Ключ к тайнам вашей родословной: В Пермском Политехе рассказали, что хранит в себе ДНК

Открытие, изменившее мир

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, — это молекула, хранящая генетическую информацию. Она представляет собой двойную спираль, состоящую из двух длинных цепей, каждая из которых образована повторяющимися звеньями — нуклеотидами. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из трех основных компонентов: азотистого основания (аденина, гуанина, тимина или цитозина), сахара дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Таким образом, существует четыре типа нуклеотидов, различающихся азотистым основанием.

История изучения ДНК началась в 1869 году, когда химик Фридрих Мишер выделил «нуклеин». В 1951 году американский биохимик Эдвин Чаргафф установил, что количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а гуанина (Г) — цитозину (Ц). В 1950-х годах ученые Морис Уилкинс и Розалинд Франклин получили рентгенограммы ДНК, причем снимки Франклин демонстрировали характерный крестообразный рисунок двойной спирали. Примерно в то же время английский химик-органик Александер Робертус Тодд доказал, что цепи ДНК линейны, а нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями. В 1953 году Уотсон и Крик предложили модель ДНК в виде двойной спирали, где сахарофосфатный остов находится снаружи, а азотистые основания, соединенные водородными связями (А-Т, Г-Ц), — внутри. Эта модель демонстрирует принцип комплементарности, когда последовательность одной цепи определяет порядок нуклеотидов другой.

— В клетках живых организмов ДНК находится в комплексе со специальными белками, образуя структуры, называемые хромосомами. У эукариотических организмов (растений, животных, грибов) они находятся в ядре — специализированном органоиде клетки. У прокариотических организмов (бактерий и архей), не имеющих ядра, хромосома располагается непосредственно в цитоплазме. У вирусов, которые не являются клеточными организмами, ДНК упакована внутри белковой оболочки — капсида, причем у некоторых из них ДНК может быть одноцепочечной, — рассказывает Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского Политеха.

Генетический анализ по крови и поту

Генетическая информация содержится в клетках, которые можно выделить из различных тканей и биологических жидкостей человека. Генетики изучают как ДНК, находящуюся в ядре клетки (основном «хранилище» генетической информации), так и ДНК митохондрий — особых органелл, отвечающих за выработку энергии в клетке. Важно, что митохондрии передаются детям только от матери и содержат собственную ДНК, которую можно использовать для генеалогических исследований.

— Наиболее простыми и удобными материалами для выделения ДНК являются кровь, слюна и соскоб с внутренней стороны щеки. Но при необходимости можно использовать и более сложные образцы: кости, зубы, волосы (только с луковицей, если требуется анализ ядерной ДНК), — делится Анна Ахова.

Для рутинных анализов, таких как определение отцовства и принадлежности биоматериала конкретному человеку, берут соскоб со щеки, 0,3–0,5 мл крови или слюны.

ДНК можно определить даже по бокалу, из которого пил человек

Сегодня разрабатываются методы полногеномной амплификации, позволяющие получить копии всей ДНК организма, а не отдельного ее участка (гена) как известный метод ПЦР. Применяя методы полногеномного секвенирования можно получить достаточное для анализа количество ДНК, выделенной из единственной клетки. Эти методы разрабатываются с целью анализа ДНК одиночных клеток, что открывает перспективы для изучения генома некультивируемых микроорганизмов, выявление вклада разных клеточных субпопуляций в развитие рака и возникновение устойчивости к противораковой терапии. Они также позволят проводить анализ следовых количеств материала. И следа на бокале или отпечатка пальца будет вполне достаточно. Однако, несмотря на огромный потенциал, существующие методы пока не обеспечивают достаточную точность, — поясняет Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского Политеха.

Что такое генетический код

В молекуле ДНК заключены все сведения о строении и функционировании организма. Эта информация передается от родителей к потомкам, поэтому ее называют наследственной. Молекулу ДНК можно разделить на функциональные участки — гены, в них зашифрована информация о строении конкретных белков.

— В процессе реализации генетической информации от ДНК к белку участвует молекула-посредник — РНК (рибонуклеиновая кислота). Она также состоит из нуклеотидов, но отличается от ДНК по составу: вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо азотистого основания тимина — урацил, и является одноцепочечной. В процессе транскрипции иРНК синтезируется на основе ДНК, копируя последовательность нуклеотидов ее участка, соответствующего определенному белку (полипептиду). Информационная РНК (иРНК) переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, где происходит синтез белка, — поясняет эксперт Пермского Политеха Анна Ахова.

На рибосомах, в соответствии с информацией, закодированной в иРНК, происходит сборка белка из аминокислот. Генетический код обеспечивает перевод информации с «языка нуклеотидов» на «язык аминокислот». Генетический код триплетен, то есть каждая аминокислота (а в состав белков входят 20 различных аминокислот), зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов (триплет, или кодон).

Примечательно, что генетический код универсален — одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у человека, растений, бактерий и других организмов. Благодаря этому бактерии можно использовать для синтеза человеческих белков (например, инсулина).

Мутации и генетическое разнообразие

Изменения в последовательности нуклеотидов ДНК могут приводить к замене аминокислоты в белке, что влияет на его структуру и функции. Это может вызывать различные заболевания или приводить к появлению новых признаков.

— Мутации могут возникать спонтанно (например, из-за ошибок репликации или репарации ДНК) или под воздействием внешних факторов (химических веществ, излучения). Кроме того, генетическое разнообразие обеспечивается перекомбинацией существующих нуклеотидных последовательностей. Благодаря этим процессам каждый человек обладает уникальным набором генов, полученных от родителей. В момент слияния половых клеток (образования зиготы) формируется уникальный генетический комплекс, определяющий индивидуальные особенности организма, — отмечает Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского Политеха.

Существуют ли клоны

— Рождение однояйцевых близнецов можно назвать примером естественного клонирования, но они являются клонами друг друга, а не родительского организма. Такие близнецы развиваются из одной зиготы — клетки, образовавшейся после слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Они имеют практически идентичную ДНК, хотя возможны индивидуальные мутации. Полная идентичность даже у однояйцевых близнецов невозможна, поскольку каждый эмбрион получает уникальную часть яйцеклетки и, соответственно, различные регуляторные факторы, влияющие на активность генов и развитие организма, — рассказывает ученый-биолог Пермского Политеха.

Как ДНК раскрывает тайны предков

С помощью ДНК-анализа мы можем узнать последовательность нуклеотидов в геноме конкретного человека. Сравнивая эту последовательность с генетическими последовательностями других людей можно установить этническую принадлежность человека.

— Для генетических анализов обычно определяют последовательность ДНК в определенных участках генома. Геном человека состоит из 23 пар хромосом. Одна хпомосома в каждой паре наследуется от отца, а другая — от матери. В процессе удвоения ДНК при делении клеток происходит рекомбинация — хромосомы обмениваются участками, поэтому человеческая ДНК представляет собой «мозаику» из материнской и отцовской ДНК. Исключением являются Y-хромосома, которая передается мужчинам только от отца, и митохондриальная ДНК (мтДНК), которая наследуется и мужчинами и женщинами от матери. Эти участки генома передаются в ряду поколений в практически неизменном виде. В составе Y-хромосомы и мтДНК выделяют сотни отдельных генетических маркеров, последовательности которых сравнивают с последовательностями, характерными для различных популяций людей по всему миру. На основании этой схожести и определяют к какой гаплогруппе относится конкретный человек — рассказывает Лариса Нестерова, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского Политеха, кандидат биологических наук.

Гаплогруппа — это группа людей, связанных общим предком и имеющих общий набор мутаций в Y-хромосоме (у мужчин) и митохондриальной ДНК (у всех людей). Анализ гаплогрупп позволяет представителям мужского пола определить происхождение своих предков по отцовской и материнской линиям, а женщинам только по материнской линии. Каждая гаплогруппа обычно наиболее распространена в определенной географической области, что позволяет проследить пути миграции предков.

Зеркальная ДНК

Многие молекулы, важные для жизни, обладают хиральностью, то есть невозможно совместить в пространстве молекулу с ее зеркальным изображением (как, например, невозможно совместить две руки). Таким свойством обладает и ДНК, благодаря входящей в ее состав дезоксирибозе. Такие молекулы могут быть в двух формах правосторонние (D) и левосторонние (L). У всех организмов на нашей планете в состав белков входят L-аминокислоты, а в состав ДНК – D-нуклеотиды. Но, в принципе, жизнь может быть построена и на основе L-ДНК и D-белков, которые являются зеркальными отражениями наших обычных макромолекул. Такая жизнь может существовать на других планетах, а может быть создана в лаборатории на Земле.

На данный момент уже искусственно синтезированы L-ДНК и D-белки, созданы ферменты синтеза зеркальной ДНК, получен фермент, синтезирующий РНК на матрице зеркальной ДНК. Для того чтобы зеркальная клетка могла жить и размножаться осталось сконструировать зеркальные рибосомы.

— Такие зеркальные микроорганизмы предполагается использовать в биотехнологических процессах, поскольку это снизит вероятность контаминации и заражения культур обычными микроорганизмами. Зеркальные микроорганизмы можно будет использовать как продуцентов D-белков. Зеркальные белки не будут вызывать иммунный ответ в нашем организме и разрушаться нашими ферментами, что делает перспективным их использование в качестве терапевтических препаратов, — добавила Анна Ахова.

Но создание зеркальных микроорганизмов вызывает огромные опасения, о чем заявила группа ученых в конце 2024 года, поскольку они могут не распознаваться нашей иммунной системой как вредоносный объект, а также вытеснить обычную жизнь, поскольку для них не существует конкурентов и потребителей.