МОСКВА — РИА Новости. Молекула ДНК содержится в клетках всех живых организмов и обеспечивает хранение и передачу наследственной информации из поколения в поколение. Что такое дезоксирибонуклеиновая кислота, как участок ДНК — ген кодирует инструкцию по сборке отдельных белков и клеток, что означает и к чему приводит изменение в последовательности нуклеотидов — в материале РИА Новости.
Что означает аббревиатура ДНК
Аббревиатура ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота.
По буквам ДНК обозначает:
- Д — дезоксирибо (сахар дезоксирибоза);
- Н — нуклеиновая;
- К — кислота.
"Дезоксирибонуклеиновая кислота — это молекула, которая кодирует наследственную информацию о функционировании живого организма. Она хранит ее в виде определенной последовательности нуклеотидов, которые формируют генетический код, — поясняет Валерия Газина, врач бактериолог, ПЦР-диагностики и клинической лабораторной диагностики. — ДНК находится в каждой клетке организма. Она содержит информацию о структуре РНК и белков организма".
ДНК состоит из четырех повторяющихся нуклеотидов — аденина, гуанина, цитозина и тимина. Она формирует гены, которые "диктуют" клеткам, как строить белки. Геном человека содержит около 3 миллиардов пар нуклеотидов, что эквивалентно 6 миллиардам отдельных азотистых оснований — по одной цепи на каждую из двух спиралей ДНК.
“Уникальная для каждого последовательность ДНК определяет неповторимость людей на нашей планете", — комментирует Лиля Джемилева, доктор медицинских наук, профессор, врач-генетик Центра репродуктивного здоровья "СМ-Клиника".
Если расправить всю ДНК из одной клетки, ее длина составит около двух метров, а если объединить ДНК всех 30 триллионов клеток взрослого человека, цепочка протянется до Плутона и обратно более 17 раз.
Иоганн Фридрих Мишер
История открытия ДНК
ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Фридрихом Мишером. В 1944 году ученые доказали, что гены хранятся в ДНК — молекуле, обнаруженной почти во всех типах клеток. В 1951 году о ДНК было известно, что она состоит из повторяющихся цепей, но каким образом связаны эти составляющие, ученые не знали. А в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, опираясь на данные Розалинд Франклин и правила Чаргаффа, предложили модель двойной спирали. За свое открытие были удостоены Нобелевской премии. Еще одним прорывом стал метод секвенирования, который в 1977 году предложил Фредерик Сенгер, что позволило "считывать" последовательность нуклеотидов.
От Мишера до Нобелевской премии: ключевые этапы
В 1869 году Фридрих Мишер (швейцарский исследователь) при изучении лейкоцитов выделил молекулу из клеток крови, которую назвал "нуклеин". Долгое время считалось, что ДНК-это форма запаса фосфора в организме. До 1930 годов предполагалось, что ДНК содержится только в животных клетках. Однако в результате исследований советских ученых-биологов Андрея Белозерского и Александра Кизеля выяснилось, что ДНК есть и у растений, и даже у бактерий.
Позднее ученые пришли к выводу, что ДНК, а не белки, передает наследственную информацию. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты с бактериями генетиков Освальда Эвери, Колина Маклеода и Маклина Маккарти (1944 год). До 50-х годов 20 века представление о строении ДНК было приблизительным: было известно, что она состоит из нескольких цепей (последовательностей) нуклеотидов. Но как они соединены и сколько их — известно не было.
Биолог выделяет нуклеиновые кислоты (РНК/ДНК) из пробы биоматериала человека
В 1949-1951 биохимик Эрвин Чаргафф сформулировал правила по соотношению нуклеотидов в молекуле ДНК. И только в 1953 году биологи Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили, основываясь на правилах Эрвина Чаргаффа, работах рентгеновской дифракции ДНК Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, трехмерную модель двойной спирали ДНК. За это открытие в 1962 году они получили Нобелевскую премию по физиологии.
Основной порядок нуклеотидов в полном геноме человека ученые определили в 2001 году. Сегодня, как говорят генетики, секвенированы геномы сотен тысяч человек, а также множества видов животных и растений, вирусов и бактерий.
Нуклеотиды: аденин, гуанин, тимин, цитозин
Молекула ДНК — это спираль, состоящая из нуклеотидов. Лиля Джемилева поясняет, что в состав нуклеотида входят остатки фосфорной кислоты, дезоксирибоза (сахар) и азотистое основание (пурин, или пиримидин).
"Между азотистыми основаниями из-за особого строения молекул образуются водородные связи, которые удерживают пары нуклеотидов между собой, а так называемые стэкинг-взаимодействия закручивают ДНК, как винтовую лестницу, в спираль", — говорит эксперт.
© Pixabay / geralt
ДНК
Структура молекулы, по словам Валерии Газиной, представляет собой две цепи нуклеотидов, закрученных разнонаправленно по отношению к друг другу. Ориентация в пространстве такой "закрученности" — в правую сторону.
"У большинства организмов ДНК двуцепочечная. Но встречается и одноцепочечный вариант, например, у человека это теломеры — участки хромосом, расположенные на их концах. Они защищают хромосомы от распада", — отмечает специалист.
"Теломеры — это молекулярные часы клетки: с каждым делением они укорачиваются, и когда становятся критически короткими, клетка перестает делиться", — поясняет Лиля Джемилева.
Нуклеотиды — это мономеры, из которых собирается полимер — ДНК. Существуют пять их видов:
- А-аденин.
- Г-гуанин.
- Т-тимин.
- Ц- цитозин.
- У-урацил.
"Внутри одной цепи ДНК нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями, которые образуются в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной (3'—ОН) группой молекулы дезоксирибозы одного нуклеотида и 5'-фосфатной группой (5'—РО3) другого", — объясняет Валерия Газина.
Асимметричные концы цепи ДНК называются 3' (три прайм) и 5' (пять прайм). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3'-концу). И через это свойство разрабатывают тест системы и проводят различные исследования.
Двойная спираль и принцип комплементарности
Структура двойной спирали поддерживается при помощи водородных связей, образующихся между азотистыми основаниями. При этом каждому основанию есть своя пара: аденин соединяется только с гуанином, а цитозин с тимином, в некоторых случаях (редко) с урацилом. Специалист отмечает, что химические модификации азотистых оснований — это сложные биохимические процессы.
Сотрудник проводит молекулярно-генетическую экспертизу ДНК
Ген, геном и хромосомы
Ген — это элементарная единица наследственности, которая кодирует определенный признак или функцию. Один ген — один признак. А геном — совокупность генетического материала клетки. Хромосомы же являются местом хранения генов и генетической информации.
Генетический код — это перевод языка ДНК на язык аминокислот. Лиля Джемилева поясняет, что каждые три нуклеотида, если они собираются в определенном порядке, кодируют аминокислоту. "Например, синтез любого белка в организме человека начинается с кодона (кодирующего тринуклеотида) ATG. Он отвечает за выработку такой аминокислоты, как метионин", — рассказывает специалист.
Ген — единица наследственности, геном — полный набор
Ген — это участок молекулы ДНК, который состоит из сотен пар нуклеотидов.
"Строение генов прокариот реализуется системой оперона. Он состоит из двух частей: регуляторной и структурной. У эукариот гены организованы наиболее сложно и представляют собой последовательности, которые называются экзоны и интроны", — разъясняет Валерия Газина.
Главное различие — гены прокариот находятся в цитоплазме. У прокариот мало генов по сравнению с эукариотами. Специалист выделяет отличия и в строении:
- у прокариот есть опероны, а у эукариот их нет;
- у эукариот есть экзоны и интроны, у прокариот их нет.
У каждого индивида есть две копии гена, каждый из них получен от одного из родителей. У людей большинство генов схожи между собой, но некоторые (менее 1% от всех генов) значительно различаются у людей.
Геном — это совокупность генетического материала клетки. В клетках эукариот (организмов, у которых имеется ядро в строении клетки) геном реализован в виде хромосом. У прокариот (у них нет ядра) молекула ДНК линейная или кольцевая. Геном состоит из генов и участков ДНК, которые ничего не кодируют.
Лиля Джемилева поясняет, что в клетке всегда два генома — ядерный и митохондриальный. Ядерный содержит 23 пары хромосом, одна из которых определяет пол — женский (ХХ) или мужской (ХУ). Митохондриальный геном в любой клетке всегда только материнский. По словам эксперта, все митохондрии человек получает от мамы, поэтому митохондриальная ДНК очень часто используется в исследованиях популяционными генетиками.
Раньше некодирующие участки называли "мусорной ДНК", но сегодня установлено, что они регулируют активность генов, защищают хромосомы от разрушения и участвуют в эпигенетических механизмах наследования.
Хромосомы: 23 пары, половые Х и Y
"Хромосомы — это свернутые и упорядоченные кусочки ДНК со специальными концевыми участками или теломерами. Теломеры длинные в молодых клетках и короткие в старых. Чем больше делится клетка, тем короче становятся ее теломеры. В норме каждая клетка может поделиться не более 50 делений. Но некоторые клетки в нашем организме не делятся вообще или очень редко — например, нейроны", — утверждает Лиля Джемилева. Каждая клетка человека в норме содержит 23 пары хромосом (всего 46). 22 пары (аутосомы) одинаковы для мужчин и женщин, а 23-я — половые хромосомы — различны. Женщины имеют две копии X-хромосомы, мужчины одну X- и одну Y-хромосому.
Лаборант проводит исследование ДНК в научно-лабораторном комплексе
Биологические функции ДНК
ДНК — это носитель генетической информации, которая реализует два основных свойства организмов:
- наследственность (если создается полная и идентичная копия);
- изменчивость (если молекула в процессе "копирования" меняет свою структуру).
"При размножении клеток, молекула ДНК расплетается и к каждой цепочке подстраивается еще одна, новая, по строгому соответствию. "Новые" цепи называются дочерние. Однако если какая-то цепь была поврежденной (часть нуклеотидов пропущена), то дочерняя цепь построится с ошибкой. И в целом молекула будет другой. Следовательно, признак, который она кодирует, тоже изменится", — объясняет Валерия Газина.
Репликация: как ДНК копирует себя
Процесс воссоздания ДНК — создания реплики — естественный процесс размножения, происходящий под действием различных ферментов. Крайне важно, что молекула может реплицироваться (делать копии самой себя). В качестве образца для копирования последовательности оснований выступает каждая нить ДНК в двойной спирали.
Транскрипция и трансляция: от гена к белку
Транскрипция — это прочитывание гена и синтез его матрицы – матричной рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая может из ядра попадать в цитоплазму к рибосомам – белковым фабрикам клетки. Трансляция — это синтез белка в рибосомах.
© Depositphotos.com / SergeyNivens
Лаборатория
Мутации и мутагены
Под воздействием различных факторов ДНК может изменять свою структуру. Такие вещества называются мутагены, а изменения — мутация. Чем масштабнее влияние, тем крупнее "поломка" молекулы, и, следовательно, серьезнее последствия для организма.
“Мутации бывают разными — делеции, инсерции, замены", — комментирует Лиля Джемилева. Все эти повреждения нарушают структуру генов, а соответственно и белков, которые синтезируются с этих генов. Особо сильным повреждающим действием обладает ионизирующее излучение”.
Генетики поясняют, что под действием различных факторов (мутагенов) гены способны меняться. Мутации — это необратимое повреждение ДНК. Мутагенез — непрерывный процесс возникновения мутаций, придуманный эволюцией для приспособления видов. Каждая клетка имеет несколько механизмов узнавания и исправления мутаций в ДНК. Так как ДНК может быть повреждена или мутирована различными воздействиями (радиация, воздействие химикатов и т.п.), то механизм исправления ДНК ошибок является важным звеном в защите организма от генетических заболеваний.
© Depositphotos.com / maninblack
Х и У хромосомы
Генные, хромосомные и геномные мутации
Существует несколько видов мутаций — генные, хромосомные и геномные. Их перечислила Лиля Джемилева:
Генные мутации— когда повреждается структура ДНК в гене. Например, происходит выпадение одного или двух нуклеотидов и сдвигается рамка считывания генетического кода. Получается или антисмысловая последовательность, или образуется стоп-кодон, который сигнализирует об остановке синтеза ДНК.
Хромосомные мутации затрагивают всю хромосому и такие перестройки будут значимы и заметны. Выделяют несколько типов хромосомных мутаций:
- делеции (потеря части участка хромосомы);
- транслокации (изменение последовательности генов на хромосоме);
- дубликации (удвоения участков хромосом);
- инверсии (изменение ориентации, поворот на 180 градусов).
Геномные мутации — когда происходит поломка хромосом либо они удваиваются или утраиваются, или наоборот теряются. К таким нарушениям относится синдром Дауна, синдром Клайнфельтера, Синдром Шершевского-Тернера и т.д.
Мутация меняет инструкцию для синтеза белка так, что белок перестает функционировать правильно или прекращает работу и совсем не синтезируется. Когда мутация нарушает структуру белка, выполняющего важную функцию в организме, происходит изменение нормального развития организма или появляются медицинские отклонения. Сами по себе гены не вызывают заболевания — генетические отклонения вызывают мутации, которые нарушают их функцию.
Так, синдром Дауна вызван геномной мутацией (трисомия по 21-й хромосоме), муковисцидоз — генной мутацией в гене CFTR (делеция трех нуклеотидов), а синдром "кошачьего крика" — хромосомной делецией на коротком плече 5-й хромосомы.
Мутагены: ультрафиолет, химикаты, вирусы
Мутагены — это физические, химические, биологические факторы, провоцирующие наследственные изменения (мутации), затрагивающие ДНК. Например, УФ-излучение повреждает структуру молекулы и провоцирует рак кожи, химические вещества (пестициды, нитраты) взаимодействуют с ДНК и меняют ее код, а вирусы могут встраивать свою генетическую информацию в геном клетки-хозяина, провоцируя мутации (например, ВПЧ, вирусы гепатита B, герпеса). афлатоксины в испорченных орехах и зерне ведут к циррозу и раку печени, автогеном выступает и табачный дым, содержащий никотин и бензпирен.
© Depositphotos.com / Syda_Productions
Ученые в лаборатории
ДНК в медицине и повседневной жизни
Молекула ДНК — очень важный объект, при исследовании которого наука получила и продолжает получать огромное количество информации: от поиска маркеров наследственных заболеваний до оценки разнообразия организмов, населяющих экосистему.
С помощью ДНК-анализа можно определить:
- предрасположенность к наследственным и наследственно обусловленным заболеваниям;
- этническое происхождение;
- хромосомные мутации;
- индивидуальные возможности организма (важно спортсменам);
- причины бесплодия и вероятность осложнений при беременности;
- личность человека.
ДНК используют в науке и биотехнологиях для модификации генома, геномном редактировании и генной терапии. Доступны исследования не только в медицине, но и в криминалистике для идентификации личности по биологическим следам (слюна, волосы, кровь). Судебно-медицинское тестирование позволяет доказать вину или невиновность конкретного человека.
Валерия Газина отмечает, что ДНК используют в тесте на родство/отцовство. В анализе при помощи ПЦР (полимеразной цепной реакции) обнаруживают большинство вирусов и некоторые сложнокультивируемые бактерии.
"В последнее время ДНК используют для выявления генов резистентности бактерий. Это важно для понимания, какой антибиотик назначать — такой тест делается в разы быстрее, чем стандартная методика", — отмечает врач.
Российские ученые создали новый способ изучения ДНК и считают, что их разработка может применяться для прогнозирования риска заболеваний (например, наследственных дефектов, устойчивости к инфекциям, предрасположенности к аутоиммунным расстройствам и другим) и их диагностики как у людей, так и у животных.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Biology, рассказали, что в ДНК есть участки, возникающие благодаря тому, что оба родителя передают потомству идентичные формы (аллели) генов. Эти участки, именуемые гомозиготными, являются ключевыми элементами генетической структуры популяций. Их изучение позволяет ученым узнать историю спаривания родственных особей (инбридинга) и влияние факторов естественного и искусственного отбора, воздействовавших на популяцию.
С 2026 года в России можно бесплатно проходить генетическое тестирование на наследственные заболевания и хромосомные аномалии.
ДНК-тестирование: что можно узнать о себе
Современные генетические лаборатории предлагают широкий спектр услуг: ДНК-тесты из слюны позволяют определить этническое происхождение, предрасположенность к сахарному диабету или болезни Альцгеймера, персональную реакцию на лекарства и даже генетические особенности, влияющие на спортивные способности.
Алгоритм проведения ДНК теста простой. Требуется сбор так называемого генетического материала: клетки эпителия, образцы ногтей или волос. Могут использоваться окурки или жевательная резинка, бывшая во рту человека, а также столовая посуда.
© Depositphotos.com / efks
Молекула ДНК на ладони
Расшифровка ДНК: как читают геном
ДНК-расшифровка происходит следующим способом:
- пробу с образцами дезоксирибонуклеиновой кислоты активно нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две самостоятельные нити;
- далее исследователи прицепляют полимеразу (фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот) к интересующему участку цепи генов при более низких температурах;
- за счет активации деления пойманного участка происходит синтез участков генов необходимых для изучения;
- с помощью специальной краски участки пропитывают, и они светятся при воздействии лазера.
Для этого используют специализированные приборы, которые выполняют процесс секвенирования.
Проект "Геном человека" и его значение
Расшифровка последовательности ДНК продолжается по сей день. “Проект "Геном человека", который был завершен в 2004 году, позволил приподнять завесу тайны, которая долгие годы покрывала этот вопрос. Однако ученые поняли, что расшифровка ДНК вызвала гораздо больше вопросов, чем дала ответов. Ученые работают с геномом, но, скорее всего, все его тайны раскроют лишь наши потомки в далеком будущем", — отмечает Лиля Джемилева.
Чем ДНК отличается от РНК
В отличие от ДНК, РНК содержит обычную рибозу. ДНК хранит генетическую информацию в ядре клетки, служит неким “архивом” хранения информации. Тогда как РНК как “курьер” переносит копию инструкции к рибосомам, где синтезируются белки. Таким образом, одна молекула отвечает за хранение, другая — за передачу.