предложены У. Гилбертом (Gilbert W., 1981). Количество интрон-экзонных переходов в пределах гена широко варьирует. В геноме человека одни гены имеют 3-10 таких переходов, другие - более сотни. Так, ген коллагена имеет 118 экзонов. Колебание размеров более характерно для интронов (например, у человека - от 14 до 150 000 п. н.). Для некоторых эукариотических генов экзоны составляют лишь незначительную часть их длины. Только единичные гены человека лишены интронов, в том числе все гены гистонов и мт-ДНК. Роль интронов до конца не ясна. Вероятно, они участвуют в процессах генетической рекомбинации, а также в процессах регуляции экспрессии.

Дальнейшие исследования в области молекулярной биологии еще больше осложнили четкость определения понятия «ген». В геноме эукариот были обнаружены обширные регуляторные области. Относить ли к гену окружающие его регуляторные области или оставить в понятии «ген» только участок транскрипции - здесь мнения генетиков разделились. Проблема осложняется тем, что регуляторные области могут лежать за пределами единиц транскрипции на расстоянии в десятки тысяч п. н. Более того, одни и те же регуляторные участки могут «обслуживать» разные гены.

В регуляторной части генома выделяют различные участки.

Промотор - небольшой участок (у человека - 75 п. н.) связывания с ДНК факторов транскрипции и образование комплекса ДНК - РНК-полимеразы для запуска синтеза РНК.

Энхансеры - усилители транскрипции.

Сайленсеры - ослабители транскрипции.

Между энхансерами и сайленсерами нет четкого «разделения труда», поскольку обычно они взаимодействуют со многими генами. Одна и та же последовательность ДНК может выступать и в роли энхансера, и в роли сайленсера, в зависимости от типа клеток. Данные последовательности представляют собой короткие участки ДНК (100-300 п. н.), являющиеся местом прикрепления регуляторных белков. Каждый энхансер или сайленсер может взаимодействовать с целым рядом регуляторных белков. Это изменяет активность генов путем изменения конформации определенного участка ДНК. В роли энхансеров и сайленсеров выступают некоторые транспозоны, что позволяет понять их генетическую роль.

Инсуляторы - короткие последовательности (300-1000 п. н.), обеспечивающие относительную независимость функций гена, блокируя взаимодействие между энхансером и промотором.

В последних моделях структурно-функциональной организации генома предполагается, что ДНК-нуклеосомная нить образует функциональные специфические участки - домены, которые представляют собой петли (обычно размером 30 000-200 000 п. н.), прикрепленную к структурам ядерного матрикса. В этих моделях инсуляторам отводится важная роль, во многом определяющая функционирование домена, который, вероятно, представляет собой единую функциональную единицу (Корочкин Л. И., 2002).

Между генами существуют особые межгенные последовательности - спейсеры.

Упрощенную структуру эукариотического гена, включающую транскрибируемые и регуляторные области, можно представить следующим образом (рис. 6.1).

Нетранслируемые области выполняют регуляторную роль в процессе трансляции.

Большинство генов бактерий представлены непрерывными участками ДНК, вся информация которой используется при синтезе полипептида. Участки ДНК между генами у прокариот весьма незначительны, а внутри оперона их нет совсем.

В организации митохондриального генома эукариот много общего с геномом прокариот, что служит веским доводом в пользу симбиотической теории происхождения митохондрий. Генымт-ДНК расположены компактно, в них практически отсутствуют интроны и спейсеры. В ряде случаев гены даже перекрываются. У человека 93 % мт-ДНК являются кодирующими. Показана значительная гомология мт-ДНК человека и мыши.

Рис. 6.1. Структура эукариотического гена:

1 - энхансеры; 2 - сайленсеры; 3 - промотор; 4 - экзоны; 5 - интроны; 6 - участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области

Другой удивительной особенностью генома эукариот явились повторяющиеся последовательности, т. е. последовательности ДНК, присутствующие в количестве нескольких копий. По частоте в геноме эукариот можно выделить три типа последовательностей ДНК (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988). Это уникальные последовательности, представленные одной или несколькими копиями; умеренные повторы, представленные от десятка до нескольких тысяч копий на геном; высокоповторяющаяся ДНК, представленная от нескольких тысяч до миллиона копий на геном. Большинство функционирующих генов являются уникальными последовательностями, некоторые представлены умеренными повторами. Уникальные последовательности преобладают и в межгенных участках, но именно многократно повторяющиеся последовательности этих областей и вызывают особый интерес, во многом оставаясь загадкой.

Структурно различают тандемные повторы, которые расположены вплотную друг к другу, образуя блоки (кластеры), и диспергированные повторы, которые разбросаны по геному.

Тандемные повторы образуют особую сателлитную ДНК. Число разных копий в сателлитной ДНК варьирует от сотен до миллионов. Размер единицы повторов редко превышает 200 нуклеотидов, но может состоять и из одной «буквы». Недавно были обнаружены «мегасателлиты» размером до 5000 п. н., которые повторяются 50-400 раз (Тарантул В. З., 2003). Локализована сателлитная ДНК преимущественно в гетерохроматиновых районах, особенно в области центромеры и теломеры. Только «микросателлиты», представляющие повторы единиц из 1-4 нуклеотидов, рассеяны по всему геному.

Диспергированные повторы более разнообразны и многочисленны. Их размер обычно колеблется от 100 до 10 000 п. н. Они присутствуют во всех хромосомах человека и других млекопитающих. Сложная классификация диспергированных повторов включает различные группы и подгруппы, однако границы между ними размыты. Рекордную частоту в геноме человека (более миллиона копий на геном) имеют Alu-повторы, размером около 300 п. н. Большинство диспергированных повторов относится к группе транспозонов, уникальной характеристикой которых, как уже говорилось выше, является способность перемещаться по геному.

Характеристика конкретных повторов в определенных местах генома играет важную роль в генетической идентификации личности.

Эволюционное значение повторов мы рассмотрим ниже, а сейчас отметим, что среди повторяющихся участков генома неожиданным открытием явились так называемые псевдогены - нефункционирующие последовательности ДНК, сходные с функционирующими генами (Proudfoot N., 1980). В геноме человека, например, около 20 000 псевдогенов. В частности, в семействе генов-рецепторов обоняния их почти 60 %. Псевдогены еще больше осложнили определение понятия «ген». Можем ли мы псевдогены считать генами? И что же все-таки такое ген?

Таким образом, используя термин «ген» для обозначения определенной последовательности ДНК, мы теперь вкладываем в него возможность прерывистой структурной организации, возможность участия части этой последовательности в составе другого гена, неоднозначность экспрессии этого участка, наличие генов как для белков, так и для РНК.

Подводя итог исследований молекулярной биологии гена и понимая всю сложность этой проблемы, остановимся на лаконичном определении гена, которое приводит в своей книге В. З. Тарантул: «Ген - это физическая (определенный участок ДНК) и функциональная (кодирует белок или РНК) единица наследственности» (Тарантул В. З., 2003). Размеры гена варьируют в чрезвычайно широких пределах. Так, самый маленький ген человека (МСС-7) имеет всего 21 п. н., а самый большой (ген дистрофина) - 2,2 млн п. н. (Гринев В. В., 2006).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

§ 3. Функциональная организация нервной системы

§ 3. Функциональная организация нервной системы Нервная система необходима для быстрой интеграции активности различных органов многоклеточного животного. Иначе говоря, объединение нейронов представляет собой систему для эффективного использования сиюминутного

ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ (функциональная геномика)

ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ (функциональная геномика) Недостаточно знания, необходимо также применение; недостаточно хотеть, надо и делать. И. Гёте Хорошо известно выражение, что от слова «халва» во рту слаще не становится. Так же обстоит дело и с нашим геномом. В нем есть

ОТ ГЕНА — К БЕЛКУ (протеомика)

ОТ ГЕНА — К БЕЛКУ (протеомика) Что посеяно, то и взойдет. Русская пословица Сам по себе ген — лишь определенная последовательность нуклеотидов. Его основная задача — обеспечить производство на свет строго определенного белка (в крайнем случае РНК). Существует даже

4.1. Значение и функциональная деятельность элементов нервной системы

4.1. Значение и функциональная деятельность элементов нервной системы Координация физиологических и биохимических процессов в организме происходит посредством регуляторных систем: нервной и гуморальной. Гуморальная регуляция осуществляется через жидкие среды

Глава 13. Дальнодействие гена

Глава 13. Дальнодействие гена Раковины улиток бывают закручены вправо или влево. Обычно раковины всех особей одного вида закручены одинаково, но имеется несколько полиморфных видов. На тихоокеанских островах раковины сухопутных улиток Partula suturalis в некоторых локальных

7.1. Клетка - структурно-функциональная единица жизни

7.1. Клетка - структурно-функциональная единица жизни Клеточная форма организации свойственна всем живым организмам. Если не касаться вопроса о приложимости понятия «живое» к вирусам (тем более что ответ, пожалуй, следует дать отрицательный), то клетку нужно признать

9.6. Функциональная асимметрия мозга и нейрофизиология речи

9.6. Функциональная асимметрия мозга и нейрофизиология речи После фундаментальных работ выдающегося нейрофизиолога Р. Сперри (1913-1994) понятие функциональных различий полушарий человеческого мозга стало общепринятым (Sperry R., 1969). Функциональная асимметрия между двумя

5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АССИМЕТРИЯ ПОЛУШАРИЙ И БЕССОЗНАТЕЛЬНОЕ

5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АССИМЕТРИЯ ПОЛУШАРИЙ И БЕССОЗНАТЕЛЬНОЕ Классические работы Р. Сперри и его коллег на людях с «расщеплённым мозгом» [Gazzaniga, LeDoux, 1978] открыли пути для нейропсихологического экспериментального исследования функциональной асимметрии полушарий головного

Из какого количества структурно-функциональных единиц состоят фасеточные глаза насекомых?

Из какого количества структурно-функциональных единиц состоят фасеточные глаза насекомых? Структурно-функциональную единицу фасеточного глаза насекомых и некоторых других беспозвоночных называют оммадитием. Каждый оммадитий состоит из роговицы, хрусталика и нервных

Функциональная терапия

Функциональная терапия Применение активных движений животного или пассивных движений отдельных частей для лечебных целей называется функциональной терапией.Движения животных являются физиологической необходимостью. При отсутствии или недостаточности движения

Структурно-функциональные уровни организации жизни

Структурно-функциональные уровни организации жизни В биологии различают несколько структурно-функциональных уровней организации живой материи.Молекулярный уровень. Характеризуется биохимическими веществами, составляющими живой организм.Клеточный уровень.

Структурно-функциональная организация хромосом

Структурно-функциональная организация хромосом Морфология хромосом эукариот характеризуется единством структурной организации. Каждая хромосома кариотипа представляет собой сложную структуру, в которой нить ДНК взаимодействует с различными белками. Благодаря

Во имя отца, и сына, и гена

Во имя отца, и сына, и гена Ген религиозности? В предыдущей главе мы говорили о роли отца, Господа, а также об американском генетике Дине Хамере. Этот треугольник (но не троица) наталкивает меня на мысль о другой сенсации - гене религиозности! Совсем недавно профессор Хамер

Код гена Леонардо да Винчи

Код гена Леонардо да Винчи Если уж выдумывать, то профессионально! С тех пор, как я услышал о романе Дэна Брауна «Код да Винчи» и одноименной экранизации, у меня не выходит из головы то, о чем я говорил выше. Большинство из вас, наверное, знают содержание этого романа лучше,

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. 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. 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
Эксперт-генетик
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.

Научная электронная библиотека

Геном человека - термин, используемый при описании всей генетической информации, закодированной в виде ДНК клеток человека. Клетка человека имеет два генома: сложный ядерный геном (хромосомная ДНК), содержащей более 99,9995 % всей генетической информации, и простой митохондриальный геном, в составе которого находится менее 0,0005 % ДНК. Ядерный геном распределен между 24-мя различными двуспиральными молекулами ДНК, которые в комплексе с различными гистоновыми и негистоновыми белками формируют хромосомы человека. С молекулярной точки зрения каждая хромосома клетки является сложно организованной структурой. Диплоидная клетка человека с интерфазным ядром при диаметре 5-10 мкм содержит около двух метров молекул ДНК, которые образуют 23 пары хромосом. Гаплоидный геном человека, который характеризуют половые клетки с хромосомами Х или Y, включает 23 различные хромосомы - 22 аутосомы и одну половую хромосому (гоносому) в зависимости от пола: Х - женский или Y - мужской пол. Индивидуальные хромосомы различаются своими морфологическими характеристиками. В среднем, хромосома человека содержит около 130 млн пар нуклеотидов (пн), однако содержание ДНК в разных хромосомах варьирует от 40 до 260 млн пн.

Данные о структуре, размерах и количестве митотических хромосом в клеточном ядре определяются как кариотип. Морфологическое строение хромосом на всех уровнях организации (молекулярном, микроскопическом и субмикроскопическом) определяется упаковкой нитей ДНК, организующих хромосому. На микроскопическом уровне нити ДНК формируют спирализованные хромонемы митотических хромосом. Упаковка хромонем по длине хромосом неравномерна. В них закономерно дифференцируются участки с резко выраженной и резко сниженной степенью спирализации хромонем. Последние формируют хромосомные перетяжки. Важным элементом структуры хромосом является первичная перетяжка, в участке которой расположена центромера. Она делит хромосому на два плеча - короткое (р) и длинное (q).

Структура хромосом претерпевает значительные изменения в ходе клеточного деления (клеточного цикла) и, следовательно, не является постоянной. Хромосомы интерфазных ядер (интерфазные хромосомы) в отличие от метафазных хромосом (см раздел, посвященный делению клетки) представляют собой более расправленные и диффузные клеточные структуры. Интерфазные хромосомы содержат одну хроматиду, в составе которой имеется одна двуспиральная молекула ДНК, в то время как метафазные хромосомы образованы двумя хроматидами и двумя молекулами ДНК. Хромосома как функционирующая клеточная органелла должна содержать минимум три типа последовательностей ДНК, формирующих её структурные компоненты: центромеру, теломеры и участок начала репликации ДНК.

Индивидуальные хромосомы содержат одну протяженную двуспиральную молекулу ДНК диаметром 2 нм, которая претерпевает несколько уровней упаковки, формируя хроматин или ДНК-белковый комплекс (дезоксирибонуклеопротеид - ДНП). Элементарной дискретной единицей упаковки хроматина является нуклеосома. Каждая нуклеосома имеет вид глобулы и состоит из четырех пар гистоновых белков Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащих по 102-135 аминокислотных остатков. Вокруг гистоновой глобулы диаметром 10 нм (октамера) располагается молекула двуспиральной ДНК длиной 146 пн (или 68 нм), образуя виток в 1,75 оборота. Соседние нуклеосомы соединяются так называемой «спейсерной» ДНК длиной около 20 нм, образуя структуры в виде «бус на нитке». На следующем этапе компактизации 10-нанометровые нуклеосомы образуют фибриллы хроматина диаметром 30 нм (в каждом витке примерно 6 нуклеосом), которые образуют большие петли. На стадии метафазы степень компактизации достигает 1 на 10000 от первоначальной длины хромосомной ДНК. Петли 30-нанометровых фибрилл хроматина содержат 20-100 тыс. пн. ДНК на каждой петле прикрепляется к осевой структуре хромосомы (рис. 4). Осевые компоненты метафазной хромосомы состоят из негистоновых белков.

Как уже отмечалось, одним из структурных элементов хромосомы является центромера - место присоединения кинетохоров (макромолекулярных структур на белковой основе, участвующих в процессе расхождения хромосом при митотическом делении клетки), и слипания сестринских хроматид. Они также регулируют присоединение хромосом к веретену деления и направляют движение хромосом в ходе мейотического и митотического деления клетки. Хромосомы без центромеры (ацентрические фрагменты) не могут присоединяться к нитям веретена деления и теряются в ходе клеточного деления. У человека центромеры содержат особые типы повторяющихся ДНК, а также специфические «центромерные» белки, обеспечивающие сегрегацию хромосом в ходе митотического и мейотического деления клеток. В зависимости от положения центромеры в хромосоме она может быть метацентрической, субметацентрической и акроцентрической. В акроцентрических хромосомах довольно часто на коротких плечах видны небольшого размера хроматические тельца, так называемые спутники, и спутничные нити. Они содержат ядрышковый организатор - значимую структуру генома человека (рис. 5). Плечи некоторых хромосом человека содержат вторичные перетяжки.

Другими структурными элементами хромосом являются теломеры. Это специализированные структуры, содержащие особые типы ДНК и белки, которые образуют концевые участки хромосом. Теломеры выполняют несколько функций:

1) поддержание структурной целостности хромосомы;

2) обеспечение полной репликации концевых участков хромосомы;

3) поддержание организации хромосом в интерфазном ядре.

Рис. 4. Организация ДНК

Теломеры хромосом человека представляют собой повторы нуклеотидной последовательности ТТАГГГ, общий размер которой варьирует от 3 до 20 тыс. пн. Стабильность теломер поддерживается с помощью фермента теломеразы, нарушение функциональной активности которой приводит к нарушению структуры хромосом и, как следствие, к клеточной гибели. Укорочение последовательностей теломер, которому противодействует теломераза, связано с процессами старения и малигнизации.

Рис. 5. Метафазные хромосомы:
1 - метацентрическая хромосома; 2 - субметацентрическая хромосома; 3 - акроцентрическая хромосома. Видны:
а - центромеры; б - длинные плечи (q), в - короткие плечи (p);г - теломерные участки; д - спутники; е - спутничные нити

ДНК хромосом реплицируется в ходе периода синтеза ДНК клеточного цикла. Каждая хромосома содержит множество элементарных единиц репликации - репликонов, представляющих собой участки автономной репликации. Каждый репликон имеет одну точку инициации репликации, с которой начинается двунаправленный синтез ДНК (см предыдущий раздел, посвященный синтезу ДНК). Размеры репликонов могут различаться друг от друга. Репликоны у человека могут быть очень большими, достигая более чем 1 млн пн.

Фальшивые мотивы в ДНК: как геномные варианты меняют поведение транскрипционных факторов

Новость

Автор

Редакторы

Работа клетки подобна работе оркестра, только вместо музыки она производит белки и РНК. Для правильного функционирования всей системы каждый ген должен «вступать» в нужный момент, скоординировано с другими генами, и давать столько продукта, сколько потребуется. Это значит, что транскрипция каждого гена должна происходить в определенное время и с определенной интенсивностью. Дирижерами процесса выступают специальные белки — факторы транскрипции. Партитура при этом записана в самой ДНК: партию определяют регуляторные последовательности, с которыми транскрипционный фактор связывается и в результате усиливает или ослабляет транскрипцию соответствующих генов. Замены в таких последовательностях могут приводить к изменению силы связывания и, как следствие, фальши в транскрипции: неверной или не вовремя сыгранной партии конкретного гена. Современные биологи активно пытаются решить вопрос о том, как устроены эти последовательности для каждого транскрипционного фактора и какие мутации в них будут влиять на связывание с белком. Одним из подходов к расшифровке клеточной партитуры является изучение аллель-специфичного связывания: когда варианты регуляторной последовательности, унаследованные от матери и от отца, различаются, можно изучать, с каким из них транскрипционный фактор связывается лучше. Несмотря на прозрачную постановку задачи, на пути к ее решению возникает ряд проблем. Мы придумали, как их преодолеть, и обнаружили сотни тысяч событий аллель-специфичного связывания, попутно показав их вклад в предрасположенность ко многим заболеваниям. Работа недавно опубликована в журнале Nature Communications.

Факторы транскрипции регулируют работу одного или нескольких генов, связываясь со специфическими последовательностями (сайтами связывания) в некодирующей части генома. О том, в каких именно местах транскрипционные факторы связываются с ДНК, мы узнаём, в основном, из данных экспериментов ChIP-Seq. Эксперимент ChIP-Seq дает нам прочтения (прочтенные, то есть отсеквенированные, нуклеотидные последовательности), попадающие в районы связывания интересующего нас белка. Имея такие прочтения и последовательность всего генома, мы можем узнать, где именно расположен сайт связывания. При этом чем больше покрытие некоторого участка генома в таком эксперименте (то есть число прочтений, приходящихся на этот участок), тем более вероятно, что с ним специфично связывается белок, который мы изучаем. Мы использовали данные более 7,5 тысяч ChIP-Seq-экспериментов для более чем 500 различных типов клеток, чтобы проанализировать влияние однонуклеотидных замен в сайтах связывания на, собственно, связывание транскрипционных факторов [1].

Каждый участок генома в человеческой клетке, как правило, представлен двумя аллелями: одна из аллелей наследуется от матери, вторая — от отца. Мы сосредоточили свое внимание на гетерозиготных участках, содержащих известные однонуклеотидные полиморфизмы (мутации, встречающиеся в человеческой популяции) (рис. 1).

Рисунок 1. Сценарии, при которых гетерозиготный вариант в регуляторном участке генома либо не влияет (верхняя часть рисунка, слева направо), либо влияет (в центре рисунка, слева направо) на посадку фактора транскрипции. Внизу схематично показано, к каким последствиям может привести нарушение связывания транскрипционного фактора.

рисунок автора статьи и соавторов научной публикации

Казалось бы, исходя из соотношения ChIP-Seq-покрытий двух аллелей легко понять, с каким из вариантов белок связывается лучше. Например, если мы видим, что прочтений на обеих аллелях примерно поровну, то, значит, никакого аллель-специфичного связывания здесь нет. А что если ChIP-Seq-покрытие одной из аллелей в два раза больше, чем другой? Кажется, разница здесь значительная и предпочтение налицо. Однако не всё так однозначно. Основная проблема кроется в том, что на деле не все клетки диплоидны — число копий ДНК от мамы и/или папы в клетке не равно 1. Обрабатываемые данные из экспериментов ChIP-Seq были проведены на клеточных линиях, многие из которых относятся к опухолевым, а для них характерна анеуплоидия — недостаток или избыток копий целых хромосом, а также многочисленное копирование каких-то отдельных хромосомных участков. Таким образом, видимое предпочтение одной из аллелей транскрипционным фактором может объясняться тем, что данная аллель просто представлена большим числом копий (рис. 2).

Рисунок 2. Аллельный дисбаланс, то есть неодинаковое число прочтений на разных аллелях, не всегда говорит об аллель-специфичном связывании (ASB, allele-specific binding). На правой картинке соотношение прочтений на разных аллелях 2:1, но это объясняется не предпочтениями транскрипционного фактора, а тем, что аллель G представлена в геноме в два раза большим числом копий, чем аллель A.

Но откуда узнать «фоновое» соотношение аллелей, чтобы сделать на него поправку? Мы придумали, как оценить его из тех же данных, не прибегая к каким-либо дополнительным источникам информации. Давайте разберем этот подход поподробнее: так как аллель-специфичное связывание — событие редкое, то для большинства гетерозиготных сайтов, находящихся по соседству от интересующего, соотношение покрытий ChIP-Seq будет просто отражать относительную представленность в геноме этих сайтов. Иными словами, неспецифичное связывание (в соседних сайтах) задаст некое фоновое распределение числа прочтений, а аллель-специфичное будет выглядеть как выброс. Мы построили алгоритм, разбивающий весь геном на сегменты с примерно постоянным соотношением копий двух аллелей и оценивающий это фоновое соотношение для каждого сегмента.

Вооружившись локальными оценками копийности и сделав на них поправки, получилось собрать самую большую на сегодняшний день базу данных событий аллель-специфичного связывания ADASTRA (Allelic Dosage-corrected Allele-Specific human Transcription factor binding sites). О чем могут рассказать полученные данные? Во-первых, они помогут в построении и проверке моделей для описания взаимодействия транскрипционного фактора и ДНК. Например, накопление новых данных позволяет уточнять мотивы транскрипционных факторов (этим музыкальным словом называются характерные паттерны в последовательности ДНК, которые транскрипционный фактор распознает). Кроме того, помимо самой последовательности, для связывания важен еще один фактор: открытость хроматина. ДНК в эукариотической клетке связана с гистонами и упакована сложным образом. Для транскрипции ДНК необходимо распаковать, то есть перевести хроматин из закрытой конформации в открытую. Определенные транскрипционные факторы способны инициировать открытие хроматина, после чего другие регуляторные белки приходят уже на подготовленную площадку и вступают в работу. Таким образом, если связывание первых, открывающих, факторов нарушится, то и последующие не придут, даже если последовательность для них будет «подходящая». Действительно, опубликованные ранее данные по аллель-специфичной доступности хроматина [2] хорошо согласуются с представленными в ADASTRA, и это отличный пример того, какие биологические закономерности можно наблюдать, комбинируя одни большие данные с другими. Подробнее об использовании данных по доступности хроматина в задаче предсказания связывания транскрипционных факторов можно прочитать в статье «Биомолекулы» «Мечту вызывали?» [3].

Данные по аллель-специфичному связыванию имеют также и практическое значение. Для изучения генетических детерминант различных полигенных признаков, в том числе заболеваний, сейчас активно используется метод полногеномного поиска ассоциаций (GWAS). Однако для того, чтобы среди ассоциированных с заболеванием вариантов выделить действительно приводящие к нему («причинные»), нужно постараться. Дело в том, что соседние геномные варианты «путешествуют» в популяции не независимо: как и гены, варианты наследуются сцепленно, если расположены достаточно близко друг к другу на хромосоме. Из-за этого, проводя полногеномный поиск ассоциаций, мы зачастую находим ассоциации с целыми островками в геноме, внутри которых один или несколько вариантов являются причинными, а все остальные — просто их случайные попутчики. На помощь приходит функциональная аннотация: при помощи дополнительных данных мы пытаемся понять, на что влияет конкретный вариант. Конечно, наиболее подозрительны варианты, приводящие к несинонимичным заменам в белках.

А что если в нашем списке подозреваемых только варианты из некодирующей области? Мы предположили, что изменение связывания фактора транскрипции может быть хорошим критерием функциональности варианта. Как выяснилось, такие замены действительно чаще ассоциированы с различными заболеваниями. При этом они часто находятся в локусах количественных признаков, то есть действительно связаны с изменением активности определенных генов. Для 30% регулируемых генов показана их клиническая значимость в ClinVar. Таким образом, влияние на посадку фактора транскрипции может стать весомым аргументом в пользу «причинности» варианта для развития патологии. Немаловажным является и тот факт, что помимо самого варианта нам известен еще и регуляторный белок, чье связывание из-за него нарушается, что позволяет строить предположения о молекулярном механизме возникновения заболевания. Кстати, в статье «Беспечный фактор транскрипции: что он скрывает от системы репарации» [4], опубликованной ранее на «Биомолекуле», можно прочесть о том, как изменение связывания транскрипционного фактора может мешать работе системы репарации.

Интересно, что наиболее сильные ассоциации с фенотипами показывают «переключающие» однонуклеотидные замены: их аллели предпочтительно связываются разными транскрипционными факторами. Мы предполагаем, что такие регуляторные варианты способны кардинально менять характер транскрипции соответствующих генов: в зависимости от варианта в геноме, руководство над их транскрипцией будет вверено разным белкам, каждый из которых может изменять свою активность в ответ на специфические сигналы.

Итак, ADASTRA содержит ценную биологическую информацию, которая может пригодиться как медицинским генетикам для определения функциональной значимости отдельных вариантов, так и вычислительным биологам для построения моделей связывания транскрипционных факторов с ДНК. История создания ADASTRA подтверждает: не нужно бояться шумных экспериментальных данных. Если данных много, то при помощи аккуратных алгоритмов все равно можно различить среди шума подлинные мотивы.

Автор выражает благодарность Ивану Кулаковскому, Марине Фридман, Дмитрию Пензару, Сергею Абрамову, Александру Бойцову, Арсению Зинкевичу и Надежде Потаповой за помощь в работе над текстом.

Некоторые понятия генетики и их связь с ДНК-генеалогией

С появлением скоростных систем обмена информации мы вошли в информационный век, и это послужило значительным толчком для интенсивного развития многих наук, в том числе и генетики. Самой генетике, науке о генах и их строении, уже более 100 лет, однако длительный период времени внимание концентрировалось на ее практическом применении в генной инженерии растений и животных - создавались новые сельскохозяйственные сорта растений и породы животных.

Медицинская генетика, которая изучает строение генетического материала человека и наследственные заболевания, развивалась медленнее, так как процент наследственных заболеваний был очень низким, а технология проведения ДНК-тестирования и определения набора хромосом была слишком дорогостоящей для большинства медицинских и научно-исследовательских учреждений. Благодаря усовершенствованию технологий и обмену информацией о полученных результатах ДНК-тестирования возникла ДНК-генеалогия, которая соединила в себе достижения и знания многих других наук.

ДНК-генеалогия не только связана с теоретической разработкой гипотез возникновения человечества, его продвижения и распространения по всему земному шару, появления народов, народностей и этнических групп, но эта наука нашла широкое практическое применение - определение родственных связей между дальними и ближними поколениями, фактически, создание материнских и отцовских родов. В отличие от обыкновенной генеалогии, где определяется родословная человека, то есть перечень поколений, устанавливающий происхождение и степень родства, ДНК-генеалогия пользуется совершенно другими критериями определения родовых связей людей, скорее не в ширину, с учетом всех членов рода, а в глубину, от поколения к поколению по отцовской или по материнской линии. В какой-то степени, результаты ДНК-тестирования с точки зрения ДНК-генеалогии вызывают замешательство у некоторых людей, ибо они путают разные категории этого тестирования, смешивая такие понятия как геном, кариотип, генотип, фенотип, гаплогруппа, гаплотип.

С интенсивным развитием генетики в отношении генетических особенностей человека, его происхождения, ученые пытаются использовать эти данные в интеграции с данными других наук - антропологии, социологии, географии, истории, биологии, химии, физики и т.д. Поэтому все чаще поднимаются вопросы о связи генетической информации человека с его специфическими внешними признаками, которые зачастую определяют принадлежность человека к определенной расе, народности, этнической группе. И здесь появилось очень много противоречий и споров. У многих людей проявляется интерес к своему прошлому, в особенности прошлого предыдущих поколений, выяснению истоков своего происхождения и связи родов через поколения. Некоторые из них поднимают вопросы «генетической» элитности, «чистокровности», расовости, не без цели создания своей специфической группы, организации, рода. Доходит до серьезных споров, как сохранить чистоту «генетической линии рода» у определенной группы людей, что по этому поводу говорит ДНК-генеалогия, можно ли считать гаплогруппу признаком «генетической чистоты» и т.п.
Очень модными стали разговоры о принадлежности к «элитному» роду, то есть о далекой или близкой родственной связи с известными личностями прошлого, занимавших, в первую очередь, высокий социальный уровень в обществе. Найти генетическую связь с «голубо-кровными» родами пытаются многие люди, и не всегда не без корыстной цели. Само понятие «голубая кровь» возникло в испанском обществе в ХIХ столетии, когда произошла смесь нескольких родов Кастильских аристократов с другими европейскими аристократическими родами, и среди смуглых отпрысков этих родов было немало потомков с бледной белой кожей, через которую просвечивались венозные кровеносные сосуды. Современные искатели родственных связей с элитными родами пользуются другой терминологией : чистокровность, породистость. Однако эти понятия более приемлемы в мире животных и растений, где под сортом или породой понимают специфические внешние признаки (фенотип), определяющиеся набором определенных генов (геномом), передающихся по наследству, при скрещивании с представителями с таким же геномом. Поддержание чистоты фенотипической линии во многом зависит от поддержания чистоты генетического фонда, отвечающего за специфические фенотипические признаки, и проводится с помощью селективного отбора. У людей селективный отбор не уместен, однако относительная чистота «социальной породистости» поддерживается определенными законами передачи наследства и правовой силы правления родом, семейством, государством (например, потомство от морганатических браков лишается социального статуса, права на наследство и других привилегий рода).

Немало споров появилось среди антропологов о делении всех людей на специфические группы (расы, народы, этнографические группы) и учетом достижений генетики. Не так давно все люди были разделены на расы по внешним признакам, в основном по цвету кожи, и некоторым особенностям строения тела и скелета. Народы и народности, а тем более этнические группы, «стушевывались» при таком делении людей. «Физические» антропологи считали, что деление на расы и другие группы должно основываться только на специфических внешних и внутренних признаках, то есть на фенотипических признаках. «Культурные» антропологи утверждали, что деление людей на расы должно быть с учетом не только фенотипических признаков, а с учетом географических, культурных, этнографических, лингвистических особенностей группы. С развитием генетики и ДНК-генеалогии два основных отряда антропологов разделились на еще большее количество спорящих группировок. Одни ищут связь между расами, народами, этническими группами и их специфическими геномами или генотипами, чем и занимается генетика человека. Другие ищут ту же связь между гаплогруппами или гаплотипами, чем занимается ДНК-генеалогия. Кто из них ближе к «истине», и можно ли использовать гаплогруппы в совокупности с антропологическими данными при определении специфики народа, народности, этнической группы?

Давайте обсудим ряд понятий, связанных с ДНК, генами и хромосомами, которые могут доминировать в одних «ген»-науках и не иметь отношения к другим, и попытаемся ответить на заданные вопросы. Итак, какая разница между геномом, генотипом, кариотипом, гаплогруппой, гаплотипом и какова между ними связь?
Единственная связь, которая существует между этими понятиями, является ДНК, которая хранится в хромосомах человека. Гены - это те участки ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которые несут закодированную информацию о строении определенного белка или РНК (рибонуклеиновая кислота). Все процессы в человеческом организме начинаются и проходят на химическом и физическом уровнях, в первую очередь. И самым первым звеном в передаче информации с ДНК будет синтез белков, которые в дальнейшем будут определять специфические признаки и функцию клетки, биологической ткани, органа, системы органов и всего организма в целом. Эти признаки представляют собой фенотипическое проявление генетической информации. Таким образом, фенотип - это внешние и внутренние признаки строения человека, которые определяют его специфичность не только как индивидуальной особи природы, но и принадлежность к специфической группе людей по разным категориям (пол, рост, цвет кожи, цвет глаз и т.д.).
Участки ДНК, которые составляют гены и несут информацию о строении белка или РНК, по предположению ученых занимают только 2% всего генетического фонда человека. Значение многих участков ДНК в хромосомах человека пока что не изучено. ДНК-генеалогия изучает те участки ДНК У-хромосомы, которые не несут генетическую информацию, поэтому не определяют внешние признаки человека.

Набор хромосом человека называется кариотипом и он является специфическим для единственного вида людей, проживающего на планете, — Homosapiens. У мужчин кариотип состоит из 22 пар соматических (аутосомных) хромосом и пары половых хромосом ХY. Х-хромосому мужчина получает всегда от матери, а У-хромосому - от отца. У женщин кариотип содержит 22 пары соматических хромосом и одну пару половых ХХ, где одна Х-хромосома от матери, а другая - от отца. Каждая пара соматических хромосом содержит по две аллели генов, отвечающих за какие-то специфические признаки. Однако фенотипически (наружно) будут проявляться признаки доминантного гена, или же иногда проявление двух аллельных генов будет смешанное.
При ряде хромосомных аномалий набор хромосом может быть на одну-две хромосомы больше или меньше, и люди-носители таких кариотипов будут страдать определенными дефектами развития. Таким образом, кариотип не может использоваться для категоризации людей по каким-то признакам, в том числе на этнические группы, за исключением деления их на мужчин и женщин (по половым хромосомам).

Набор генов, отвечающих за специфические признаки человека, называется геномом.Геномов может быть множество - зависит от того, какие признаки нас интересуют. Например, если разделять людей по цвету кожи и волос, то можно определить набор генов, которые отвечают за окраску кожи и волос. Однако, чем больше расширять диапазон признаков, которые характеризуют, например, какую-то определенную группу людей с заданными «параметрами» внешности, то «чистота» генома будет наблюдаться только в выбранном поколении людей. Хотя следующему поколению передается по 50% генетического материала от матери и отца, но какие именно половинки хромосом отца и матери, полученные ими от их отцов и матерей, передадутся следующему поколению (то есть, в каком процентном соотношении ребенок получит генную информацию от дедушек, бабушек) неизвестно, так как комбинация половинок 22 соматических хромосом может быть разная. Предположение, что ребенок получит по 25% генной информации от каждого дедушки и бабушки с материнской и отцовской линии, ложное.

Чтобы понять лучше систему передачи соматических хромосом, возьмите две колоды карт, где будет 22 карты разных мастей, но попарно одинакового ранга. Например, одна колода содержит валет крестовый, другая - валет бубновый, по две разных шестерки, восьмерки, туза и т.д. Этот набор «карт» составляет кариотип человека, который он получил от своих родителей - одну «колоду» от матери, другую «колоду» от отца. При созревании половых клеток, как у мужчин, так и у женщин, идет деление этих клеток по механизму, отличающемуся от деления обычных клеток, и каждый сперматозоид и каждая яйцеклетка получит по одной хромосоме из 22 пар хромосом - по одному «валету, королю, тузу, шестерке» и т.д. Эти хромосомы-«карты» могут «перетасовываться», переходя из одной «колоды карт» в другую в процессе деления половой клетки. Однако, неизменно будущий мальчик всегда будет получать Y-хромосому от отца, что используется в ДНК-генеалогии. Как видите, предсказать какой именно набор соматических хромосом получит ребенок, а потом его ребенок, а потом ребенок ребенка, и так далее, невозможно, хотя математически можно вычислить сколько существует всевозможных комбинаций для 22 пар хромосом.
Возможно, некоторые половинки хромосом передаются в комбинации с другими по определенным законам природы, о которых ученые пока что знают мало. И, не исключено, что может быть найдена связь между гаплогруппами и геномом человека, что в совокупности будет проявляться специфическими фенотипическими признаками гаплогрупп. Пока что о такой связи мы ничего не знаем.
Таким образом, «чистота» геномов «разбавляется» из поколения в поколение довольно спорадически, и применение селективного отбора в отношении человека, как это делают в поддержке чистоты фенотипической, в первую очередь, линии при выращивании сортов растений и пород животных, невозможно, да и не этично. Использовать геном для характеристики расы, народа, народности, этнической группы тоже нерационально, так как специфических геномов нет, хотя над этим работают антропологи с генетиками вместе. Проблема в том, что придти к обоюдному согласию, какие фенотипические признаки считать строго специфическими для этого народа или этнической группы, а какие нет, не удается. И, вправду, разве у всех коренных русских людей русые волосы и голубые глаза?

Генотип содержит совокупность геномов человека, хотя порой геномом называют весь генотип человека. Но, другими словами, генотип человека определяет его фенотип, то есть, как человек выглядит. Зачастую на проявление фенотипа имеет влияние внешняя среда. Влиянием внешней среды объясняется возникновение рас людей. Если внимательно посмотреть на карту мира, то тропические и экваториальные районы Земли заселены чернокожим населением. Средние полосы заселены «желтым» населением. А чем ближе к северу, тем больше доминирует белое население. Имеет ли генотип связь с гаплотипом и гаплогруппой? Генотип человека содержит половые хромосомы, и Y-хромосома используется для определения гаплогруппы у мужчин. А вот в отношении женщин такого не скажешь - в ДНК -генеалогии используется митохондриальная ДНК, которая находится вне хромосом, а поэтому вне генотипа.

Остается разобраться с понятиями гаплогруппы и гаплотипа. Здесь тоже существуют некоторые неточности в определении этих понятий людьми не только без медицинского образования, но и с медицинским образованием. Для ДНК-генеалогии важны те участки ДНК в Y-хромосоме и митохондриальной ДНК, где происходят определенные изменения в виде единичного нуклеотидного полиморфизма (SNP) и коротких тандемных повторений нуклеотидов (SТR), совокупность которых определяет какой гаплотип у человека и к какой гаплогруппе он принадлежит. Такая категоризация людей, благодаря ДНК-генеалогии, пока что единственная четкая классификация современного поколения в отношении связи со всеми другими существовавшими поколениями людей, которая совпадает с миграцией человечества и заселением планеты, историческими фактами, этническими и культурными особенностями, возникновением и развитием языков.
Важно понимать, что мутации, в том числе SNP, возникают и в соматических хромосомах, на генных участках ДНК, и они могут провоцировать развитие метаболических (обменных) заболеваний человека. Эта область медицины изучается молекулярной генетикой. Оказывается, многие заболевания начинаются именно с поломки гена в виде SNP, которая частично компенсируется организмом, пока другие факторы (возраст, нерациональное питание, вредные привычки, условия внешней среды и др.) не спровоцируют проявление генных изменений на уровне обменных процессов, что повлечет за собой развитие болезни. Но к ДНК-генеалогии SNP мутации в соматических хромосомах отношения не имеют, как и наоборот, SNP, которые изучаются ДНК-генеалогией, ничего общего с обменными заболеваниями не имеют.

Заключением и обобщением вышесказанного является данная таблица:

Таким образом, исследование ДНК, ее различных участков, как и хромосом в целом, находит широкое применение в разных современных науках, включая немедицинские науки. Однако интерпретировать результаты этих исследований, а также категории и понятия, связанные с генной и генетической информацией человека, для категоризации людей на определенные группы, в том числе на расы, народности, этнические группы, рода, необходимо с учетом их ограничений и спецификой применения. ДНК-генеалогия «приблизилась» к четкой и правильной категоризации людей больше всех других наук, представляя ценные данные, которые могут использоваться историками, антропологами, лингвистами, археологами и другими учеными. Хотя между гаплогруппами и фенотипическими признаками людей, как и определенными геномами, принадлежащих к этим группам, связь не подтверждена, так как гаплогруппы не определяют фенотип, однако не исключено, что такая связь может существовать через неизвестные ученым механизмы. Интеграция ДНК-генеалогии с другими науками позволит понять специфику возникновения рас, народов, народностей и этнических групп и ответить на многие вопросы, ответы на которые пока что весьма противоречивые и неточные.

Читайте также: