Что такое ДНК: как работают гены и чем опасны мутации

МОСКВА, 18 мая — 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.

Дезоксирибонуклеиновая 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. "В ДНК человека шесть миллиардов нуклеотидов или три миллиарда пар. 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".

История открытия

© Public domain

Иоганн Фридрих Мишер

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.

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.

© РИА Новости / Илья Наймушин

Биолог выделяет нуклеиновые кислоты (РНК/ДНК) из пробы биоматериала человека

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.

Молекула ДНК

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.

Структура молекулы

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.

© Pixabay / geralt

ДНК

Нуклеотиды

Нуклеотиды – это мономеры, из которых собирается полимер – ДНК. Существуют пять их видов:

Двойная спираль

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.

"Ранее считалось, что урацил не входит в ДНК, а характерен только для РНК, но в настоящее время есть работы, которые опровергают этот факт и доказывают, что урацил может при некоторых условиях, превращаться в тимин", — говорит Валерия Газина.

Образование связей между основаниями

"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.

© РИА Новости / Денис Абрамов

Сотрудник проводит молекулярно-генетическую экспертизу ДНК

Повреждения ДНК

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.

“Повреждения ДНК – это мутации. Они 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”.

Суперскрученность

Лиля Джемилева отмечает, что ДНК в обычной клетке, которая не делится в данный момент, существует в двух формах:

Научное название этих состояний – "гетерохроматин" и "эухроматин". Именно в областях ядра с эухроматином идет активный синтез белков.

"Суперскрученность — это явление, при котором молекула ДНК становится более компактной и сильнее закрученной. Происходит это для облегчения некоторых процессов молекулы ДНК: считывания материала и его размножения", — дополняет Валерия Газина. Такие явления больше характерны для микроорганизмов.

© РИА Новости / Илья Наймушин

Лаборант проводит исследование ДНК в научно-лабораторном комплексе

Биологические функции

ДНК — это носитель генетической информации, которая реализует два основных свойства организмов:

"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.

Структура генома

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.

Ген — это элементарная единица наследственности, которая кодирует определенный признак или функцию. Один ген — один признак.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.

Последовательности генома, не кодирующие белок

Валерия Газина отмечает, что до сих пор неизвестно, зачем они нужны. “Любопытный факт: их большинство в геноме. Ученые до сих пор изучают их и выдвигают различные догадки об их функциях”, — говорит эксперт.

© Depositphotos.com / SergeyNivens

Лаборатория

Транскрипция и трансляция

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.

Репликация

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.

Генетический код

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.

Геном

Геном – это совокупность всего генетического материала клетки. 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.

"В геноме много "молчащих" или, как их еще недавно называли, "мусорных" участков, функцию которых до последнего времени никто не понимал. Однако в последние годы было доказано, что роль этих участков в геноме огромна – эти протяженные бессмысленные последовательности защищают наши гены от повреждения при различных процессах, происходящих в делящихся клетках", — комментирует Лиля Джемилева.

© Depositphotos.com / maninblack

Х и У хромосомы

Хромосомы

Это место хранения генов и генетической информации. 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.

"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.

Прокариоты и эукариоты

По словам специалистов, прокариоты – это бактерии, и у них ДНК расположена прямо в цитоплазме, а у эукариот – всегда есть ядро. И ДНК в прокариотической клетке чаще всего кольцевая без интронов (молчащих участков). У эукариот весь генетический материал поделен на экзоны и интроны, то есть гены у эукариот гораздо сложнее устроены".

Строение генов

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:

© Depositphotos.com / Syda_Productions

Ученые в лаборатории

Мутации и мутагенез

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.

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:

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.

© Depositphotos.com / efks

Молекула ДНК на ладони

ДНК в медицине

Молекула ДНК – это очень важный объект, при исследовании которого наука получила и продолжает получать огромное количество информации.

ДНК используют при модификации генома, геномном редактировании и генной терапии. Доступны исследования не только в медицине, но и в криминалистике, юриспруденции. С помощью ДНК-анализа можно определить:

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.

Расшифровка ДНК

ДНК-расшифровка происходит следующим способом:

"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", — заключила Лиля Джемилева.