Днк как расшифровывается

Что такое ДНК и как она работает?

Любой организм на Земле содержит в себе молекулярную инструкцию для собственной сборки и эксплуатации — это дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК. В ДНК закодированы самые разные черты: какой цвет глаз и волос будет у человека, какой у розы будет аромат или каким способом бактерия будет заражать хозяина. Атлас рассказывает, как код ДНК становится свойствами организма и передается по наследству, как «включаются» и «выключаются» гены и как упаковать длинную молекулу ДНК в крошечную клетку.

Содержание

Как устроена ДНК?

Цепи в паре не идентичны друг другу, а сопоставимы по определенному правилу: если в первой цепи в последовательности А, во второй на этом же месте стоит Т, если в первой Г, то во второй-Ц, и наоборот. Это правило называется принцип комплементарности. Запомните этот принцип, он чертовски важен для генов.

Между комплементарными нуклеотидами двух цепей возникают водородные связи, выстраивается как бы «лестничная структура» между цепями. Эта лестница ДНК закручена в двойную спираль.

Но в форме двойной спирали ДНК занимает слишком много места, у человека в длину она займет примерно 2 метра. Как уместить такую громадину в крохотное ядро? ДНК для этого скручивается и наматывается самыми разными способами. Для начала происходит наматывание ДНК на белки — гистоны, словно на катушки. Затем ДНК с гистонами переживает ещё один цикл «закручивания» в структуру, подобную плотной тугой спирали — соленоиду. Эта плотная нить в свою очередь укладывается петлями с помощью белков скаффолда, а затем складывается еще разок: в петлевые домены на белках матрикса ядра.

Когда спираль ДНК сматывается с помощью гистонов и белков скаффолда получается хроматида. Две хроматиды, несущие одинаковую последовательностью ДНК, называются сестринские хроматиды. Одна или две хроматиды (их количество зависит от того, когда клетка делилась) образуют хромосому. В клетках нашего тела содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46 штук).

Как ДНК удваивается?

Когда клетка делится, каждая новая клетка хочет заполучить себе копию инструкции для жизни, поэтому ДНК приходится копировать. Удваивается ДНК полуконсервативно — это значит, что одна из цепей остается от исходной молекулы, а вторая синтезируется заново. С последовательности исходной, «материнской», ДНК по правилу комплементарности (А-Т; Г-Ц) можно переписать вторую, дочернюю, цепь ДНК.

А —Т
Г—Ц
Ц —Г

Две новые дочерние цепи строятся сразу с двух материнских цепей. Как это происходит? Для начала ДНК избавляется от гистонов. Затем фермент хеликаза расплетает двойную спираль ДНК и разрывает водородные связи между цепями. Фермент праймаза строит у каждой цепочки небольшую последовательность нуклеотидов — праймер. Праймер — это затравка для построения новой цепи ДНК. К праймерам присоединяется фермент ДНК-полимераза, который присоединяет новые нуклеотиды к строящимся цепочкам.

Когда новые цепи синтезированы, между вновь синтезированной дочерней и исходной, материнской, цепочкой ДНК возникают водородные связи, вновь образуется двойная спираль, которая снова компактно сматывается. Когда клетка поделится, получившиеся ДНК-сёстры разойдутся по ядрам образовавшихся клеток.

Как информация ДНК превращается в свойства организма?

РНК словно под диктовку переписывается с последовательности ДНК так же, как при удвоении, да-да, вы догадались, по правилу комплементарности. Но есть одно исключение: в РНК азотистое основание Тимин заменено на основание Урацил: а значит, если в кодирующей ДНК А — то в РНК считается У. Присоединяет нуклеотиды РНК-полимераза.

Когда «буквенный» состав ДНК переписан в РНК происходит ее созревание: лишние части (интроны) вырезаются, а нужные (экзоны) сшиваются вместе. Получившаяся РНК — это инструкция к сборке белка. Читают эту инструкцию органеллы под названием рибосомы, а сам процесс называется трансляция.

Рибосомы насаживаются на начало цепи РНК и движутся по ней в направлении к ее концу. В ходе движения рибосомы читают РНК по слогам, а вернее, по триплетам или кодонам,то есть по трем нуклеотидам-буквам: АГЦ, АЦА, ААГ и так далее. Каждый такой триплет обозначает какую-то аминокислоту, как показано в таблице. Аминокислоты — это строительные кирпичики белков.

УУЦ — фенилаланин
УУА — лейцин

ЦУА — Лейцин
ЦУГ

АУУ
АУЦ —Изолейцин
АУА
АУГ — метионин.

ААУ — аспарагин
ААЦ
ААА —лизин

ГУУ
ГУЦ
ГУА Валин
ГУГ

ГЦЦ
ГЦА — аланин

ГАУ —аспарагиновая кислота

ГАА —глутаминовая кислота

Когда кодон прочитан, рибосома понимает, какую аминокислоту надо присоединить, например, прочитала АЦА, — значит надо присоединить треонин, и вызывает соответствующий переносчик — транспортную РНК. Итак, рибосома движется по РНК, читает кодоны друг за другом и по о очереди вызывает тРНК с аминокислотами, которые навешиваются одна на другую. Получившаяся цепочка из аминокислот — это белок или его часть.

Почти все наши свойства определяют белки. Группу крови определяют белки на поверхности эритроцитов, белок фермент лактаза определяет вашу способность переваривать лактозу, а белок-рецептор дофамина может определять предрасположенность человека к рискованному поведению.Так послание ДНК, закодированное в А, Т, Г, Ц, через РНК, находит свое выражение в белке, который что-то делает и определяет свойства организма.

Почему во всех клетках есть полная последовательность ДНК, но часть генов не работают?

В каждой клетке нашего тела содержится полный набор генов. Но каким-то образом, разные клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами. Для наших клеток важно не столько то, какие гены находятся в ДНК, сколько то, какие именно из них активны. Будет или не будет ген работать зависит от того, сможет ли РНК-полимераза его узнать и переписать с ДНК копию РНК. Если РНК-полимераза не связывается с геном, и не переписывает его — ген молчит.

Эпигенетика — над ДНК

Чтобы привлечь РНК-полимеразу к гену существуют белки-активаторы: так называемые транскрипционные факторы. На гены транскрипционных факторов приходится очень много ДНК: всего в человеческом геноме закодировано около 20 000 белков, из них две тысячи — это транскрипционные факторы. То есть каждый десятый ген, по сути, сам ничего в клетке не производит, а лишь следит за тем, чтобы другие гены включились в нужное время в нужном месте.

Пример транскрипционного фактора — ген FOXP2. Если создать ГМО-мышей, которым внесли человеческую версию этого гена, то они лучше обучаются и пищат как-то иначе. Но ген вовсе не отвечает за строение голосовых связок или за особую активность нейронов. FOXP2 — это просто грамотный управляющий, транскрипционный фактор, который заставляет гены мыши работать как-то иначе.

Такие внешние влияния на работу генов называют эпигенетикой. Эпигенетические факторы не меняют саму последовательность ДНК, но меняют активность генов. В последнее время показано, что эпигенетическими факторами, способными «включать»и «выключать» работу генов, являются работа в ночные смены, употребление алкоголя, курение, диета и физическая активность, и даже то, испытывали ли ваши родители стресс.

Как ДНК передается детям?

У человека в ядре каждой клетки хранятся 23 пары хромосом, всего 46 штук. Исключение составляют половые клетки: сперматозоиды и яйцеклетки. В них содержится всего 23 одиноких хромосомы.

На заметку.

Если вам интересны особенности собственной ДНК, то в результатах Генетического теста Атлас вы можете найти целый раздел о необычных признаках, которые определяют ваши вкусы, чувствительность к определенным запахам и привычки.

Источник

Из чего состоит ДНК

Из чего состоит ДНК? Кому и когда удалось найти эту молекулу в клетках людей, и прочих живых существ? В чём уникальность открытия механизма наследования и чем это обернулось для всего человечества, читайте далее в этой статье.

История

Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло в 1869 году. И принадлежит открытие Иоганну Фридриху Мишеру. Он был биологом из Швейцарии и занимался изучением гноя. По большому счёту открытие можно назвать случайным, и сам Мишер не понял, что именно он открыл. Он назвал своё открытие нуклеином. А позже нуклеиновой кислотой, когда у неё обнаружились кислотные свойства.

Назначение этой кислоты было загадочно и неизвестно, хотя некоторые учёные уже поднимали вопрос о наследственности и существовании механизмов наследования. Современное представление о том из чего состоит цепь ДНК, было сформировано Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Несколько ранее, в середине тридцатых годов советские ученые А.Р. Кезеля и А.Н. Белозерский доказали, что ДНК встречается у всех живых видов. До их работы считалось, что эта молекула присутствует только в организме животных видов, а в растениях присутствует только РНК.

Тот факт, что дезоксирибонуклеиновая кислота является механизмом сохранения наследственной информации, был открыт только в 1944 году группой исследователей из Освальда. Так, совокупными усильями разных учёных мира была приоткрыта тайна эволюционного процесса и механизмов в его основе.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

Строение молекулы ДНК

Путь от цепочки к хромосоме

У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.

Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Спираль генов, как не казалась бы она мала, всё же очень большая для микромира. Вероятно отсюда и её спиральная форма, которая позволяет ей быть более компактной. Помимо обычной спиральности ДНК может закручиваться и в форму суперспирали. Суперспирализация – это явление, когда двойная спираль накручивается на гистоновый белок, и получается, что-то вроде биокатушки. Если закручивание в двойную спираль укорачивает цепочку генов в 5 или 6 раз, то суперспирализация доводит это сокращение до 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Гены это самая изученная и расшифрованная на сегодня часть ДНК. Так, каково строение генов ДНК? Фактически цепочки нуклеотидов из генов и состоят. Именно гены определяют цвет глаз, волос, форму черепа, рост, группу крови и прочие физиологические качества.

Остаётся ещё много областей генома, функциональность которых не известна. Всё, что пока о них могут сказать генетики, это то, что данные области генома не участвую (по крайней мере, напрямую) в формировании организма и его функционировании.

Хромосома: определение и описание

Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Чем отличаются хромосомы друг от друга

На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:

Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.

Науке известных хромосомы трёх основных форм:

Всего в клетке человеческого организма находится 46 парных хромосом: 22 пары «обычных» и одна пара половых (ХХ у женщин и XY у мужчин). Интересный факт – если добавить или отнять всего одну пару хромосом, человек может стать помидором или орангутангом.

Наследственные болезни

Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.

Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.

Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.

Существуют и более сложные повреждения ДНК человека, которые вызывают врождённые наследственные заболевания. Например, одна лишняя хромосома в 21 паре вызывает у человека болезнь Дауна с самого рождения.

Расшифровка ДНК

Расшифровка ДНК клетки это большое и дорогостоящее исследование всех известных человеческих генов. А после завершения исследовательского проекта «Геном человека» это порядка 25 тысяч генов. И хоть расшифровка значительно подешевела, и за прошедший десяток лет упала со ста тысяч долларов до двух тысяч на одного человека, далеко не каждому это покажется приемлемой ценой.

Для удешевления медицинских и генетических исследований всю расшифровку генома разделили тематически. Так стали появляться различные тестирования, по этому принципу они и планируются – выборка генов отвечающих за интересующие тематику исследования процессы.

Синтез РНК

Нуклеотиды (из которых формируются гены) подразделяются на 4 образующих элемента: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые содержат остатки фосфора, пептозы и азотистого основания. В цепочках ДНК эти нуклеотиды располагаются параллельно друг другу строгими парами: аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином.

Необходимо подчеркнуть, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты ни целиком, ни частично не может (или не должна) покинуть пределов ядра. РНК выступает в роли копии участка цепи генома, которая способна покинуть ядро, попасть в саму клетку и воздействовать на идущие в ней процессы. И происходит это удивительным образом:

Синтез белка при помощи генов

Основное взаимодействие, которое происходит между генами и клеткой заключается в том, что разные гены могут заставлять клетку синтезировать различные белки с самыми неожиданными свойствами. Так группа генов участвующих в процессе старения клетки может, как заставить её стареть быстрее, так и омолаживаться. То есть, генов не только много, каждый из них может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Факты о ДНК

Источник

Спираль ДНК

Надежным хранителем нашей генетической информации является ДНК. Открытие спирали стало революцией в мировой науке. После этого удалось раскрыть код наследственности, идентифицировать генетический риск, начать формирование запрограммированных свойств организма и создавать технологии генной инженерии. Но что это за разноцветная спираль? И из чего состоят закрученные цепочки?

Что такое ДНК?

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик

Источник фото: https://www.thetimes.co.uk/article/being-objectionable-is-in-his-dna-james-watson-derides-former-colleagues-szhlbtctl

Аббревиатура ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота, которая несет в себе генетический код всего живого. Она находится в клеточном ядре. Ядро же – это маленькая органелла, окруженная специальной мембраной, в которой надежно хранится генетический материал – ДНК.

ДНК представляет собой длинную молекулу, похожую на переплетение нескольких разноцветных нитей. Ее структурные элементы – нуклеотиды. Всего их существует 4 вида: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Нуклеотиды соединяются в цепочку ДНК в определенной последовательности: ГГААТЦТААГ.… Впервые ее расшифровали Джеймс Уотсон и Френсис Крик.

Разноцветные нити

Каждая молекула ДНК есть переплетения двух цепочек нуклеотидов, закрученных
вокруг друг друга в виде спирали.

Как же эти цепочки держатся и закручиваются в спираль?

Такой феномен происходит из-за комплементарности.

Вот так выглядят пары:

Г — Ц
Т — А
Т — А
Ц — Г

Нуклеотидные цепочки ДНК закручиваются вокруг друг друга не просто так. Количество нуклеотидов огромно, поэтому для их размещения нужно много места. По этой причине они закручиваются в виде спиралей, в каждой из них которых по две нити. Такое явление называется спирализацией, благодаря которой цепочки ДНК укорачиваются в 5-6 раз.

Не все молекулы ДНК организм активно использует, а иногда не использует и вовсе. И тогда такие молекулы ДНК, помимо спирализации, «упаковываются» еще компактнее – они укорачиваются в 25-30 раз.

Раскодирование

Молекула ДНК – это закодированная матрица, для разгадки которой нужно постараться. Чтобы прочесть информацию с нее, такие данные сперва попадают на специальный переносчик – РНК (химически рибонуклеиновая кислота). Она отличается от ДНК своей «сверхспособностью» проходить через мембрану ядра в клетку, в то время как ДНК «умеет» находиться только в ядре. Закодированная информация используется в самой клетке.

Нити ДНК, благодаря которым можно «считать» информацию, начинают раскручиваться, а потом параллельно создается комплементарная цепочка РНК. Копия РНК проходит через клетку, а потом попадает в цитоплазму. Там она подобно матрице способна встраиваться в специальные ферментные системы (рибосомы), которые могут синтезировать последовательность аминокислот белка.

На основе триплетного кода рибосома определяет, какую именно аминокислоту надо присоединить к растущей белковой цепи. За кодировку каждой аминокислоты отвечает определенный триплет.

Все происходит так: рибосома «считывает» триплет, а потом определяет, какую аминокислоту надо присоединить следующей по мере считывания информации в РНК.

В конечном итоге цепочка аминокислот оказывается сформированной. Она обретает пространственную форму, чтобы затем стать белком, который выполняет ферментные, строительные, гормональные и другие функции. Белок важен для любого живого организма. Он, будучи продуктом гена, определяет свойства, качества и внешние проявления генов.

Источник

Как делается ДНК-тест: этапы проведения

Заинтересовались возможностью сделать ДНК-тестирование, но хотите лучше ознакомиться с этой темой? Как делается ДНК анализ? Что можно узнать с помощью тестирования, как проводится ДНК тест, как долго делается тест, сколько он стоит и прочее далее в этой статье.

Сферы применения

Криминалисты первыми оценили все преимущества, тогда ещё молодой и не развитой методики ДНК-тестирования. И, тут не обошлось дело без случайного совпадения. Открытие ДНК-идентификации по аналогии с идентификацией по отпечаткам пальцев, открыл британский ученый Алек Джеффрис 10 сентября 1984 года. Он занимался изучением отклонений в хромосомной ДНК с помощью её рентгеновских снимков, а заметил, что нуклеотиды имеют уникальную последовательность и у всех она различается.

Открытие дало старт тому многообразию применения анализа ДНК, что есть на сегодняшний день – мы можем наблюдать, как невероятная технология из фантастики становится обыденной реальностью. Удивительно, что Алек Джеффрис так и не удостоился нобелевской премии. Он всё еще живет в Великобритании и ему 69 лет.

В наши дни с помощью теста ДНК можно:

И это только из доступного широкой общественности спектра возможных применений. В перспективе ученые-генетики надеются найти секрет если не вечной жизни, то разработать метод многократно её продлить.

Материалы для анализа

Выделить молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты можно почти из любого образца человеческих тканей и жидкостей. Благодаря легкости применения в домашних условиях, наибольшее распространение получил метод выделения ДНК из слюны испытуемого. Для того, что бы самостоятельно собрать слюну на анализ ватной палочкой, не нужны особенные навыки и знания. Достаточно соблюдать чистоту и гигиену. Непосредственно перед взятием пробы желательно не есть за 2-3 часа. Пить лучше тоже умеренно, по одному-двум глотками и только воду.

Для анализа подойдут: обрезки ногтей, волосы, окурки, жевательная резинка, пятна физиологических жидкостей на ткани и т.д.

Процедура проведения

ДНК-тесты весьма разнообразны, но процедура их проведения проходит по одному и тому же принципу. Есть общая цепочка событий, которую проходят далеко не все тесты: например для выявления в образце наличия вирусов и инфекции нет необходимости секвенировать ДНК, а достаточно выявления одной чужеродной молекулы в образце.

Самые сложные и дорогие тесты, которые охватывают весь исследовательский процесс, состоят из таких рабочих этапов:

Расшифровка полученных данных

Расшифровка данных заключается в кропотливом сравнении положения генов и их формы с базой данных эталонов. Так выявляется, как ген ведет себя, и к каким последствиям приводит его индивидуальная деятельность и деятельность в связке с другими генами.

Расшифровка занимает больше время, чем другие этапы анализа.

Диагностика заболеваний

Наверно наиболее полезное для людей и перспективное направление генетических исследований – это диагностика заболеваний на ранних стадиях, и даже раньше. На сегодняшний день тестирование позволяет:

Родство

Самый востребованный среди обычных людей анализ ДНК – это тестирование на отцовство. Не редко к нему прибегают одинокие матери, что бы привлечь отца к ответственности и заставить выплачивать алименты. Бывает, что положительный результат исследований дает право претендовать на получение наследства.

Но этим возможности исследований не ограничиваются:

Генетическая экспертиза

ДНК экспертиза личности это почти 100%ый способ установить личность человека по мельчайшим биообразцам его тканей и физиологических жидкостей. Чаще всего это необходимо в криминалистике для установления всех участников трагедии, выяснении личности предполагаемого убийцы, или жертвы, если ни как иначе определить личность не представляется возможным. Бывает, что вследствие травм, или болезней, человек может потерять ориентацию и забыть где он живет, и как его звать – в таких случая ДНК-анализ позволяет определить, кто это и найти родственников данного человека.

Что расскажет ДНК-тест

Уникальная особенность ДНК состоят в том, что она хранит в себе исчерпывающую информации о всех физиологических особенностях организма. Поэтому, теоретически с помощью анализа ДНК можно узнать об организме и здоровье человека всё в мельчайших подробностях. Многое из этого уже доступно для широкой общественности и с каждым годом мировое сообщество исследователей расширяет, и пополняет возможности тестирования.

Стоимость проведения

Стоимость проведения тестирования, как и его сроки, может значительно колебаться в диапазоне от нескольких тысяч рублей за самое простое тестирование, до десятков тысяч за полноценный глубокий анализ ДНК. Цена исследования зависит от ценовой политики лаборатории и её успешности, от наличия у клиники собственной лаборатории, от объемов необходимого исследования. Наибольшую стоимость в проведении анализа составляют реагенты, необходимые для выявления генов и их расшифровки – соответственно, чем больше генов необходимо расшифровать, тем дороже обойдется все исследование, и больше времени займёт.

Источник

Реалии ДНК-«аномалии»

10 декабря 2015

Реалии ДНК-«аномалии»

Автор

Редактор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: ДНК — двойная спираль? Не всегда. Отдельные островки наших молекул наследственности могут по ошибке принимать довольно экзотические формы. Например, сворачиваться в спирали из четырех полигуаниновых нитей — вопреки классическим принципам молекулярной биологии. Но действительно ли подобные аномалии возникают «по ошибке»? Или природа давно уже «оседлала» эту странность нуклеиновых кислот, поставив её себе на службу? Можно ли считать четверные G-спирали рабочими «деталями» сложнейшей машины геномной регуляции? И случайна ли их причастность к процессам старения и канцерогенеза?

Обратите внимание!

Эта работа заняла первое место в номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» конкурса «био/мол/текст»-2015.

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В мистическом фильме Д. Аронофски «Фонтан» присутствует весьма интересный образ. Конкистадор, отправившийся по велению испанской королевы на поиски древа вечной жизни (далекими прототипами героев здесь, по-видимому, послужили первооткрыватель Флориды Понсе де Леон и король Испании Фердинанд), находит его в храме индейцев Майя в Южной Америке. Однако, вкусив млечного сока этого древа, герой понимает, что что-то пошло не так. Вместо того чтобы обрести бессмертие, он начинает прорастать цветущей травой и полностью становится субстратом для этой буйной, паразитической по сути, растительности. Иными словами, у человека и у природы могут быть разные, если можно так выразиться, представления о жизненной силе и долголетии. И, возможно, именно поэтому в поисках путей продления жизни, мы постоянно натыкаемся на опасность канцерогенеза. Будь это исследования в области стволовых клеток, попытки преодолеть так называемый предел Хейфлика с помощью фермента теломеразы либо иные способы борьбы с клеточным старением. Всякий раз геронтология и онкология идут «рука об руку», теснейшим образом переплетаясь. И одной из точек сопряжения этих двух областей можно считать удивительные структурные аномалии ДНК, носящие название G-квадруплексов.

ДНК не по канону

Мы привыкли думать о ДНК как о двойной спирали, в которой азотистые основания нуклеотидов на противоположных цепях однозначно соответствуют друг другу: аденин — тимину, гуанин — цитозину. Эта, безусловно, фундаментальная особенность нуклеиновых кислот лежит в основе механизмов наследственности. Именно благодаря ей становятся возможными удвоение и корректирование ДНК, а также реализация генетической информации в структуре РНК и белков.

Однако на деле наши молекулы наследственности оказываются куда гибче, подвижнее и причудливее, нежели это было некогда описано легендарными нобелевскими лауреатами Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Например, подобно РНК, ДНК может формировать так называемые шпильки, которые на двойной спирали приобретают вид крестообразных структур (рис. 1). Эти «аномальные» образования принимают активное участие в регуляции работы с генетической информацией и задействованы как в копировании ДНК (репликации) [1], так и в переносе информации с ДНК на РНК (транскрипции) [2].

Рисунок 1. Формирование крестоообразных структур ДНК. Рисунок с сайта www.physoc.org.

Конечно, «крестами» и шпильками дело не ограничивается. К числу возможных конформаций ДНК относятся также тройные (рис. 2Б) и даже четверные спирали (рис. 2В), возникающие в результате неканонических связей между азотистыми основаниями [3]. В течение последнего десятилетия заметно возросло внимание к так называемым G-квадруплексам — структурам, представляющим собой спирали из четырех нитей ДНК или РНК, соединенных одними только гуанинами. Постепенно выясняется, что эти образования играют весьма важную роль в регуляции активности генов, в генетической изменчивости и в функционировании теломер [4].

Рисунок 2. Двойная (а), тройная (б) и четверная (в) спирали ДНК. Рисунок с сайта www.konan-fiber.jp.

Рисунок 3. «G-ДНК». а. Строение G-тетрады; М + — одновалентный катион. б. Формирование G-квадруплекса из 1) одной, 2) двух и 3) четырех нитей ДНК. Рисунок с сайта www.chem.cmu.edu.

Способность гуанина к самоассоциации была обнаружена еще в конце 19 века. И только в 1962 году удалось установить, что в растворах он образует агрегаты из четырех молекул (называемых G-квартетом, или G-тетрадой) [5]. Такие тетрады скрепляются между собой неканоническими (то есть, не предусмотренными в модели Уотсона — Крика) водородными связями, называемыми «хугстиновскими» — по фамилии их первооткрывателя [6]. При этом входящие в них гуанины располагаются в одной плоскости и нуждаются в стабилизации моновалентными катионами (например, K + или Na + ) (рис. 3а).

Содержащие гуанин нуклеиновые кислоты в растворе могут образовывать такие структуры из одной, двух или четырех различных нитей (рис. 3б). Однако стабильными они будут лишь в том случае, когда три и более G-тетрады сгруппируются в плотную «стопку», «подперев» друг друга межплоскостными стекинг-взаимодействиями и сформировав тем самым G-квадруплекс (G4-структуру). А для этого, в свою очередь, необходима «счастливая встреча» четырех полигуаниновых участков (GGGn), находящихся либо на одной, либо на разных молекулах ДНК или РНК [7].

Нанопроводники

Интересно, что полигуаниновые цепи ДНК в растворе образуют четырехспиральные жгуты, для которых, к слову, зафиксирована способность эффективно проводить ток. Это свойство создает перспективу их использования в качестве нанопроводников [8, 9].

Правда, на каждое правило есть свои исключения. Здесь можно привести в пример синдром ломкой X-хромосомы, возникающий вследствие экспансии многочисленных (более 200) повторов (CGG) в гене FMR1, необходимом для развития нервной системы. Матричная РНК такого мутантного гена способна формировать вполне стабильные четверные спирали даже из двухгуаниновых мотивов. То есть, в нашей «стопке» будет всего лишь две G-тетрады (рис. 4) [10].

«Значит, это кому-нибудь нужно?» © В. Маяковский

Рисунок 4. «Двуслойный» квадруплекс, формирующийся из четырех мотивов (GG) на РНК гена FMR1 при синдроме ломкой X-хромосомы. Рисунок с сайта www.computer.org.

Разумеется, то, что возможно в пробирке, далеко не всегда имеет место в живой клетке. Однако последние годы было убедительно показано, что G-квадруплексы действительно образуются in vivo в хромосомах живых организмов [11, 12]. И, кроме того, методами биоинформатики в геноме человека обнаружено порядка 376 тысяч районов, в которых потенциально могут возникать эти четырехспиральные образования. Интересно, что такие участки, как правило, находятся в составе регуляторных генетических элементов (промоторов, терминаторов, нетранслируемых последовательностей матричной РНК), теломер, рибосомных РНК и интронов, то есть последовательностей, не кодирующих структуру белка. Тогда как кодирующие фрагменты ДНК (экзоны) преимущественно «очищены» от подобных нуклеотидных мотивов [13, 14]. И неудивительно! Ведь, забегая вперед, нельзя не отметить, что такие гуаниновые «узелки» способны становиться очагами генетической нестабильности, провоцируя появление серьезных мутаций. Поэтому направленность естественного отбора в данном случае вполне понятна.

Однако почему-то всё тот же естественный отбор способствовал заметному скоплению потенциальных G4-структур в области генных промоторов, то есть, участков ДНК, определяющих производительность данного гена и позволяющих её регулировать [13]. Причем особенно ярко это выражено в группе онкогенов, повышенная активность которых необходима для возникновения и развития раковых опухолей. Тогда как, к примеру, встречаемость вероятных G-квадруплексов в промоторах генов — супрессоров раковых опухолей (призванных подавлять канцерогенез) значительно ниже, чем в среднем по геному [15, 16]. Более того, последовательности многих промоторов и интронов, особо обогащенных потенциальными G4-структурами, достаточно консервативны, то есть несут общие черты у целого ряда эукариотических организмов [17, 18].

Картину дополняет то обстоятельство, что живые системы не пожалели времени и сил на выработку специальных белков, способных связываться с G-квадруплексами, либо формируя и стабилизируя их, либо «разворачивая», «расплетая» или просто разрезая [19]. Бесполезным или «не существующим» в клетке структурам (каковыми их вплоть до недавнего времени считали многие исследователи) эволюция столько внимания не уделяет. Как отметил более 30 лет назад нобелевский лауреат Аарон Клуг: «Если G-квадруплексы так легко формируются in vitro, природа, должно быть, нашла путь применения их in vivo» [4]. С каждым годом мы получаем всё больше подтверждений этому прозорливому высказыванию.

Из двойной спирали — в четверную

Чтобы сформировать в ДНК такую крупную структуру, как G-квадруплекс, необходимо предварительно подвергнуть плавлению (разъединить) соответствующий участок классической двойной спирали. Длина таких участков может составлять несколько десятков нуклеотидов. К примеру, общая формула для поиска потенциальных G4-структур в геноме, использованная в работах исследователей из Кэмбриджского университета, выглядела как (G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃) — то есть, предполагала длину квадруплекса от 15 до 33 пар оснований [13] (хотя это далеко не единственный вариант [14]). Теоретически G-квадруплексы могут возникнуть практически в любом месте генома— при условии образования достаточно длинного однонитевого ДНК-фрагмента [16]. Другое дело, что по показателям стабильности они будут существенно проигрывать.

Наиболее благоприятные условия для высвобождения протяженных кусочков одноцепочечной ДНК создаются, прежде всего, во время репликации. И действительно: количество G4-структур в клетке заметно (приблизительно в пять раз) возрастает именно при удвоении хромосом [20]. В идеале, по завершении копирования наследственного материала все гуаниновые «узелки» (и старые, и новые) должны удаляться, поскольку в это время клетка буквально «причесывает» свою ДНК. Однако, как показывает практика, часть G-квадруплексов остается и присутствует в геноме на протяжении всего клеточного цикла [11, 12, 20]. Более того, по-видимому, сам процесс репликации нуждается в наличии G4-структур. В частности, они входят в состав ориджинов (геномных районов, с которых начинается репликация) позвоночных животных и, по одной из версий, определяют направление движения ДНК-полимеразы — «копировальной машины» ДНК [21, 22].

Образованию четверных гуаниновых спиралей могут способствовать не только репликация, но и транскрипция (считывание гена), а также репарация (починка) хромосом [23]. Кроме того, в ядре возможно спонтанное плавление двойной спирали ДНК, возникающее в результате тех или иных молекулярных эффектов [24, 25]. В конце концов, появление G4-структур может быть обусловлено целенаправленным воздействием на ДНК специальных белков — шаперонов, призванных формировать квадруплексы там, где это положено [19].

Куда легче дело обстоит с РНК, однонитевыми по своей природе молекулами. Исключительная гибкость и отсутствие «обременения» в виде второй комплементарной цепочки позволяет им свободно принимать самые разнообразные конформации. И не случайно потенциальные G4-спирали нашлись в нетранслируемых (то есть, входящих в состав матричной РНК, но структуру белка не кодирующих) областях более чем 3000 человеческих генов [26, 27]. Кроме того, в последние годы перспективным представляется исследование гибридных квадруплексов, состоящих из ДНК и РНК. Интересно, что для их формирования достаточно не четырех, а всего лишь двух полигуаниновых участков на ДНК (два других автоматически будут присутствовать на считываемой с гена РНК) [28].

На самом краю хромосомы

А теперь — всё внимание таким удивительным ядерным структурам, как теломеры [29]! Располагаясь на концах линейных хромосом ядерных организмов, они призваны защищать генетический материал от разрушения. Структуры всех эукариотических теломер удивительно консервативны: они представляют собой цепочку из многократно повторяющихся нуклеотидных мотивов. В человеческом геноме это мотив (TTAGGG) (обратим внимание читателя на тройной гуанин), воспроизведенный 1000–2000 раз [30]! Не правда ли, идеальная среда для возникновения многочисленных G-квадруплексов? Но и это еще не всё: на конце теломер человека и других теплокровных животных располагается довольно протяженный, 30–300 нуклеотидов, участок однонитевой ДНК со свободным 3’-концом [31]. Состоит он из всё тех же повторов (ТТАGGG). И уж здесь-то образованию гуаниновых узелков ничто не мешает.

Теломерные последовательности, будучи извлеченными из ядра или синтезированными, действительно массово формируют G-квадруплексы [4]. Однако доказательство их наличия в клетке требует куда более тонких подходов. С помощью меченых антител, специфически связывающихся с G4-структурами, было показано, что последние действительно образуются на концах хромосом (правда, не всех). По крайней мере, около 20% всех сигналов были зафиксированы именно там [20]. Возникают ли обнаруженные квадруплексы собственно в теломерах либо в близлежащих областях хромосом, по этим данным сказать трудно, поскольку разрешение метода сильно ограничено. Однако нам достоверно известно, что многие теломерные белки действительно взаимодействуют с G4-структурами (либо формируя их, либо разрушая), и это один из главных аргументов в пользу их полноценного участия в жизни теломер [19]. А уж о том, что эта «жизнь» чрезвычайно важна для нас в контексте вопроса о здоровье и долголетии, говорить не приходится.

Судя по всему, G-квадруплексы задействованы в формировании защитного колпачка, или кэпа, на конце теломеры. В клетках человека такое «кэпирование» осуществляется шелтерином — комплексом из шести белков. Он предохраняет линейную хромосому от излишнего внимания клеточных «контролёров», считающих, что конец цепочки ДНК — это повреждение, требующее соответствующих методов «лечения». А в области теломер такое «лечение» оборачивается катастрофическими последствиями: «сшивкой» разных хромосом и, в итоге, гибелью клетки либо запуском канцерогенеза [32].

С G4-структурами взаимодействуют такие шелтериновые белки, как TRF2 и POT1. При этом TRF2 связывает и стабилизирует квадруплексы на однонитевом 3’-фрагменте, тогда как POT1 обусловливает распад гуаниновых четверных спиралей [19]. Иными словами, квадруплексы при образовании «кэпа» нужны, но дозированно.

Предполагаются самые разнообразные варианты участия G4 ДНК в «кэпировании» хромосом [33]. G-квадруплекс может быть необходим для образования специфической теломерной структуры, именуемой T-петлей (теломерной петлей) (рис. 5, 6а). Он возникает либо при простом запетливании однонитевого 3’-фрагмента (рис. 6б), либо при его внедрении в двойную спираль теломерной ДНК (рис. 6в) [34]. Таким образом осуществляется маскировка свободного 3’-конца (в общем случае распознаваемого клеткой как сигнал тревоги) [33].

Рисунок 5. Т-петля на конце теломеры под электронным микроскопом. Фото с сайта web.pdx.edu.

Рисунок 6. Различные виды Т-петель. а. T-петля без квадруплекса; б. T-петля с квадруплексом, замыкающим однонитевой 3’-фрагмент теломеры на себя; в. T-петля, образующая квадруплекс при внедрении однонитевого 3’-конца в двойную спираль теломерной ДНК. Рисунок с сайта pubs.rsc.org.

Помимо этого, обсуждаются альтернативные T-петле способы «кэпирования» хромосом. По одной из версий, одноцепочечная 3’-ДНК формирует плотный ряд G-квадруплексов, стабилизирующих однонитевой фрагмент и предохраняющих его от деградации особо ретивыми клеточными белками (рис. 7) [35]. Вероятно, подобный способ защиты теломеры используется в тех случаях, когда полноценного шелтерина на конце хромосомы не образуется [36].

Рисунок 7. Защита теломеры с помощью серии G-квадруплексов, образующихся на однонитевом 3’-конце. Рисунок из [4].

Не исключено, что в клетках человека в той или иной мере реализуются оба способа «обороны» теломеры с участием G4-образований. Иное дело, что такая «оборона» может оборачиваться для нас рядом неприятных моментов.

Точка обратного отсчета

Согласно наиболее популярной точке зрения, именно в теломерах спрятан ключ (по крайней мере, один из главных таких ключей) к пониманию процесса старения и ограниченной продолжительности нашей жизни. Линейные хромосомы, в отличие от циклических, коими могут похвастаться большинство доядерных организмов, как правило, не способны удваиваться вечно. Каждый цикл репликации, в силу особенностей организации этого ферментативного механизма, приводит к укорочению одной из дочерних нитей ДНК на 50–100 нуклеотидов. В итоге, после 50–60 раундов копирования наследственного материала потери в длине теломеры становятся неприемлемыми, поэтому клетка запускает процесс своего старения (сенесценции) либо гибнет [30, 37]. Правда, всем известные стволовые клетки являются ярким исключением из этого общего правила [38, 39]. (А еще — клетки растений, меняющие длину теломер в зависимости от времени года [40].)

Исследуя механизмы старения человека, невозможно обойти вниманием такое наследственное заболевание как синдром Вернера. Проявляется оно в ускоренном старении организма и сопровождается всеми сопутствующими эффектами: снижением иммунитета, повышением риска раковых заболеваний, многочисленными физиологическими нарушениями, характерными для людей преклонного возраста. Причиной этого синдрома оказалось нарушение структуры белка — геликазы WRN, основной функцией которого является расплетание теломерных квадруплексов. В результате во время репликации синтез дочерней цепи ДНК тормозится и обрывается в месте образования G4-структуры. Это приводит к галопирующему укорочению теломер и, соответственно, раннему запуску клеточного старения [41]. Аналогичного эффекта в культурах клеток можно добиться искусственным путем, повышая стойкость квадруплексов за счет их связывания со специальными химическими веществами [42].

Можно спорить по поводу применимости модели наследственного заболевания в деле расшифровки механизмов нормального, не патологичного старения. Однако совершенно не исключено, что не расплетенные вовремя теломерные квадруплексы задействованы и в этом случае. Вспомним, к примеру, как долгое время считалось, что синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда, связанный с преждевременным старением у детей, не имеет отношения к старению как таковому. В дальнейшем же было показано, что вызывающий эту болезнь прогерин образуется и в коже обычных пожилых людей [43].

Помимо этого, не секрет, что одной из вероятных причин старения является накопление в геноме повреждений, вызванных окислением свободными радикалами [44]. Причем существенная часть из них концентрируется именно на теломерах [45]. Возможных объяснений такому предпочтительному поражению кончиков хромосом довольно много. По-видимому, в этом виновны и сниженная (силами шелтериновых белков) активность ферментов «ремонта» ДНК, и особенности нуклеотидной последовательности теломерной ДНК. И здесь опять имеет смысл вспомнить про наши G-квадруплексы! Ведь они, помимо всего прочего, оказываются особенно чувствительными к окислительным повреждениям [46].

Смертельно опасная «вечная» жизнь

Говоря о теломерных G4-структурах, нельзя обойти вниманием тот интригующий факт, что, располагаясь на концах 3’-выступа, они блокируют работу теломеразы. А ведь это тот самый широко популяризованный фермент, на который возлагалось столько надежд, и за изучение которого в 2009 году была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине! Теломераза наращивает 3’-концы теломер и таким образом нивелирует их естественное укорочение. Иными словами — продлевает активную жизнь хромосомам и, соответственно, клетке [29]. Однако G-квадруплексы не просто мешают теломеразе делать свое дело — помимо этого, они, располагаясь в области промотора гена TERT, подавляют ее синтез в клетке [47]. И, конечно, этот эффект можно было бы счесть за негативный, если бы не один весьма печальный факт. Дело в том, что избыточная активность теломеразы создает весьма благоприятную среду для перерождения нормальных клеток в раковые. От работы этого фермента сильно зависят порядка 90% всех злокачественных опухолей, ведь он позволяет перерожденным клеткам делиться бесконечно долго [47].

Блокирование работы теломеразы составляет одну из функций гена BRCA1. BRCA1 — широко известный супрессор раковых опухолей, то есть ген — «борец» с канцерогенезом. Он является важным компонентом системы исправления ошибок в ДНК и контролирует активность целого ряда генов, в том числе задействованных в образовании опухолей [48]. Поэтому мутации в BRCA1 зачастую приводят к развитию рака груди и яичников [49], а в России они — в «лидерах» генетических причин возникновения онкозаболеваний [50]. Интересно, что подавление теломеразы этим (весьма немаловажным, как мы убедились) белком осуществляется не только за счет регуляции активности кодирующего её гена TERT [51], но и за счет прямого вмешательства в её работу на теломерах. В частности, предполагают, что BRCA1 связывается с теломерными квадруплексами и стабилизирует их, в результате чего наш «фермент молодости» остаётся не у дел [19].

Как было отмечено выше, TERT — отнюдь не единственный регулируемый G-квадруплексами ген, благоприятствующий развитию злокачественных опухолей [15]. Помимо него в этом ряду фигурируют c-MYC, c-KIT, BLC2, VEGF, HIF-1a и целый ряд других известных онкогенов [52]. Разумеется, такая закономерность не могла не привлечь внимания ученых, занятых поиском средств против рака. Сегодня существует целый ряд работ, посвященных влиянию тех или иных квадруплекс-связывающих веществ на рост и развитие раковых клеток. И, по результатам этих исследований, искусственное укрепление G-квадруплексов представляется чрезвычайно перспективным путем лечения онкологических заболеваний [47, 52].

По лезвию бритвы

Как гласит известная легенда, Будда Шакьямуни обрел просветление, услышав фразу учителя музыки, адресованную его ученику: «Если ты ослабишь струну, музыка не зазвучит, а если ты перетянешь её, она порвется». И этот принцип в полной мере относится ко множеству, если не ко всем биологическим процессам.

Те же самые G4-структуры, которые столь перспективны в рамках лечения раковых опухолей, могут сами по себе становиться провокаторами канцерогенных заболеваний. Вспомним вышеупомянутый синдром преждевременного старения Вернера. Возникает он на фоне недееспособности геликазы WRN, в норме «развязывающей» гуаниновые «узелки» на теломерах. В наших клетках существует целый спектр таких белков, призванных тем или иным способом удалять G-квадруплексы, дабы освободить дорогу ферментам репликации. Если же этого не происходит, то копирование ДНК стопорится в месте образования G4-структуры. В результате запускается целый ряд процессов, приводящих к разрывам ДНК, хромосомным перестройкам и мутациям наследственного материала [36, 41].

Так, например, при повреждении гена специализированной на G-квадруплексах геликазы BLM возникает синдром Блума. Проявляется он в низкорослости и ранней предрасположенности к целому ряду онкозаболеваний. Нарушение функции геликазы FANJ приводит к развитию анемии Фалькони, сопровождающейся повышенной хрупкостью хромосом и склонностью к лейкозам. Аналогичным образом мутации в гене геликазы RETL1 увеличивают чувствительность организма к некоторым видам рака. Этот список можно было бы продолжить целым рядом наследственных заболеваний, провоцирующих канцерогенез. И все они связаны с генетической и теломерной нестабильностью, вызванной «стойкими» ДНК- и РНК-квадруплексами [41].

Иными словами, чтобы «музыка», исполняемая оркестром генных и теломерных G-квадруплексов, звучала, необходима тонкая настройка их жесткости. По-видимому, мы имеем дело с чрезвычайно широкой и сложной сетью структурных ДНК-аномалий. Возникающих как спонтанно, так и при помощи специальных белков. Чувствительных как к молекулярному окружению, так и к физико-химическим условиям среды. Способных как предотвращать раковые заболевания, так и провоцировать их. Принимающих участие как в защите теломер, так и в процессах клеточного старения.

Источник

Второй язык ДНК

22 февраля 2021

Второй язык ДНК

ДНК не то, чем кажется. И то, чем кажется, тоже. Но не всегда.

иллюстрация автора статьи

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: ДНК — основа жизни. В «сердце» клеточного ядра, в самом главном «узле» замысловатых путей метаболизма, в основании потока генетической информации покоится эта молекула — хранилище данных. Но только ли покоится? И ограничивается ли такое крупное и очень раннее изобретение эволюции «инертной» функцией хранения информации? Чтобы разобраться с этими вопросами, мы рассмотрим различные аспекты организации этой молекулы. Каждый из них может «выйти на первый план» при смене ролей ДНК — она может быть и матрицей для копирования, и местом хирургически точной посадки белков или сложных и динамичных взаимодействий с ними. В центре нашего внимания — свойства промоторов, участков, на которых начинается процесс транскрипции — «переписывания» ДНК в форму РНК. Место действия — крошечный геном бактериофага Т7 и его минималистические, очень похожие и такие различные промоторы.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта статья участвовала в конкурсе «Био/Мол/Текст»-2020/2021 в номинации «Своя работа» и будет опубликована в журнале «Природа».

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Место ДНК в клетке и обществе

Представления о ДНК сейчас есть у любого. Рэперы упоминают ее в своих текстах, sci-fi-фильмы и сериалы показывают нам ДНК разноцветной и вращающейся, а ее имя и образ мелькают в дизайне и рекламе — виртуальных и уличных. Не столько с сожалением, сколько с иронией отметим: образ, порой напрочь потерявший асимметрию желобков и правильное число оснований на виток, не говоря уже о правозакрученности. А ведь есть еще и ДНК стиля или бренда. Действительно, двухспиральный, копирующийся, таящий информацию о самом сокровенном образ плотно «лег в руку» творческих людей. Но самое, пожалуй, неопровержимое доказательство врастания ДНК в культуру и язык — ее собственная пиктограмма. Мессенджеры даже предлагают данный значок для обозначения слова «наука» наряду с учеными в белых халатах, пробирками и телескопами (рис. 1).

Рисунок 1. Пиктограммы ДНК в различных мессенджерах и социальных сетях сделают разговоры о генетике короткими и образными. Важно только не забывать — ДНК не всегда длиной в несколько витков и не сугубо «слева направо вверх».

Всё это радует и служит популяризации науки, однако не стоит забывать что в жизни — в биологической жизни — ДНК — это, чаще всего, правозакрученная двойная спираль, шаг которой охватывает примерно 10 нуклеотидов.

В тени молекулярной догмы

Итак, дезоксирибонуклеиновая кислота чрезвычайно важна и хранит информацию — а именно генетическую информацию. Чтобы ее ценное содержимое не оставалось «вещью в себе», ДНК необходимо записывать, копировать и считывать. Такие «информационные связи» ДНК были емко сформулированы Фрэнсисом Криком в его центральной догме молекулярной биологии (обозначим кратко — ЦДМБ) вскоре после установления знаменитой двухспиральной структуры молекулы в 1953 г. Согласно этой «научной догме» информация, сохраненная в последовательности нуклеотидов ДНК, может:

И уже РНК далее способна (хотя и не обязательно — может просто функционировать в клетке сама по себе):

или в особом, описанном позже, случае

Рисунок 2. Центральная догма молекулярной биологии

Простая и легко запоминающаяся схема ЦДМБ имеет всего 3 блока (соответствуют трем типам биополимеров) и 4 стрелки (соответствуют процессам, связанным с переносом информации). Она действительно стала столпом в центре молекулярной биологии, придала генетике новый смысл и оказалась «точкой роста» бесчисленных метаболических путей биохимии. И в центре центральной догмы — молекула ДНК! Однако рассматривая в ней блок ДНК, стоит помнить: «ДНК» здесь — это не вся и не всякая ДНК. Речь идет только о кодирующей ДНК, нуклеотидной последовательности которой предстоит быть транскрибируемой, а далее еще и транслируемой (причем не всегда). Репликация, впрочем, копирует всю молекулу, не разбирая областей разного типа. Зато точки ее начала — óриджины (от англ. origin — «начало») — имеют вполне определенное положение.

Что же осталось в тени процессов, объединенных информационными потоками центральной догмы? Что бы это ни было, ему есть где развернутся. На некодирующие области приходится большая часть эукариотических геномов (в случае человека — увесистые 98%). У прокариот их поменьше — в среднем, 20%. По началу такие области, не содержащие послание для передачи в РНК, называли мусорной ДНК (junk DNA) [1] и относились к ним с пренебрежением. Прошли годы, методики совершенствовались, знания неуклонно копились. И теперь мы знаем: в этом сумраке таится много полезного. Что же именно и в какой пропорции?

В некодирующей области ДНК есть, скажем, мобильные генетические элементы (прежде всего, способные перемещаться по геному транспозоны [2]), тандемные повторы разного сорта (от сателлитов до микросателлитов) [3] и прочее. Наконец, огромное значение имеют области ДНК, нужные для регуляции. Действительно, помимо блоков, ЦДМБ имеет еще и стрелки — они обозначают процессы передачи информации, вполне конкретные биохимические процессы.

Их делают возможными ферменты, по своей природе — белки. Целый «ансамбль» белков требуется для молекулярной хореографии при репликации, РНК-полимераза и ее свита необходимы при транскрипции и т.д. Важно помнить: ДНК — также активный и деятельный участник этих процессов [4].

Что регулирует эти сложные процессы, что управляет ими? Специфичное, хорошо оркестрованное взаимодействие ДНК и ДНК-связывающих белков. Дело в том, что в живой клетке (ткани, природе. ) все должно быть динамично и управляемо. Это жизненно необходимо и для разумного реагирования на удары судьбы (стрессы), и для разного рода взаимодействий клеток, и для индивидуального развития (онтогенеза).

И ДНК в этих межмолекулярных взаимодействиях подойдет не всякая: вряд ли транскрипция случайного участка генома станет разумной стратегией. В этом месте кажущаяся монотонной бесконечной ниткой с бусинами-нуклеотидами ДНК должна заиграть в нашем воображении новыми красками. В фокусе нашего внимания оказываются участники регуляции «со стороны ДНК» — ориджины репликации, промоторы, сайты формирования нуклеосом и т.п. И здесь ДНК не отделается снисходительным «позволением себя считать». Ее специализированные области регуляции чувствительны и деятельны. Они «ощущают» происходящее вокруг них — могут изменять свое состояние при изменении условий среды или при приближении «нацеленного» на них белка [5].

Притча о слепых белках и ДНК

Безусловно, ДНК далеко до структурного разнообразия белков с их неисчислимыми фолдами, укладками и т.п. Однако и у нее можно выделить иерархию уровней организации: от первичной (последовательность нуклеотидов) через небольшое разнообразие вторичных и третичных структурных блоков до четвертичной. Последняя представляет собой надмолекулярные объединения — как между разными молекулами ДНК, так и между ДНК и ДНК-связывающими белками.

Кодирующая функция той части ДНК, которая служит «матрицей» для синтеза других биополимеров, связана с особой организацией. А именно — информативные части генов руководствуются особыми «правилами грамматики» генетического кода:

и некоторыми другими.

Все эти законы не действуют на некодирующей части генома. А действуют совсем другие и для каждого типа последовательности они, в общем, свои.

Итак, работа ДНК как матрицы реализуется на уровне ее нуклеотидной последовательности. Она сводится к прочтению последовательности нуклеотидов в качестве своеобразного сигнала — такая информация может рассматриваться в отрыве от «физической сущности», самой молекулы ДНК. Об этом очень емко сказал Леонард Адлеман: «ДНК по своей сути что-то цифровое» (DNA is essentially digital). Разумеется, такому хранилищу байтов безразличны более сложные уровни организации — здесь ДНК лучше вытянуться в нитку и быть одномерной.

Таковы принципы кодирования и хранения генетической информации, изображенные в виде блоков ЦДМБ. А как насчет способов ее воплощения, то есть перевода информации одного биополимера в другой, а также всех последующих этапов экспрессии генов? Что стоит за стрелками на схеме догмы, соединяющей квадраты? Большая биохимическая работа и сложные структурные основы. Эти процессы протекают во вполне физической реальности — на них согласованно работают многие ферменты, факторы. Вовлечены в эту 3D-хореографию и специализированные области ДНК. Что же делает их такими специализированными?

В первом приближении — им следует связывать белковые молекулы. Для этого служат опять-таки разные уровни организации регуляторных ДНК: особая последовательность, структура и физико-химические свойства.

С первичной структурой (другой способ обозначить ее — сказать «нуклеотидная последовательность») все вроде проще. Если ДНК-связывающий белок находит целевой сигнал (особую последовательность нуклеотидов), то для начала связывается в этой локации. Такой сигнал может быть строгим и однозначным, как, например, в случае рестриктаз с вполне определенным сигналом из небольшого числа нуклеотидов и четким же положением, по которому происходит расщепление ДНК относительно него (в чем, собственно, и состоит задача этих эндонуклеаз) (рис. 3).

Рисунок 3. Сайт специфичного и точного связывания важной рестриктазы EcoRI и место разреза — расщепления ДНК

рисунок автора статьи

С белками вроде факторов транскрипции (TF) все посложнее. Уровень аффинности — то, насколько конкретные регулирующие уровень транскрипции белки активно связывают участок ДНК, — значительно разнится. Области ДНК, в принципе способные вызвать интерес фактора транскрипции, должны соответствовать некоторому нестрогому «фотороботу» последовательности. В результате сайтами их связывания может стать целый спектр различных первичных структур. В ряде положений им следует иметь вполне конкретный нуклеотид, в других — можно позволить себе некоторую свободу замены, в третьих — нет особой разницы, что за мономер находится в данном положении. Такие местами-строгие-местами-не-очень требования к участку ДНК описывают позиционными весовыми матрицами и изображают в виде логотипов последовательности. В них высота соответствующей буквы отражает вероятность нахождения здесь данного нуклеотида либо долю сайтов с этим мономером для рассматриваемого набора (рис. 4).

Рисунок 4. Сайт связывания фактора транскрипции CEBPB

видят ДНК совершенно по-разному.

Картина напоминает притчу о слоне и трех слепых мудрецах. Кому-то достался бок, кому-то хвост или хобот. Однако ДНК-связывающих «мудрецов» в клетке существует огромное разнообразие, и спорить кто прав им ни к чему — это сугубо человеческое занятие.

Пo мере того, как ученые вникали в интимные стороны взаимодействий ДНК и ДНК-связывающих белков, они стали различать прямое (direct) и непрямое прочтения (indirect readout) нуклеотидной последовательности. В случае прямого прочтения распознавание и связывание двух биомолекул определяется теми парами оснований, которые, собственно, контактируют с белком. Здесь все понятно. Но уже довольно давно биологи стали отмечать: не вовлеченные в прямые взаимодействия нуклеотиды определяют стабильность и специфичность связывания. В этом и состоит непрямое прочтение.

В числе первых этот аспект распознавания описан на примере такого важного фактора транскррипции, как TATA-связывающий белок (TATA-binding protein, TBP). После этого последовало множество других примеров непрямого прочтения [6].

Но и этого мало: выделили также прочтение формы (shape readout) — оно определяется трехмерной формой дуплекса ДНК. В основе этого нового видения той же ДНК — вандерваальсовы и электростатические взаимодействия. Напомним, что прямое прочтение ДНК белком зависит от водородных связей, образованных конкретными нуклеотидами и аминокислотными остатками [7].

Едем дальше: поскольку для специфического связывания ДНК и белков им нужно найти друг друга в плотном и подвижном клеточном супе, начинать надо издалека. Для этого служат различные физико-химические параметры дуплекса, причем с довольно широким контекстом — влияние физики простирается довольно далеко. В определенных случаях — на тысячи пар оснований! Список важных для регуляторных ДНК качеств следует дополнить более крупномасштабной электростатикой, исходной изогнутостью и склонностью «прогибаться» под белком, термостабильностью и многими-многими (не преувеличение) другими.

Следующий пункт. Важность великого множества одних только физико-химических и структурных свойств (не забывая и первичную структуру!) связано с тем, что, скажем, транскрипция — процесс многостадийный, и на разных этапах одни параметры ДНК могут быть важнее других. Даже инициация транскрипции насчитывает несколько этапов: посадка белков, образование закрытого комплекса, плавление дуплекса (то есть расхождение цепей) с образованием открытого комплекса и т.д. Кстати, именно инициация транскрипции — в особенности на примере прокариотических промоторов и простых РНК-полимераз, — служит элементарной системой для изучения всей сложной кухни молекулярного узнавания [8], [9].

Игра «найди промотор»

Помимо развития фундаментальной науки — включая структурную биологию и молекулярную генетику — интерес к структурным и физическим основам ДНК-белковых взаимодействий растет и из насущной практической задачи. Речь об автоматизированной аннотации геномов: применении методов биоинформатики для предсказания положения участков ДНК различного типа. Данные на входе такого анализа сейчас как из рога изобилия сыплются из секвенаторов нового поколения (NGS) [10], и их нередко замедляют затруднения «сухой» части аннотирующего конвейера. Безусловно, неоценимую помощь ученым оказывают машинное обучение и анализ данных [11]. Однако проблема не только в их несовершенстве. Дело в том, что прямой учет последовательности («текста» и «букв») четко позволяет узнать кодирующие последовательности, организованные в виде триплетов. А вот с регуляторными участками все сложнее — структура и физико-химия ДНК определяются последовательностью в широком контексте, подчас неявно и противоречиво. Рассчитав профили разных свойств ДНК, настроив надлежащий размер скользящего окна и других параметров расчета вроде условий в клетке, мы можем лучше предсказывать «размытые» и плохо предсказываемые сайты для ДНК-связывающих белков. Из таких задач самые насущные — предсказание промоторов (давняя, но едва ли решенная проблема биоинформатики) и факторов транскрипции [8], [9], [12], [13].

«Бактериофаг системы Т7»

Прогресс в науках о живом знает немало научных революций и периодов прорывного развития. Такие вдохновляющие эпохи не всегда определялись новой концепцией или гениальным пророком. Иногда он был связан с находкой новой модельной системы, которая очень хорошо подходит для исследования определенного круга проблем. «Биомолекула» посвятила настенный календарь 2020 года таким «супермоделям» — эпохальным для науки исследуемым ею живым системам. Так, Neurospora grassa — плесневый гриб, имеющий гаплоидный набор хромосом и оттого немедленно фенотипически выдающий любые мутации; маленькая аквариумная рыбка Danio rerio — удобный объект для изучения развития позвоночных и т.д. Хорошей живую модель делает простота организации, удобство в содержании и «прозрачность» — легкость, с которой мы можем наблюдать интересующий нас целевой процесс или явление. В идеале в этом модельном объекте хотелось бы еще «что-то подкрутить и поломать», чтобы узнать, для чего же оно там было исходно.

На каком примере стоит изучать ДНК-белковые взаимодействия и дополнительные к кодирующим свойства ДНК? Хороший вариант — транскрипция, первая «стрелка» на пути от ДНК «вниз по центральной догме». В ней в ходе сложных и согласованных взаимодействий сразу многих молекул происходит инициация на вполне определенных и находящихся в положении «ВКЛ» в данный момент промоторах. А факторы транскрипции участвуют в этом на правах регуляторов процесса, садясь на некоторые сайты посадки либо покидая их. Эта вакханалия подставляет великое множество примеров молекулярного узнавания и иерархической регуляции.

Пожалуй, хотелось бы вариант попроще. Для этого стоит взяться за транскрипцию прокариот. Дело в том, что ситуация в мудреном случае ядерных пугает. У них (и, стало быть, у нас) есть как минимум три РНК-полимеразы, в растениях и вовсе пять, и для их инициации и последующей элонгации нужно немало вспомогательных белков-факторов. Бактерии же обнадеживают: РНК-полимераза у них единственная, всего лишь «о пяти субъединицах» (самая ходовая эукариотическая Pol II имеет 12) и снабжена комплектом сигма-субъединиц. Эти «пристегивающиеся» модули определяют специфичность прокариотической РНК-полимеразы — то, какие промоторы могут ее заинтересовать прямо сейчас. Дежурный из этих факторов, используемый чаще прочих на фазе роста культуры, — сигма-70.

Но и это не предел. Меньше бактерий только вирусы, в том числе, бактериофаги. Эти «пожиратели» прокариотических жертв имеют соответствующий генетический аппарат. И он может на фоне исключительной изобретательности таких наноразмерных паразитов поражать небывалой простой. Обратимся в качестве удобного и ну совсем элементарного примера полимер-полимерного узнавания и роли физико-химии ДНК в инициации ДНК к бактериофагу Т7. Это последний в ряду исходно описанных фагов, поражающих Escherichia coli (рис. 5).

Рисунок 5. Бактериофаг Т7 — срез через вирион (слева) и общий вид

Сложно представить себе что-то более просто устроенное, чем Т7. Вирион бактериофага или, скажем, комплекс поры ядра клетки — примеры того, как наноразмерные биологические структуры могут превзойти любого фантаста. Тут и икосаэдрическая вирусная частица, и хвостовые нити, и система «вбрасывания» чужеродной ДНК в клетку хозяина. Настоящий роботизированный зонд-подрывник!

Его жертва — кишечная палочка E. coli — самый популярный прокариотический объект для исследований. И Т7 — инфекционный агент — внедряется внутрь ее клетки. Точнее будет сказать «в клетку внедряется его геном» — он вбрасывается через канал в основании вирусной частицы, в то время как пустой «скафандр» остается на поверхности. Его задачей была доставка генома и специфическое связывание с E. coli. После этого начинается самое захватывающее — жизненный цикл бактериофага Т7.

Биография Т7 от начала до конца. До 3′-конца

Что же попало внутрь ничего не подозревающей и гигантской по сравнению с Т7 кишечной палочки? Молекула ДНК длиной около 40 тыс. пар оснований (килобаз), имеющая обе комплементарные цепочки. У вирусов бывает и совсем по-другому — на чем и основана система Балтимора. Не замкнутая в кольцо, а линейная ДНК, — в этом отношении тоже «всякое бывает». В 40 килобазах — и сам бактериофаг Т7 (в этот момент ничего больше у него не имеется), и история его жизни. У генома фага есть интересная особенность: его «левые» области (расположены ближе к 5′-концу) работают раньше, чем расположенные в середине и, тем более, прилегающие к 3′-концу. Получается, что Т7-ДНК «прочитывается» в правильном порядке слева направо. Поэтому ее разделяют на три последовательно «включающиеся» области. Пробежимся кратко по всем (рис. 6).

Рисунок 6. Геномная карта бактериофага Т7 — это и история его жизни «слева направо»

Ранняя область ближе всего в 5′-концу и включается первой. Она населена соответствующими ранними генами. Для их транскрипции не захвативший собственную РНК-полимеразу фаг «угоняет» таковую у E. coli. Для этого у Т7 имеются подходящие «посадочные площадки» — стандартные бактериальные промоторы. Пожалуй, разве что сильнее привлекающие прокариотическую РНК-полимеразу, чем ее собственные. Прием успешного паразита, отметим мы, — будь то бактериофаг или кукушка. К тому же многие из них «столпились» вместе у самого 5′-конца. В результате фазы I коварного плана бактериофаг изменяет состояние бактерии «под себя» и появляется его собственная Т7-РНК-полимераза, которая и берет дальнейшую транскрипцию (генов II и III класса) на себя.

Далее включается область генов II класса и соответствующих промоторов. Их задача — активная наработка ДНК бактериофага (ее репликация), а также синтез лизоцима — антибактериального фермента, с помощью которого потомкам бактериофага предстоит выбраться из гибнущей клетки. Стандартный сценарий для такого литического фага, как Т7.

Наконец, область генов и промоторов III класса. Их задача — обеспечить созревание фаговой ДНК, сборку новых вирусных частиц и затем упаковать одно в другое.

На этом жизненный цикл Т7 заканчивается литической и трагической концовкой. Весь экшн занимает обычно 17 мин, по минутам же расписано переключение между его фазами [13], [14]. Но остается довольно животрепещущий вопрос: что переключает активность областей этого элементарного генома?

Промоторы — промотируют, полимераза — полимеразит

Мы уже упоминали, что раннюю область Т7-ДНК транскрибирует «хозяйская» РНК-полимераза бактерии, а далее эту работу берет на себя фагоспецифичная Т7-РНК-полимераза. Стало быть, на одной небольшой ДНК соседствуют сильно различающиеся промоторы для этих двух ферментов. «Собственные» промоторы генома Т7 меньше: они имеют длину всего 19 нуклеотидов. Ферменты и сами не одного калибра: фагоспецифичная полимераза «весит» около 100 килодальтонов (кДа), бактериальная втрое увесистее. При этом транскрипционный дуэт «РНК-полимераза Т7 + промотор Т7» связывается очень точно и специфично, что пригодится в условиях, когда можно влезть в транскрипцию соседнего похожего фага.

Вопрос возникает в связи с тем, что промоторы Т7 из разных классов или даже внутри одного класса очень похожи по своей последовательности. Многие промоторы класса III и вовсе идентичны. Напомним: речь, идет о последовательностях рекордно малой длины — всего 19 нуклеотидов. Очень напоминают они по своей последовательности и таких фагов, как SP6 или, особенно, Т3. Каким же образом Т7-РНК-полимера различает «свои» промоторы и среди своих — те, которые пришла пора связать? Различать вроде как особенно нечего. (рис. 7).

Рисунок 7. Едва различимые последовательности очень непохожих по своим свойствам нативных промоторов бактериофага T7

Здесь на сцену выходят физико-химические свойства дуплекса промоторных областей. Они могут объяснить, как РНК-полимераза Т7 распознает их и специфично, и переключаемо. Для этого процесса молекулярного узнавания важнее именно уровень физико-химических свойств ДНК — что особенно явственно в случае предельно простой транскрипционной системы Т7 [14].

Какими же параметрами ДНК могут направляться взаимодействия биомолекул?

Задолго до прямого контакта молекулярному узнаванию промотора и полимеразы может способствовать электростатический потенциал. Действительно, если мы вспомним, что каждый ее мономер-нуклеотид имеет заряженную отрицательно фосфатную группу, станет понятно — на ДНК есть к чему притянутся положительному заряду. В полном соответствии со школьным законом Кулона. Действительно, ДНК-связывающие белки с этой целью снабжены положительно заряженными участками. В случае же промоторов Т7 присутствуют и особые мотивы распределения заряда [15]. Если мы рассчитаем значение заряда вдоль оси ДНК (на основе известной последовательности нуклеотидов), то получим характерные профили (рис. 8). Заметим, что свой профиль есть и у промоторов II и III класса — по ним, в частности, фаговая РНК-полимераза их и различает.

Рисунок 8. Профили электростатического потенциала для промоторов Т7: ранних, II класса и III класса

Следующее важное свойство ДНК — дестабилизация при скручивании. Сложно подобрать простое название этому параметру, так что приведем какое есть: вызванная суперспирализацией дестабилизации дуплекса ДНК (Stress-Induced Duplex Destabilization). Если коротко, модель SIDD — это способ описать, что будет с ДНК, если на нее как следует надавить, а точнее — скрутить. Дело в том, что одни последовательности в такой напряженной ситуации могут легко расплавиться (так называют расхождение цепей ДНК), другие — выстоят, третьи — плавятся совсем не там, где от них ждешь. Это свойство важно для взаимодействия ДНК с белками и, в частности, хорошо зарекомендовало себя для предсказания промоторов [9]. Как же обстоят дела с SIDD у промоторов Т7?

Рисунок 9. Профиль SIDD для генома Т7

рисунок автора статьи

Посмотрим на профиль SIDD для всего генома бактериофага Т7. Его действительно лучше рассматривать в крупном масштабе. Дело в том, что SIDD может быть очень чувствителен к изменениям последовательности, причем довольно непредсказуемым образом. Создатели этой модели продемонстрировали: небольшое изменение последовательности может резко изменить способность плавиться при суперспирализации участка ДНК, отдаленного от «мутации» на многие сотни пар оснований. По-видимому, такие эффекты использует и природа.

Из набора промоторов Т7 SIDD показывает следующий тренд. Если промотор представляет класс III, то он гораздо более легкоплавкий — цепи дуплекса такого участка ДНК расходятся при меньшей температуре и более низкой суперспирализации. Это неплохо соотносится с экспериментальными данными о том, что промоторы разных классов активны при разных условиях окружающей среды — включая как раз таки показатель суперспиральности [4], [9].

Другая закономерность затрагивает репликацию, для которой Т7-ДНК также является хорошей моделью. Этот геном имеет специализированный ориджин (точку начала репликации), отдаленный от 5′-конца на 17% длины генома. Однако его копирование может начинаться также в ряде других точек — и это как раз таки некоторые промоторы. Удивительно, но именно они относятся к числу дестабилизированных. Удивительно и осмысленно, поскольку репликация также может требовать особых физико-химических свойств дуплекса. В частности, легкость плавление дуплекса ДНК здесь точно не помешает [5].

Безусловно, на электростатике и SIDD важные физико-химические свойства ДНК не кончаются. Изучают и термостабильность, и изогнутость, энтропию, энергию стекинга (складывания нуклеотидов «тарелками» друг на друга) и бесчисленные другие [8].

Подобные закономерности физико-химических различий промоторов ранее оказались важны для бактерии — внутриклеточного паразита Mycoplasma gallisepticum. Ее геном содержит гены семейства vlhA, собственно, делающие этого патогена патогенным — способным «обходить» иммунную защиту хозяина за счет быстрой смены репертуара поверхностных антигенов. Выяснилось: гены vlhA снабжены промоторами [16], разительно отличающимися по физико-химии дуплекса от остальных промоторов генома [17].

Исчерпывающие мутанты

Сложный характер зависимости промоторной активности от физико-химических свойств ДНК и от нуклеотидной последовательности требует полных или по меньшей мере больших данных. Вот если бы получить все или почти все возможные варианты промотора Т7 и узнать, насколько они активны. А ведь в постгеномную эпоху и век дешевых NGS это как раз таки реализуемо! И уже проделано в отношении промотора Т7. В работе [17] использована высокопроизводительная методология: в небольшие фрагменты ДНК встроили почти 8 тысяч случайным образом измененных последовательностей промотора фага Т7, а также последовательности-метки (баркоды) — чтобы потом разобрать, кто есть кто. Далее напрямую замерили их промоторную активность. Имея в распоряжении полные последовательности (промотор + небольшой контекст), нетрудно и рассчитать те физико-химические параметры дуплекса, которые не требуют значительных участков ДНК на входе (SIDD здесь, к сожалению, отпадает — ведь для расчета этого параметра дуплекса нужны очень крупные фрагменты ДНК).

Что показала данная работа и последующий анализ данных о последовательности, физико-химии и величине промоторной активности? Прежде всего, она подтвердила многие выводы о важности отдельных нуклеотидов в конкретных положениях и согласованности таких замен. Нетривиальный результат: ранее для этого ученые не одно десятилетие скрупулезно изучали геном T7 с помощью доступных тогда методов. И теперь мы знаем, что высокопроизводительный, основанный на NGS подход — хороший способ разобраться в устройстве других промоторов и вообще вовлеченных в регуляцию областей ДНК. В том числе в новых, не исследованных геномах, которые нам поставляют бесчисленные секвенаторы.

В отношении теоретической стороны вопроса промоторно-полимеразного узнавания эти работы также дали интересный результат. Оказалось, что положение –2 промотора (если считать за единицу точку старта транскрипции), которому уделялось сравнительно мало внимания при описании структурных основ инициации, очень важно для физико-химических свойств ДНК. Действительно, замена данного нуклеотида способна резко изменить профиль электростатического потенциала или склонности к изгибам. В этом положении промоторы бактериофагов (не только Т7, но и нескольких других сходной «конструкции») почти всегда находятся нуклеотиды A либо T, в единичных промоторах из десятков — G или C (рис. 7). В пределах же промоторов Т7-ДНК нахождение А или Т определяется как раз принадлежностью к «противопоставленным» друг другу группам — классам II и III. Означает ли это особую миссию –2 положения промотора Т7 или нет? Мы надеемся, что эксперименты вскоре помогут это установить [18], [19].

Источник

Код жизни. Что такое ДНК и как она влияет на жизнь человека

25 апреля – Международный день ДНК

Обо всём, что вы хотели и не хотели знать про эти три буквы, «ОнОнас» спросил у доктора медицинских наук профессора БелГУ Михаила Чурносова.

Что такое ДНК?

Мы знаем, что внешность человека, привычки и некоторые заболевания передаются по наследству. Информация о живом существе закодирована в генах, и носителем всех генов человека или животного является ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.

Молекула ДНК – одна из трёх основных, которые содержат информацию обо всех генетических характеристиках. Другие – это РНК и белки. По сути ДНК – это длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. Чтобы понять, что такое ДНК, лучше представлять не химическое соединение, а программный код, в языке которого всего четыре буквы: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). В этом коде записано, когда, сколько и каких белков будет произведено в нашем теле, начиная от формирования в виде эмбриона и до самой смерти.

А нуклеотиды – это что?

Нуклеотид – это, скажем так, кирпичик, и их нужно очень много, чтобы построить дом с кухней, залом и другими комнатами, которые находятся в определённой последовательности. ДНК человека содержит около 3 млрд пар нуклеотидов. Без них наш организм не будет существовать. В одной молекуле ДНК есть две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга. Три рядом расположенных нуклеотида кодируют аминокислоту. Основных аминокислот всего 20. Зачем они нужны? Чтобы построить белок – основной структурный элемент, из которого в нашем организме состоит всё. И белок как раз таки кодирует ДНК.

И как же происходит синтез белка?

Считается, что у человека около 20 тыс. генов. Здесь надо понимать, что дело не в количестве. Возьмём, к примеру, рис – у него их 30 тыс. Казалось бы, человек более высокоорганизованное существо, чем рис, он вершина эволюции! У него должно быть больше генов, чем у какого‑то растения. Но важнее, как сложно устроена работа организма. С помощью белка строятся мембраны клеток, ферменты. Условно говоря, у нас есть завод, где производятся машины. Чтобы машину собрать до конца, нужны колёса. А шины производят на соседнем заводе, их необходимо привезти. Так и здесь: есть молекула ДНК, и, чтобы синтезировать белок, она должна синтезироваться с РНК.

Если у нас есть ДНК, РНК тогда зачем?

Для того чтобы прочитать молекулу, её нужно сначала выделить, затем многократно скопировать, а после – нарезать на небольшие кусочки, удобные для анализа. И если ДНК хранит информацию, то РНК её копирует с ДНК и несёт из ядра на рибосому, в цитоплазму – этот процесс называется транскрипцией.

Интересно, что по своему химическому составу РНК является двойником ДНК. Главное отличие этих кислот заключается в их углеводном компоненте. В РНК это рибоза, а в ДНК – дезоксирибоза. И там, где у ДНК есть атом водорода (Н), у РНК стоит оксигруппа (ОН).

Чем отличаются ДНК мужчины и женщины?

Новый организм начинает формироваться ещё при оплодотворении, когда соединяются яйцеклетка и сперматозоид. В женском организме 44 аутосомы и две половые хромосомы. Они одинаковые: XX. Мужчина же может продуцировать половинный набор: у него 44 таких же, как и у женщины, аутосомы, а половые хромосомы разные: одна – X, другая – Y. То есть от матери ребёнок может унаследовать только женскую Х-хромосому, тогда как от отца он может получить либо женскую Х (родится девочка), либо мужскую Y (родится мальчик).

Кстати, папы, которые очень хотят мальчика, иногда винят мам, если в итоге рождается девочка. Но вина здесь исключительно отцов: какую половую клетку они отдают ребёнку, такой пол и получается.

Как узнать информацию о своём генеалогическом древе?

Родословную каждый может составить сам, пообщавшись с родственниками. Если есть интерес узнать более глубокое происхождение, за десятки и сотни тысяч лет, то генетики могут дать чёткий ответ, изучив генетические маркеры, которые записаны в X- и Y-хромосоме. В клетках человека часть информации есть в ядре, о чём мы уже говорили, и часть – в органоидах, вне ядра – в цитоплазме. В последней есть митохондриальные гены. По анализу их ДНК также можно проследить ход эволюции. И выяснить, что определённые изменения произошли, условно, 10 тысяч лет назад. Если генетики находят это изменение, то они могут точно сказать, когда появились и где жили прародители человека. Картотека расселения человечества есть в Интернете в свободном доступе.

А без сдачи анализов это можно определить?

Без них не обойтись: делаются выборки из разных этнических групп, достаточно большие по численности. Они анализируются, и только потом генетики строят карты. Кстати, на основании такого исследования учёные выяснили, что первые люди на Земле появились в Африке. В ДНК всех женщин есть следы, ведущие к одной прародительнице, жившей в Юго-Восточной Африке 150 тысяч лет назад. И гены всех мужчин сходятся к предку, проживавшему там же. Они отправная точка всех народов.

В Белгороде тоже проводят такие исследования?

Да, учёные-генетики из БелГУ собирали анализы ДНК коренных жителей Белгородской области, чьи семьи проживают на этой земле много поколений. При этом обязательно учитывали национальность, ведь у нас много как русских, так и украинцев. В Алексеевском, Грайворонском, Красногвардейском районах, например, 100 лет назад были целые поселения украинцев, которые старались до 30–40-х годов прошлого века жениться только между собой. Эти материалы вошли в крупные международные проекты. В отношении антропогенетики Белгородская область хорошо изучена.

У нас есть центр, где можно сделать анализ ДНК?

Есть только филиалы, точки сбора анализов. Любые исследования должны окупаться. Спрос среди белгородцев на это низкий, поэтому люди, у которых есть научный интерес, едут в Москву или Питер либо обращаются в сетевые лаборатории, которые сами отправляют материалы в крупные города.

Здесь важен и другой вопрос: у человека могут быть различные заболевания, которые контролируются генами. И исследования помогают разобраться в природе заболеваний, выявить их или предотвратить. Например, рак молочной железы. Если в организме происходят мутации, то риск того, что женщина заболеет, составляет 70–80 %. Зачастую это заболевание наследственное. Для того чтобы убедиться, если ли риск заболеть раком молочной железы у родственников, достаточно всем сдать анализы ДНК и наблюдаться у специалистов. Известный пример: у мамы Анжелины Джоли выявили эту болезнь. Анжелина протестировала свою ДНК на мутации, и подтвердилось, что они есть. Она сразу же сделала операцию. Анализы на такие заболевания в Белгороде сдают в перинатальном центре.

Правда, что отправлять пробирки со своими анализами ДНК за пределы России запрещено?

Как и для чего делают анализ ДНК?

В качестве материала для анализа можно использовать слюну, кровь, сперму, ногти, волосяные луковицы, ушную серу, кусочки кожи и так далее. Чтобы получить достоверный результат, лучше сдавать на ДНК-анализ кровь из вены.

С помощью анализа ДНК можно определить наследственную предрасположенность к патологиям, которые уже встречались в семье, какие заболевания могут возникнуть у конкретного человека в будущем, индивидуальную непереносимость лекарств, вероятность осложнений во время беременности, склонность к алкоголизму или наркомании, возможные причины бесплодия и многое другое.

Анализ используется не только в медицине, но и в юриспруденции, криминалистике. Самая популярная потребность в таком исследовании – определение отцовства. Сравнение ДНК ребёнка и его отца позволяет получить 100%-ный результат.

Источник

Из чего собрана наша ДНК

Научная догма

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

16 000 томов Толстого

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

Так из какого сора?

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

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

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

Компоненты человеческого генома

Кодирующие области 2%

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

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

Ну сколько можно повторять!

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

Источник

Как сделать тест ДНК и для чего

Почему тестируют именно ДНК?

Потому что все знают, что это огромная библиотека с «инструкцией» к нашей жизни: цвет глаз и волос, форма носа и склонность к полноте, тяга к азартным играм и способности к математике. В геноме человека содержится 3.2 миллиардов пар «букв». Все они упакованы в своеобразные тома – хромосомы. У человека чаще всего 23 пары хромосом.

Казалось, стоит расшифровать все «буквы» — и в руки человечества попадет уникальный инструмент, позволяющий лечить наследственные заболевания, менять вредные предрасположенности и избавляться от мутаций.

В 2003 году ученые расшифровали весь геном человека. Оказалось, этого недостаточно для полного понимания, как именно работают гены, как они влияют друг на друга и на всего человека в целом. Но, тем не менее, это позволило нам гораздо лучше разобраться в генах и их работе.

Мы даже научились считывать гены с молекулы ДНК — так появились генетические тесты.

Как делают тест ДНК?

Все мы когда-то были одной-единственной клеткой — и ее генетический материал перешел всем клеткам в нашем организме (исключение: сперматозоиды и яйцеклетки). Поэтому для теста подойдут разные ткани — обычно используют кровь, эпителий с внутренней поверхности щеки, слюну, волосы, ногти.

Для достоверного анализа ДНК лаборанту желательно иметь достаточное количество биоматериала. Поэтому, если вы решили пройти тест ДНК добровольно, не жалейте себя — как следует скребите щеку ватной палочкой, чтобы зацепить побольше клеток!

Что могут сделать с вашей ДНК в лаборатории:

«Прочитать по буквам» конкретный участок гена.
Технологии: секвенирование, NGS (next generation sequencing).

Посмотреть набор участков внутри конкретного гена.
Технологии: ПЦР, ДНК-микрочипы.

Обнаружить крупные перестройки: удвоения, выпадения, вставки, переносы больших фрагментов с хромосомы на хромосому.
Технология: хромосомный микроматричный анализ.

Посчитать хромосомы.
Технология: кариотипирование.

Хорошо подобранный тест – это информативный и чрезвычайно полезный метод. Современные технологии позволяют выявить патогенные мутации перед беременностью, обнаружить генетические варианты, повышающие риск определенных заболеваний.

Но даже получив достоверные результаты из лаборатории, обязательно нужно выслушать мнение специалиста.

Ведь даже наличие лишней хромосомы у плода далеко не всегда приводит к каким-либо заболеваниям или аномалиям. Примерно 1 из 500 (по другим оценкам 1 из 1000) мужчин имеет набор половых хромосом не XY, а ХYY. При этом сам мужчина может счастливо прожить жизнь, даже не догадываясь о своей генетической аномалии.

Для чего нужны ДНК-тесты?

Судебно-медицинская генетика

В ней появляется необходимость, когда нужно доказать причастность конкретного человека к конкретному событию. Как правило, это рождение ребенка или преступление.

Анализ ДНК на отцовство

Один из самых популярных и самых точных генетических тестов, которые проводятся в лаборатории по всему миру – определение родства.

Точность теста на отцовство – 99,9% (если он проведен по всем правилам и проводился в сертифицированной лаборатории). Причем оставшиеся 0.1% исследователи закладывают не на свою ошибку, а на то, что у отца ребенка может оказаться брат-близнец с идентичной генетической информацией.

Поиск преступников

Генетическая дактилоскопия — именно так называется методика установления личности преступника по ДНК — стала использоваться еще в ХХ веке.

Конечно, в криминалистических лабораториях никто не расшифровывает ДНК полностью. Это и не нужно: генотипы всех людей совпадают примерно на 99%. Для расследования достаточно посмотреть полтора десятка самых изменчивых участков генома. По оценкам специалистов, при таком подходе шанс случайного совпадения двух людей оставляет 1:100000000000000000 (здесь семнадцать нулей).

Развлекательная генетика

Есть и своеобразный пласт «развлекательных» генетических тестов. К сожалению, далеко не все они имеют твердую научную основу.

Так, некоторые компании предлагают определить по генетическому тесту национальность вас и ваших предков. Но надо помнить, что национальность — это множество социальных факторов: язык, религия, культура, самосознание. Ничего этого нет в ДНК. Такой тест может лишь показать, где сегодня живут люди с ДНК, похожей на вашу. А значит, например, если большинство ваших предков уехало из России в Италию, то тест покажет, что вы родом из южной Европы.

Познавательная генетика

На основе анализа ДНК сегодня можно успешно узнать о множестве болезней, которых у вас пока нет, но к которым есть предрасположенность, получить советы о диете и многое другое.

Сегодня общедоступны и постоянно пополняются несколько баз связи генетических изменений и заболеваний. Например, в базе данных Human Phenotype Ontology содержится более тринадцати тысяч заболеваний. Это одна из самых надежных и полных на сегодняшний день баз информации о том, как мутации нарушают работу того или иного человеческого гена и сказываются на образе жизни, внешнем виде и здоровье.

Тем не менее, ни один генетический тест не может поставить вам диагноз. Генетика – это не приговор и не расшифровка вашей «книги судеб». Это только склонность к чему-либо, предрасположенность.

Всем известна нашумевшая история с Анджелиной Джоли, которая решилась на превентивную операцию по удалению груди, когда у нее обнаружили мутацию гена BRCA. Мутация этого гена в 30-90% случаях приводит к раку груди. Для актрисы оценки колебались в районе 87%. Ведь на вероятность развития рака у людей с мутацией влияет множество факторов: курение, ожирение, отсутствие беременности и родов, гипертония. Женщинам, у которых обнаружилась мутация, врачи рекомендуют более внимательно относиться к осмотрам, учитывать в повседневной жизни влияние факторов риска.

Заключение

Сегодня генетическое тестирование – это информативная достоверная методика, которая помогает людям в самых разных сферах их жизни: планировании успешной беременности, профилактике серьезных заболеваний, поиске родственников, подборе наиболее эффективной для вас диеты и физической нагрузки, поиске преступников и научных исследованиях.

Пройдя тест у специалистов, каждый из нас может получить рекомендации, пояснение о том, каких заболеваний нам следует опасаться, какой диеты наиболее оптимально придерживаться.

Но как именно пройдет ваша жизнь, зависит только от вас, от вашей готовности придерживаться этих рекомендаций и следить за вашими индивидуальными «слабыми местами», проходить регулярные осмотры и менять свой образ жизни.

Источник

Код ДНК. Какие тайны скрывает главная молекула

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином («нуклеус» на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин «нуклеиновая кислота». Его приставка «дезоксирибо» означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии», — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги «Самая главная молекула».

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода «фабриках» внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Источник