Открытие и развитие методов анализа и секвенирования ДНК

Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, например, рождение, дыхание, рост, смерть.

Как упакуем?

Проблема упаковки ДНК в хромосомах клеточного ядра эукариотических организмов была поставлена еще в середине 1970-х гг.: этими исследованиями занялись несколько групп ученых, включая Нобелевского лауреата по химии Роджера Корнберга. Рассматривая молекулу ДНК в электронный микроскоп, исследователи обнаружили, что она очень напоминает бусины, нанизанные на нитку. Выяснилось, что «бусины» (нуклеосомы) состоят из специальных белков (гистонов), на которые, как на валик, намотана в два оборота нить ДНК (порядка 150 пар нуклеотидов). Затем идет «нитка» – свободный участок (линкер, длиной 10—30 пар нуклеотидов), затем – следующая «бусина» и т.п. Всего же в каждой нашей клетке находится около 25 млн таких валиков, на которых размещено 70—90% всей клеточной ДНК. Так как диаметр каждой «бусины» с намотанной на ней ДНК составляет порядка 10 нм, то часто ДНК, упакованную в нуклеосомы, называют 10 нм хроматиновой фибриллой.

Но этот уровень упаковки ДНК недостаточен – она все еще остается слишком длинной. Поэтому «бусины» укладываются в упорядоченные «стопки», которые перекручиваются одна вокруг другой, – так образуется соленоид диаметром 30 нм, что в итоге дает 30 нм хроматиновую фибриллу. Такая структура формируется спонтанно как за счет образования межмолекулярных водородных связей между гистонами, так и за счет связывания гистона H1 с линкерными участками ДНК. Однако вопрос, действительно ли ДНК упаковывается в клетке в столь организованную структуру, как соленоид, до сих пор остается открытым.

Но упаковка ДНК как в десяти нанометровые, так и в тридцати-нанометровые хроматиновые фибриллы все еще не обеспечивает ее достаточной компактизации: с помощью первого способа можно «укоротить» ДНК в 5—10 раз, второго – в 50 раз, т.е. Конечно, здесь мы немного лукавим, ведь наша ДНК не едина, а разделена на хромосомы, которых в соматической клетке 46 штук. Но даже учитывая обстоятельство, что при таком уровне упаковке длина одной хромосомы уменьшится примерно до 800 мкм, все равно трудно представить, чтобы она уместилась в клеточном ядре размером почти в 100 раз меньше. Поэтому хроматиновые фибриллы сворачивается во фракталы.

Читайте также:  Причины, симптомы и лечение ВСД по гипертоническому типу

Фрактальная глобула образуется за счет взаимодействия участков ДНК на коротких и длинных расстояниях, и хромосома занимает наконец свою так называемую «хромосомную территорию». Фрактальная структура позволяет упаковать в конечный объем объект практически бесконечной длины, причем так, что межхромосомные контакты будут маловероятны. Конечно, поддержание такой структуры требует определенных затрат энергии, но они окупаются, так как в результате автоматически достигается изолированность друг от друга нитей ДНК разных хромосом, которые теперь не могут спутаться. В противном случае было бы гораздо дороже «распутывать» нити ДНК, разрезая и сшивания их во время митотического деления клетки, когда надо быстро и точно поделить между дочерними клетками наследственный материал.

Современные представления о гене

До недавнего времени считалось, что ген – это структурная единица генетической информации, далее неделимая в функциональном отношении, представленная участком молекулы ДНК (реже РНК), который путем транскрипции и трансляции определяет первичную структуру молекулы белка. Однако ряд исследований показал, что ген все же делим и не является единицей мутации и рекомбинации (способен обмениваться любыми частями с гомологичными генами в процессе рекомбинации). Установлено, что воспроизведение и действие генов непосредственно связано с матричными процессами – синтезом макромолекул ДНК, РНК и белков. Определены отличия в организации генетического материала у различных организмов. Так, обнаружено, что для прокариот характерны опероны, считающиеся единицами генетического материала у бактерий. Оперон может состоять из одного, двух или нескольких тесно сцепленных структурных генов, кодирующих белки (ферменты), и осуществлять последовательные этапы какого-либо метаболизма. Таких оперонов в клетках эукариот нет. У эукариот каждый транскрипт содержит нуклеотидную последовательность только одного структурного гена. Имеются и другие отличия, например отсутствие интронов, экзонов и сплайсинга у прокариот, обнаружены плазмиды (внехромосомные факторы наследственности), установлена способность плазмид встраиваться в ДНК хромосом и многое другое. Все эти факты расширили представления о гене и в целом о генетическом материале клеток.

Современная теория гена опирается на успехи биохимии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Фундаментальные знания о гене стали внедряться в практику для использования на нужды человечества. Многие генетические открытия послужили основой развития биотехнологии, особенно генной и геномной инженерии.

Читайте также:  Гиперкинетический синдром – симптомы и лечение, фото и видео

Что дает тест

Главный плюс Полного генома в том, что вы получаете всю информацию о своей ДНК. Когда появятся новые данные, мы просто добавим их в личный кабинет. С обычным генетическим тестом это работает не всегда, так как в нем исследуется около 660 000 вариантов — 0,1% всей ДНК. Для интерпретации новых признаков их может быть недостаточно.

Результаты теста помогут предпринять шаги по профилактике заболеваний и планированию семьи, а врач сможет уточнить диагноз в будущем или уже сейчас.

Всё, что требуется от пользователя — собрать образец слюны и вызвать курьера для передачи пробирки в Полного генома Атласа: генетический анализ высокой точности, контроль качества полученных данных, запатентованная система интерпретации данных, доступ к исходным данным, консультация генетика, а также отобранные научные статьи, которые доступны каждому пользователю. Всё это за 94 500 — самая низкая цена за подобные услуги в России.

Заказать тест можно на сайте Атласа. Подпишитесь на нашу рассылку в шапке блога и получите дополнительную скидку 10%.

Что такое РНК?

РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.

Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству. Причем случилось это в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах.

Что такое РНК?

Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.

Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.

Первый метод быстрого секвенирования ДНК

К началу 1970-х годов молекулярные биологи добились невероятных успехов. Теперь они могли расшифровать генетический код и расшифровать последовательность аминокислот в белках. Однако их сдерживало отсутствие возможности легко считывать точные нуклеотидные последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Фредерик Сенгер

В 1943 году, выпускник кембриджа Фредерик Сенгер выявил свободные аминогруппы в инсулине. Благодаря этой работе, он стал первым человеком, определив аминокислоты и получив последовательность белка, за что впоследствии получил Нобелевскую премию. Он сделал вывод, что если белки были в молекулах, то анализ ДНК расставляет их в определенном порядке.

Читайте также:  Почему болит голова перед месячными: возможные причины и лечение

В 1962 году Сенгер перебрался в лабораторию молекулярной биологии в Кембридже, где секвенирование ДНК стало естественным продолжением его работы с белками. Он изначально начал работать на РНК-секвенированием, так как они были меньше, но эти методы вскоре были применимы и к анализу ДНК и в конечном итоге стал дидезокси метод, используемый в реакциях секвенирования сегодня.

Сенгер получил вторую Нобелевскую премию по химии в 1980 г.

1977 – английский биохимик Фредерик Сенгер разрабатывает методы быстрого секвенирования ДНК (секвенирование – определение последовательности)

Методы секвенирования выявляют наследственные болезни

Болезнь Гентингтона это редкое, прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое обычно проявляется между 30 и 45-летним возрастом. Оно проявляется потерей контроля над движениями, порывистыми движениями, психиатрическими симптомами, деменцией, изменениями личности и снижением когнитивных функций. Как болезнь взрослого, многие люди уже имели детей, прежде чем они были диагностированы и отдали мутантный ген следующим поколениям.

Первый метод быстрого секвенирования ДНК

В 1983 году, генетический маркер нашел болезнь Гентингтона на хромосоме 4. Это делает её первым генетическим заболеванием сопоставленным с помощью макромолекулы-полиморфизма. Однако, ген не был окончательно изолирован до 1993 года.

1983 – болезнь Гентингтона это первое выявленное генетически заболевание

В 1990 году, первый ген, связанный с повышенной восприимчивостью к болезни семейной молочной железы и овариального рака был выявлен. Ученые провели исследования связывания макромолекулы или секвенирование ДНК и показали характеристики, связанные с наследственностью рака груди и яичников.

Они назвали ген, который был расположен на хромосоме 17, ген – brca1. Однако, было понятно, что не все члены семьи были связаны с геном brca1 и, при продолжении исследований, второй ген brca2 был расположен на хромосоме 13.

Каждый человек имеет 2 копии brca1 и brca2. Если у человека есть одно изменение копии гена, это может привести к накоплению мутаций, которые затем могут привести к образованию опухоли.

1990 – нашли первый ген который связан с повышенной восприимчивостью к раку семейной молочной железы и яичников

Таким образом, история и развитие секренирования или анализа ДНК позволяет выявить генетические повреждения и в некоторых случаях предотвратить наследственные болезни.

Расшифровка ДНК открыла новую науку как молекулярная биология и генетика.

FORMULAT - медицинский глянцевый журнал