в какую сторону закручена днк человека
Что такое ДНК, или почему каждый из нас наполовину банан
Эту аббревиатуру мы слышим довольно часто, но мало кто пытается вникнуть и понять, что же такое ДНК. ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота, но понимания это особо не прибавляет. Будем разбираться дальше.
ДНК – это полимерная молекула. С точки зрения химии – это двойная спираль, которая складывается из нескольких блоков нуклеотидов, повторяющихся много-много раз. А две спирали связаны между собой водородными связями. На самом деле ДНК отнесли к разряду молекул только лишь для удобства, поскольку она во много раз больше стандартных молекул.
Существует всего 4 вида нуклеотидов: аденин, тимин, гуанин, цитозин. И именно в их последовательности и зашифрована генетическая «инструкция» для развития живого организма, то есть вся генетическая информация. Именно молекула ДНК сообщает каждой клетке нашего организма, какие белки и в каком количестве необходимо производить.
Цепочки ДНК закручиваются в спирали тоже неспроста. Это помогает уменьшить длину спирали в 5-6 раз, чтобы более компактно «упаковать» всю генетическую информацию. Ученые подсчитали, что если раскрутить спирали ДНК, то они растянутся на 16 млрд километров (это расстояние от Земли до Плутона и обратно). А если кто-то захочет напечатать геном человека, то на это уйдет 50 лет, если непрерывно набирать текст на компьютере по 8 часов каждый день.
В 99.9% ДНК всех людей на планете одинаковы, а наши различия обусловлены только 0,1%! Удивительно, не так ли? На этом примере очень хорошо понятно, какое огромное количество информации заложено в ДНК, если даже 0,1% отвечает за такое огромное количество различий между всеми людьми на планете. Да что там с людьми. Это покажется комичным, но 50% человеческого ДНК полностью схожа с ДНК банана, а число генов у человека ненамного больше генов у круглого червя.
Разумеется, одна, пусть даже очень большая двойная спираль, не может вместить в себя всю генетическую информацию о человеческом организме. Именно поэтому цепочки составляют пару, которая внешне напоминает букву «Х». Уникальная последовательность из нуклеотидов в одной из двух спиралей ДНК называется геном. Если даже незначительно изменить последовательность в нем, то ген будет поврежден или разрушен, в результате у человека может возникнуть генетическое заболевание.
Левозакрученная: загадочная Z-ДНК
Левозакрученная форма ДНК известна как Z-ДНК
Автор
Редактор
Когда-то давно мне пришла в голову идея научно-фантастического романа о жизни на далекой планете, генетический материал которой представлен не правозакрученной, а левозакрученной ДНК. Впрочем, сценарий не такой уж фантастический: левозакрученная ДНК, она же Z-ДНК, есть и в простых земных клетках, хотя функциональное ее предназначение остается малопонятным. Что мы знаем об этой таинственной форме ДНК? Что она делает в живых клетках? Ответам на эти и другие вопросы и посвящен наш обзор.
Слово «ДНК» почти у всех, кто учил в школе биологию, прочно ассоциируется с аккуратной спиральной молекулой, состоящей из двух цепей, закрученных вправо относительно друг друга. Этот образ уже стал элементом массовой культуры: его активно используют в кино и книгах, помещают на логотипы медицинских лабораторий и наклейки на пищевых продуктах, сообщающие, что они «не содержат ГМО» (правда, чаще всего создатели таких логотипов забывают, что ДНК не строго симметрична относительно вертикальной оси, в ней есть большие и малые бороздки). В течение многих лет ученые полагали, что, в отличие от более гибкой РНК, ДНК в клетках представлена исключительно в виде стабильной правозакрученной двойной спирали. Однако исследования последних лет показали, что ДНК не так предсказуема, как кажется. Конечно, по разнообразию возможных пространственных структур до РНК ей далеко, однако в клетке существуют и неканонические формы ДНК: G-квадруплексы, i-мотивы, трехцепочечная ДНК и ряд других элементов, по топологии отличающихся от классической правозакрученной спирали. А еще, как оказалось, двойная спираль ДНК может быть закручена не только вправо, но и влево! Такая левозакрученная ДНК называется Z-ДНК. Несмотря на то, что впервые возможность существования левозакрученной ДНК показали еще в 1979 году [1], Z-ДНК до сих пор окутана ореолом тайны. Так что же мы знаем об этой таинственной форме ДНК?
Если вы откроете любой учебник по молекулярной биологии, то на первых его страницах наверняка увидите что-то вроде изображенного на рисунке 1:
Рисунок 1. Три основные формы ДНК. а — A-ДНК; б — B-ДНК; в — Z-ДНК.
О рентгеноструктурном анализе и других методах структурной биологии вы можете прочитать в нашей статье «12 методов в картинках: структурная биология» [2].
Основные различия между формами таковы: A- и B-ДНК закручены вправо, а Z-ДНК — влево; A-ДНК более «сплющена» по сравнению с B-ДНК, а азотистые основания в ней не перпендикулярны оси спирали, как в B-ДНК. Преобладающая форма, которой и представлен генетический материал живой клетки — B-ДНК, хотя две другие формы, по последним представлениям, также биологически активны. A-форму ДНК получила и описала сама Розалинд Франклин в 1953 году, которая показала, что ДНК переходит в A-форму при дегидратации [3]. В таких условиях геномная ДНК некоторых особо живучих бактерий переходит в A-форму, чтобы хоть как-то сохранить генетическую информацию. Кроме того, в A-форме находится ДНК некоторых вирусов гипертермофильных архей, когда упакована в вирион [4].
Z-ДНК была открыта позже A-ДНК и гораздо заметнее отличается от канонической B-формы. Ее впервые описала команда ученых под руководством Роберта Уэлса в 1970 году, когда исследовала полимер, состоящий из повторов инозин—цитозин [5]. Помимо левозакрученности, Z-ДНК отличается также расположением азотистых оснований: в B-форме они находятся в анти-конформации, а в Z-ДНК одно из комплементарных оснований находится в син-конформации, а другое — в анти- (рис. 2).
Конформации анти- и син- возникают в результате вращения вокруг связи, соединяющей первый атом дезоксирибозы и азотистого основания в составе нуклеотида. В нашем случае, упрощенно говоря, в анти-конформации азотистое основание «отворачивается» от сахара, а в конформации син— — напротив, провернуто к нему.
Рисунок 2. Строение одной пары оснований G:C в составе Z-ДНК. Стрелка указывает на место прохождения оси спирали.
За счет этого Z-ДНК выглядит более вытянутой, чем B-ДНК, поскольку расстояние между соседними парами оснований в ней больше, а сахарофосфатный остов по своей конформации напоминает зигзаг. Наконец, стоит отметить, что в Z-ДНК нет большой бороздки [1] (рис. 3).
Рисунок 3. Сравнение B- и Z-ДНК. а — вид сбоку; б — вид сверху.
В отличие от B- и A-форм, которые может принимать ДНК любой нуклеотидной последовательности, Z-ДНК может сформироваться только там, где наблюдается чередование пуринов и пиримидинов. Наибольшая вероятность формирования Z-формы характерна для участков ДНК, состоящих из повторов вида GC, а в области повторов CA и TA существенно ниже. Первоначальные опыты по получению Z-формы ДНК в пробирке проводили в условиях очень высоких концентраций NaCl. Впоследствии оказалось, что искусственно вызвать формирование Z-ДНК можно, добавив в пробирку к B-ДНК комплексные соединения рутения, спермин, спермидин и некоторые другие вещества [1].
Но может ли Z-ДНК сформироваться в реальных физиологических условиях живой клетки? В 1983 году появилось сообщение, что левозакрученная ДНК присутствует в политенных хромосомах [6]. Кроме того, ранние эксперименты с плазмидной ДНК показали, что формированию Z-ДНК способствует их отрицательная суперскрученность, следовательно, для формирования Z-ДНК не обязательны запредельные концентрации хлорида натрия или другие экзотические соединения: она может сформироваться и в условиях живой клетки. Также выяснили, что образование Z-ДНК стимулируют некоторые белки и модификации оснований. Z-ДНК также может появляться в ходе ремоделирования хроматина при участии комплексов SWI/SNF. Последующие исследования показали, что в тех местах геномной ДНК, где появляется Z-ДНК, на ее границе с обычной B-ДНК образуются неканонические структуры, известные как BZ-соединения (рис. 4). Дело в том, что переход правозакрученной ДНК в левозакрученную — дело энергозатратное и, по большому счету, для клетки невыгодное, и BZ-соединения необходимы для того, чтобы снимать торсионное напряжение в ДНК и тем самым стабилизировать Z-ДНК [1].
Рисунок 4. Структура BZ-соединения. Выпяченные основания на стыке двух конформаций вынесены в отдельное окно и покрашены красным.
Что же касается роли модификаций оснований в формировании Z-ДНК, то в условиях in vitro удалось показать, что метилирование цитозина и гуанина, а также дезаминирование аденина повышают стабильность Z-ДНК. Происходит ли так в реальной клетке — вопрос открытый. Есть наблюдение, что модификации гистонов также влияют на вероятность появления Z-формы ДНК, в частности, ацетилирование гистонов способствует переходу ДНК из B- в Z-форму [1].
Подробнее о модификациях гистонов и других эпигенетических модификациях вы можете прочитать в статьях нашего спецпроекта «Эпигенетика».
Еще один вопрос, не менее сложный и неоднозначный: что полезного Z-ДНК может делать в клетке? Самый очевидный ответ — она может выступать как физический барьер для белков, «ползающих» по ДНК, таких как ДНК- и РНК-полимеразы [1]. В действительности роль Z-ДНК в регуляции транскрипции оказалась не такой однозначной. В одном исследовании 2016 года с помощью иммунопреципитации хроматина с использованием антител к Z-ДНК в геноме человека удалось выявить 191 сайт, склонный к переходу в левозакрученную ДНК [1]. Оказалось, что большинство из этих сайтов находится в промоторах, где Z-ДНК может нивелировать отрицательные супервитки, которые накапливаются позади движущейся по ДНК полимеразы или при освобождении ДНК от нуклеосом. Например, для транскрипции гена, кодирующего колониестимулирующий фактор 1, Z-ДНК строго необходима в области промотора. Кроме того, поскольку Z-ДНК не взаимодействует с нуклеосомами, она остается свободным участком в промоторе, с которым могут связываться транскрипционные факторы. В то же время в случае гена, кодирующего ядрышковый белок нуклеолин, ситуация обратная: появление Z-ДНК в промоторе подавляет экспрессию. Но, пожалуй, наиболее странное наблюдение относительно функций Z-ДНК касается белка E3L вируса коровьей оспы, который летален для мышей. Если E3L успешно связывает Z-ДНК, инфекция идет полным ходом и мышь погибает; если связывание заблокировать, то мышь выздоравливает [7].
Стоит отметить, что исследования биологических функций Z-ДНК ведутся не очень активно, а некоторые ученые даже считают, что мы переоцениваем биологическое значение левозакрученной ДНК [8]. Работа с Z-ДНК вообще непроста ввиду ее нестабильности в физиологических условиях. В 2019 году китайские ученые предложили, как можно получить Z-ДНК, стабильную в реальных условиях организма. Если взять две замкнутые в кольцо цепи ДНК, комплементарные друг другу, и произвести их гибридизацию в присутствии 0,5 мМ хлорида магния, то получается химерное ZB-кольцо, часть которого будет представлена Z-ДНК, стабильной при физиологических условиях (рис. 5) [9].
Рисунок 5. Схема получения Z-ДНК, стабильной в клеточных условиях. Две кольцевые комплементарные цепи ДНК гибридизуют в присутствии 0,5 мМ хлорида магния, в результате чего получается химерное двухцепочечное кольцо, одна часть которого закручена вправо, а другая — влево.
Еще один механизм формирования Z-ДНК связан с участием белков из группы Z-ДНК-связывающих белков (ZBP). К ним относятся, например, белок E3L вируса коровьей оспы и PKR-подобная протеинкиназа некоторых рыб. У млекопитающих идентифицированы два белка из группы ZBP: аденозиндезаминаза ADAR1 и ДНК-зависимый активатор факторов, регулируемых INF (DAI, также известен как ZBP1). ZBP отличает наличие консервативного домена, связывающего Z-ДНК (его обозначают Zα). Этот домен связывает Z-ДНК чисто за счет конформационного сродства, никаких специфических контактов между основаниями и аминокислотными остатками при этом не образуется. Оба ZBP млекопитающих активируются интерфероном, что указывает на их роль в иммунном ответе против чужеродной ДНК [1]. Как показали недавние исследования, некоторые биологические функции Z-ДНК тесно связаны с ZBP. Например, в 2020 году в Nature появилось сообщение, что распознавание эндогенных Z-нуклеиновых кислот (то есть не только Z-ДНК, но и Z-РНК) белком DAI при помощи Zα-домена запускает некроптоз и воспаление, что может лежать в основе хронических воспалительных заболеваний [10]. Еще одно исследование показало, что митохондриальная ДНК, сильно поврежденная в результате окислительного стресса, может выходить в цитоплазму, где связывается с белком DAI и активирует воспаление. Таким образом, Z-ДНК задействована в регуляции интерферонового ответа [11].
Как мы уже упоминали, в клетке присутствует не только левозакрученная ДНК, но и левозакрученная РНК (Z-РНК). Ее открыли в 1984 году, показав, что последовательность рибонуклеотидов вида поли-GC переходит в левозакрученную форму в условиях высокой ионной силы и при температуре выше 35 о С [12]. По своим структурным характеристикам Z-РНК близка к Z-ДНК [13]. Существование Z-РНК в живых клетках подтвердили с помощью окрашивания клеток протистов антителами к Z-РНК [14]. Как мы отмечали выше, Zα-домены белков семейства ZBP успешно распознают и Z-РНК тоже, что указывает на ее функциональную связь с белками ADAR1 и DAI [1].
Функциональная связь Z-ДНК с сигнальными путями интерферона свидетельствует, что Z-ДНК иметь отношение к развитию некоторых заболеваний, как минимум, воспалительного характера. Действительно, к настоящему моменту Z-ДНК уже смогли связать с рядом заболеваний человека. Сама по себе Z-ДНК иммунногенна, поэтому она может быть связана с развитием системной красной волчанки, болезни Крона, поликардионеврита и бокового амиотрофического склероза у пациентов, у которых спонтанно начинают образовываться антитела к Z-ДНК. Z-ДНК является фактором структурной нестабильности генома, поэтому она может лежать в основе онкологических заболеваний, особенно если геномные перестройки затрагивают такие гены, как BCL2, C-MYC и SCL. Z-ДНК может формироваться в области повторов CGG, связанных с синдромом ломкой X-хромосомы, и повторов GAC, которые связывают со скелетной дисплазией. Наконец, показано, что у пациентов с болезнью Альцгеймера в нейронах гиппокампа выявляется аномальное количество Z-ДНК, что связывает ее и с нейродегенеративными заболеваниями [1].
К сожалению, наши знания о биологии Z-ДНК и тем более Z-РНК весьма обрывочны и неполны. Остается надеяться, что новые исследования позволят нам узнать больше об этих таинственных молекулах. А может быть, когда-нибудь на полках магазинов появится научно-фантастический роман, посвященный жизни, основанной на левозакрученной ДНК.
Можно ли идентифицировать прах человека после кремации?
Покой умерших не принято тревожить после похорон. Это связано как со страхом подхватить инфекцию, так и с нежеланием видеть останки близкого человека. Тем не менее, порой возникает потребность в эксгумации и дальнейшем опознании погребённого. Чаще всего – для установления родственных связей с ныне живущими людьми. Если в случае захоронения гробом всё более-менее ясно, то после кремации, когда тело буквально превращено в пепел, идентификация личности серьёзно осложняется.
Как работает ДНК-анализ?
Метод ДНК-анализа не совершенен. С его помощью невозможно определить, кому из ранее живших людей принадлежали останки. Тем не менее, с великой достоверностью он помогает установить родственные связи между двумя личностями. При чём образцы тканей для исследований могут быть взяты как у живого, так и у мёртвого человека.
ДНК-анализ проводится для:
Для исследований используются клетки неповреждённых тканей биологического организма. Под понятием «расшифровка ДНК» или «секвенированием» подразумевается процедура определения последовательности единичных молекул в геноме. Исследование ДНК проводится с 50-х годов прошлого столетия. Уже через 30 лет наука продвинулась настолько, что генетический анализ стал достаточно распространённой практикой.
Посмертное определение отцовства
Посмертное установление отцовства бывает необходимо в разных случаях:
Если отец ребёнка умер, но живы родственники по его линии, то для установления отцовства ДНК-анализ проводится на основе генома живущих людей. К эксгумации прибегают лишь в крайних случаях, поскольку сама процедура достаточно затратна. Кроме того, родственники, в частности владелец родственного захоронения, должны дать разрешение на извлечение останков. При отсутствии оного дело решается путём судебных разбирательств.
ДНК-анализ тела умершего
Мягкие ткани мёртвого тела разлагаются в течение нескольких лет. Самыми последними истлевают кости. Для проведения ДНК-анализа вполне достаточно даже фрагментов скелета. Поскольку при эксгумации останки незамедлительно перемещают в цинковый контейнер (реже – деревянный гроб), следует заранее договорится с сотрудниками ДНК-лаборатории относительно забора образцов тканей для проведения дальнейших исследований.
Важно! Не все ДНК-лаборатории проводят ДНК-анализ на основании мёртвых тканей.
ДНК-анализ праха кремированного
В случае кремации мягкие ткани тела превращаются под воздействием высоких температур в пепел. Формально ДНК сохраняется лишь в остатках зубов и скелете. Но и тут возникает определённая сложность. После сожжения останки погружают в кремулятор и мелко дробятся. На выходе родственникам вручают урну с прахом, напоминающим пыль. Из данной смеси пепла и измельчённых фрагментов костей лаборантам сложно вычленить неповреждённые клетки для извлечения генного материала.
В Японии после кремации кости не измельчают перед укладыванием в урну. Потому в Стране Восходящего Солнца возможно секвенирование ДНК после обряда сожжения. Ряд исследовательских лабораторий США и стран Европы имеют специализированное оборудование для проведения ДНК-анализа праха усопшего. Стоимость такой процедуры высока, а результат не всегда гарантированный.
Иные способы идентификации праха
Поскольку ДНК-анализ лишь помогает установить родство умершего с ныне живущими людьми, при идентификации личности почившего прибегают к иным методам. Самым распространённым является определение усопшего по металлическому маркеру, что вкладывается в контейнер с прахом. Зная регистрационный номер и крематорий, где тело было предано огню, по Журналу погребений можно установить кремированную особу. К данному способу прибегают люди, сомневающиеся в том, что выданный прах действительно принадлежит их родственнику.
Что показывает ДНК тест
Результат ДНК-теста дает гарантированно точные ответы относительно того, являются ли два человека родственниками или нет. После выполнения тестирования клиент получает на руки подробный отчет, в котором содержится несколько показателей и большое количество цифр. Это одновременно научный и юридический документ, поэтому вопрос, как понять ДНК тест, волнует всех, кто заказал генетическое исследование.
Расшифровка ДНК-теста
После получения образцов ДНК в лаборатории приступают к извлечению генетических маркеров. В таблице отчета о родстве указаны каждый из них. Есть две колонки: одна колонка для предполагаемого отца, одна – для ребенка. Иногда добавляют третью – например, для анализа образца матери.
Хотя в этой таблице указан 21 генетический маркер (или, как его еще называют, локус – увеличенный фрагмент ДНК), фактически проверяются 20 из них. 21-й генетический маркер известен как ген пола – амелогенин. Этот ген является одним из многих генов, определяющих пол. Этот ген анализирует только для чтобы убедиться, что клиенты не ошиблись при упаковке своих образцов.
В каждом из локусов находятся так называемые короткие тандемные повторы, наследуемые от обоих родителей. Проще говоря, это молекулярные маркеры родства. Во второй и третьей колонке вы увидите числа – это количество таких маркеров. К примеру, в первом локусе (D13S1358) указаны значения 16 и 18, то есть 18 переданы от отца. В случае когда ребенок наследует и от отца, и от матери один и тот же набор маркеров (аллель), дается одно число. К примеру, во втором локусе vWA, который содержит данная расшифровка анализа ДНК, стоит только одно число 17.
Индекс отцовства
Это показатель, с помощью которого определяются шансы наследования ребенком обязательной аллели от предполагаемого отца, а не случайного мужчины, который не проходит тестирование. Индекс отцовства (PI) подсчитывается для каждого маркера родства математическим путем. В таблице вы увидите это число возле каждого локуса. Например, возле локуса D16S539 стоит индекс 1,75. Это достаточно высокий индекс, говорящий о сильном совпадении. Однако, если известно, что большинство людей будут иметь аллельное значение 12 в этом месте, PI может быть меньше, например 0,83. Таким образом, в ДНК обоих участников есть совпадение, но это может быть связано с разными вероятностями: либо с тем, что один из них действительно является биологическим отцом ребенка, либо с тем, что большинство людей в этой популяции имеют такое же значение аллеля в этом месте.
Позже все индексы объединяют вместе путем умножения всех отдельных PI, чтобы получить комбинированный индекс отцовства. Комбинированный индекс отцовства, или CPI, – это алгоритм, используемый для установления вероятности отцовства. CPI, как показано в наших примерах, позволяет определить процентную вероятность того, что испытуемый человек исключается или не исключается в качестве биологического отца ребенка.
Если ДНК тест показывает, например, число CPI 200 000, это значит следующее: вероятность отцовства мужчины, который проходит данное тестирование, в 200 000 раз выше, чем вероятность отцовства случайного человека из данной популяции. Если по результатам исследования тестируемый человек не признан отцом, в индексе отцовства будет стоять 0.
Как понять вероятность отцовства?
Для того, чтобы предполагаемый отец считался отцом ребенка (чтобы его биологическое отцовство было «не исключено»), значение CPI должно составлять не менее 100. Значение CPI 100 соответствует вероятности отцовства 99,0000%, значение CPI 10 000 дает вероятность 99,9900% и так далее.
Почему вероятность отцовства не может быть равной 100%? Это связано со статистической погрешностью, поскольку для получения 100% вероятности отцовства необходимо протестировать каждого мужчину данного этноса как предполагаемого отца. Всегда остается небольшая вероятность существования у человека его генетического близнеца.
Однако вероятность отцовства в 99,99% это настолько сильный показатель, что ее принято считать доказательством отцовства. И в этом согласны как ученые-генетики, так и суды во всем мире. Как выглядит исключение отцовства? Этот показатель всегда будет равен 100%.
Как происходит процедура анализа ДНК
Сегодня для ДНК-тестирования используются компьютерное оборудование, которое сделало процедуру точной и быстрой. С его помощью можно не только устанавливать родство, но и выполнять генетическую реконструкцию отцовства без участия отца, определять этническую принадлежность, резус-фактор плода во время беременности.
Количество ДНК, которое можно извлечь из полученного образца, очень мало, а загрязнение может повлиять на возможность секвенирования. Поэтому ДНК сначала необходимо амплифицировать, сделав множество копий последовательности. Это делается методом ПЦР – полимеразной цепной реакции. При этом фокусируются на 700 000 участков ДНК, которые, как известно, различаются между людьми (остальные 99,9% последовательности практически одинаковы для всех). Эти участки называются SNP – это однонуклеотидный полиморфизм, отличия последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Затем эти амплифицированные участки помещают на маленький чип с множеством пор, которые связывают каждый фрагмент с красным или зеленым флуоресцентным сигналом. Специализированное программное обеспечение затем может прочитать чип и перевести цвета в A, T, G и C. Файл с этой последовательностью позволяет перейти к вычислительному анализу.
В каждой паре хромосом одна хромосома передается от матери и одна от отца. Технология генотипирования, которая читает образец ДНК, определяет, какие генотипы унаследованы от родителей для каждого SNP, а процедура фазирования группирует варианты, унаследованные от каждого из родителей в две отдельные группы для дальнейшего сравнения.
Заказать ДНК-тест в лаборатории Медикал Геномикс Украина
Лаборатория Медикал Геномикс Украина предлагает широкий спектр генетических исследований. Здесь вы можете заказать тест для установления отцовства/материнства, сиблинговые тесты и другие исследования родственных отношений. С помощью ДНК-исследований вы также можете узнать больше о вашем этническом происхождении и том, какую роль играет наследственность и повреждения ДНК в вашем здоровье.
ДНК-исследования в лаборатории Медикал Геномикс Украина – это удобно, качественно и доступно. Вы можете сдать биоматериал в одном из 78 пунктов сбора образцов в 43 городах Украины или заказать набор для домашнего забора материала. В лаборатории используется современное оборудование, которое исключает возможность ошибки и человеческого фактора, а каждый результат проверяется дважды – двумя независимыми группами ученых под руководством четырех докторов наук в генетике.