Днк у человека где находится


ДНК. Механизмы хранения и обработки информации. Часть I / Habr


Много людей использует термин ДНК. Но статей, нормально описывающих, как она работает почти нет (понятных не биологам). Я уже описывал в общих чертах устройство клетки и самые основы ее энергетических процессов. Теперь перейдем к ДНК.
ДНК хранит информацию. Это знают все. Но вот как она это делает?

Начнем с того, где она в клетке хранится. Примерно 98% хранится в ядре. Остальное в митохондриях и хлоропластах (в этих ребятах протекает фотосинтез). ДНК — это огромный полимер, состоящий из мономерных звеньев. Выглядит примерно так.

Что мы тут видим? Во-первых ДНК — двухцепочечная молекула. Почему это так важно — чуть позже. Далее мы видим синие пятиугольники. Это молекулы дезоксирибозы (такой сахар, чуть меньше глюкозы. От рибозы отличается отсутствием одной OH группы, что придает стабильности молекуле ДНК, в отличие от РНК, в которой используется рибоза. Дальше, для простоты опущу приставку дезокси и буду просто говорить рибоза, да простят нас щепетильные товарищи). Маленькие кружкИ — остатки фосфорной кислоты. Ну и собственно есть азотистые основания. Всего их 5, но в ДНК в основном встречаются 4. Это Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин. То есть, есть рибоза с которой связано азотистое основание. Вместе они образуют так называемые нуклеозиды, которые связываются друг с другом с помощью остатков фосфорной кислоты. Таким образом мы получаем длинную цепь, состоящую из мономеров. Теперь посмотрите на увеличенную левую цепь. Видите C и G соединены тремя пунктирными линиями, а T и A двумя. Что это значит? Да, ДНК состоит из двух цепей, но что удерживает их вместе? Есть такая штука, как водородная связь. Выглядит примерно так. На атомы кислорода (O) и азота (N) формируется частичный отрицательный заряд, а на водороде (H) — положительный. Это приводит к формированию слабых связей.

Связи действительно очень слабые. Их энергия может быть в 200 раз ниже энергии ковалентных связей (образуются за счет перекрытия пары электронных облаков, например связь в молекуле CO2). Однако таких связей много. В каждой нашей клетке ДНК цепи связаны почти 16 миллиардами слабых связей, не мало, согласны?

Но вернемся к числу связей между основаниями. Цитозин и Гуанин связаны тремя связями, а Аденин и Тимин — двумя. Это приводит к тому, что Г и Ц связанны куда прочнее, чем А и Т. Некоторым организмам нужна особая стабильность связей ДНК, например живущим при высоких температурах. При нагревании ДНК содержащая больше ГЦ пар более стабильна. Так что хочешь жить в гейзере — имей много ГЦ пар. Хотя последние исследования говорят, что явной связи между GC составом (% ГЦ пар от всех пар) и температурой обитания нет. Стоит сказать, что варьирует он сильно. Так у Candidatus Carsonella ruddii PV (внутриклеточный эндосимбионт) он примерно 16%, у нас с вами почти 41%, а у Anaeromyxobacter K (бактерия вполне себе средних размеров) достигает 75%.

Тут вы можете видеть связь GC состава с размером генома бактерий. Mb — миллион пар нуклеотидов. Показатель довольно вариативный. Его, кстати, часто юзают как фичу при обучении различного рода классификаторов. Сам недавно писал классификатор для распознания патогенов на основе сырых данных секвенирования и оказалось, что GC состав даже по одному риду вполне себе можно использовать.

Пока не забыл. Почему важно, что ДНК двухцепочечная? На основе одной цепи можно восстановить другую. Если в одной цепи поврежден кусок напротив последовательности Аденин-Аденин-Цитозин, то мы точно знаем, что до повреждения там был Тимин-Тимин-Гуанин. Таким образом наличие второй цепи позволяет надежней хранить информацию.

Круто! Теперь вернемся к самой молекуле ДНК. Это цепочка из 4х типов звеньев. Однако насколько длинная? У Candidatus Carsonella ruddii PV уже упомянутого выше всего 160 000 нуклеотидов. У нас с вами 3.2 миллиарда (в гаплоидной клетке, то есть с одним набором хромосом. У большинства наших клеток их два). Кажется много, да? На самом деле нет. У одноклеточной амебы (Amoeba dubia) он примерно 670 миллиардов пар нуклеотидов. Кажется что это бесконечно длинная цепочка, поэтому давайте переведем размер в любимые нам метры. Если все наши хромосомы (их 46, не забываем; 23 по две копии на каждую) развернуть и вытянуть в одну линию, получится примерно 2х метровая цепочка. ДНК одной амебы хватит, чтоб опоясать футбольный стадион. Но к чему я веду? Ядро, в котором ДНК хранится не очень большое. У нас оно в среднем диаметром в 6 мкм. Не очень то много, если хочешь свернуть 2х метровую нить, пусть и очень тонкую. Причем нужно не просто запихать нить в ядро. Нужно свернуть таким образом, чтобы в любой момент можно было обеспечить доступ к любому ее участку. Задача сложная. И с ней успешно справляются специализированные белки. Они создают ряд спиралей и петель, которые обеспечивают все более и более высокие уровни упаковки и не до допускают спутывания ДНК в гордиев узел. Давайте поговорим о том, как она упаковывается.

Сразу скажу, упаковывается она очень по разному. Но если откинуть экзотику, то остается два способа. Первый характерен для бактерий, второй для эукариот (или иначе ядерных).

Упаковка ДНК у бактерий


Начнем с братьев наших меньших. Бактерии сами по себе обладают не очень большим геномом, в среднем от 1 до 5 миллионов пар нуклеотидов. Наиболее характерное их отличия от нас в том, что у них нет ядра и ДНК плавает в клетке. Не совсем плавает, оно частично прикреплено к клеточной мембране и тоже свернуто, но не так сильно как у нас.

Второе. Бактериальная ДНК чаще всего кольцевая. Так ее проще копировать (нет концов, которые могут потеряться при копировании и не нужно придумывать механизмы сохранения концов). Обычно такое кольцо одно, но у некоторых бактерий их может быть 2 или 3. Есть еще кольца поменьше (от пары тысяч до пары сотен тысяч остатков).Имя им плазмиды, и это вообще отдельная история.

Вернемся к упаковке ДНК. ДНК упаковывают белки-гистоны (есть еще гистоноподобные белки). ДНК это дезоксирибонуклеиновая кислота. Кислота. Это значит что она отрицательно заряжена (за счет остатков фосфорной кислоты). Поэтому белки, связывающие ее положительно заряжены. Таким образом они могут связываются с ДНК. ДНК бактерий вместе с белками ее упаковывающими формируют нуклеоид, при этом на долю ДНК приходится 80% от его массы. Выглядит это примерно так. То есть кольцевая ДНК делится на домены по 40 тысяч пар нуклеотидов. Затем происходит скручивание. Внутри доменов тоже происходит скручивания, но его степень в разных доменах отличается. В среднем степень упаковки бактериальной ДНК варьирует от сотни до тысячи раз.

Есть еще прикольное видео.

Упаковка ДНК у эукариот


Тут все куда интересней. Наше ДНК хорошо упакована и спрятана внутри ядра. И она куда эффективней упакована, нежели у бактерий. Во время митоза (деление клетки) размер 22й хромосомы составляет 2 мкм. Если ее распутать и вытянуть, она будет уже 1,5 см. Что соответствует степени упаковки в 10 000 раз. Это около максимальная степень упаковки нашей ДНК. Во время деления нужно максимально упаковать ДНК, что бы эффективно разделить ее между дочерними клетками. В обыденной жизни степень компактизации составляет примерно 500 раз. Со слишком упакованной ДНК сложно считывать информацию.

Есть несколько уровней упаковки ДНК эукариот


Первый — нуклеосомный уровень. 8 белков-гистонов формируют частицу на которую наматывается ДНК. Затем еще один белок ее фиксирует. Выглядит примерно так.


Получаются своего рода бусы. Плотность упаковки благодаря этому возрастает в 7-10 раз. Далее нуклеосомы упаковываются в фибрилы. Немного похоже на солениод. Тут суммарная степень упаковки может достигать 60 раз.

Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами. Фибрила разбита на участки по 10 — 80 тысяч пар азотистых оснований. В местах разбивки находятся глобулы негистоновых белков. ДНК — связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. Образуется устье петли. Средняя длина петли включает примерно 50 тысяч оснований. Эту структуру называют интерфазной хромонемой. И именно в ней наше ДНК находится большую часть времени. Уровень упаковки здесь достигает 500-1500 раз.

При необходимости клетка может еще больше компактизировать генетический материал. Идет образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. Эти петли в свою очередь образуют новые петли (петли в петли… и это не вязание). Которые в конечном счете формируют хромосому.

В целом процесс упаковки можно описать примерно так.

В итоге из нитей ДНК мы получаем, при делении, суперскрученные структуры, которые можно увидеть под микроскопом. Их мы и зовем хромосомами.

Собственно вещество хромосом зовется хроматином. И степень его упаковки отличается в зависимости от участка хромосомы. Есть эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин это довольно расплетенная область хроматина, в ней ДНК находится на хромомерном уровне (упаковка в 500 — 1000 раз). Здесь происходит активное считывание информации. Например, если сейчас клетка активно синтезирует белок А, то область ДНК, его кодирующая будет в состоянии эухроматина, что бы ферменты, «читающие» ДНК могли до нее добраться. Гетерохроматин же содержит ту часть ДНК, которая клетке не особо нужна сейчас. То есть ДНК максимально плотно упакована, дабы не путаться под ногами. В зависимости от потребностей клетки одни области хроматина могут частично расплетаться, в то время как другие — сплетаться. Таким образом еще и осуществляется регуляция (очень грубое приближение), ведь к скрученной области не добраться, и значит ее не прочитать.

Собственно пока это все. Мы обсудили как хранится носитель информации. Сделаем небольшую паузу и через пару дней поговорим о самом кодировании информации.

Митохондриальная ДНК — Википедия

Схема митохондриального генома человека

Митохондриальная ДНК (мтДНК) — ДНК, находящаяся (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях, органоидах эукариотических клеток.

Гены, закодированные в митохондриальной ДНК, относятся к группе плазмагенов, расположенных вне ядра (вне хромосомы). Совокупность этих факторов наследственности, сосредоточенных в цитоплазме клетки, составляет плазмон данного вида организмов (в отличие от генома)[1].

Митохондриальная ДНК была открыта Маргит Насс и Сильвен Насс в 1963 году в Стокгольмском университете при помощи электронной микроскопии[2] и, независимо, учёными Эллен Харлсбруннер, Хансом Туппи и Готтфридом Шацем при биохимическом анализе фракций митохондрий дрожжей в Венском университете в 1964 году.[3]

Теории возникновения митохондриальной ДНК[править | править код]

Согласно эндосимбиотической теории, митохондриальная ДНК произошла от кольцевых молекул ДНК бактерий и поэтому имеет иное происхождение, чем ядерный геном. Сейчас преобладает точка зрения, согласно которой митохондрии имеют монофилетическое происхождение, то есть были приобретены предками эукариот лишь однажды.

На основании сходства в последовательностях нуклеотидов ДНК ближайшими родственниками митохондрий среди ныне живущих прокариот считают альфа-протеобактерий (в частности, выдвигалась гипотеза, что к митохондриям близки риккетсии). Сравнительный анализ геномов митохондрий показывает, что в ходе эволюции происходило постепенное перемещение генов предков современных митохондрий в ядро клетки. Необъяснимыми с эволюционной точки зрения остаются некоторые особенности митохондриальной ДНК (например, довольно большое число интронов, нетрадиционное использование триплетов и другие). Ввиду ограниченного размера митохондриального генома бо́льшая часть митохондриальных белков кодируется в ядре. При этом бо́льшая часть митохондриальных тРНК кодируются митохондриальным геномом.

Формы и число молекул митохондриальной ДНК[править | править код]

Электронная микроскопия показывает определённое расположение мтДНК в митохондриях человека. Разрешение 200 нм. (A) Сечение через цитоплазму после окрашивания мтДНК частичками золота. (B) Цитоплазма после экстракции; мтДНК, связанные с частичками золота, остались на месте. Из статьи Iborra et al., 2004.[4]

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.[5]

Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК.[6]

У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.

У протистов из отряда кинетопластид (например, у трипаносом) в особом участке митохондрии (кинетопласте) содержится два типа молекул ДНК — идентичные макси-кольца (20–50 штук) длиной около 21 т. п. о. и мини-кольца (20 000–55 000 штук, около 300 разновидностей, средняя длина около 1000 п. о.). Все кольца соединены в единую сеть (катенаны), которая разрушается и восстанавливается при каждом цикле репликации. Макси-кольца гомологичны митохондриальной ДНК других организмов. Каждое мини-кольцо содержит четыре сходных консервативных участка и четыре уникальных гипервариабельных участка.[7] В мини-кольцах закодированы короткие молекулы направляющих РНК (guideRNA), которые осуществляют редактирование РНК, транскрибируемых с генов макси-колец.

Митохондриальная ДНК особенно чувствительна к активным формам кислорода, генерируемым дыхательной цепью, в связи с непосредственной их близостью. Хотя митохондриальная ДНК связана с белками, их защитная роль менее выражена, чем в случае ядерной ДНК. Мутации в ДНК митохондрий могут вызывать передаваемые по материнской линии наследственные заболевания. Также имеются данные, указывающие на возможный вклад мутаций митохондриальной ДНК в процесс старения и развитие возрастных патологий.[8] У человека митохондриальная ДНК обычно присутствует в количестве 100—10000 копий на клетку (сперматозоиды и яйцеклетки являются исключением). С множественностью митохондриальных геномов связаны особенности проявления митохондриальных болезней — обычно позднее их начало и очень изменчивые симптомы.

Наследование по материнской линии[править | править код]

У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид. В сперматозоиде обычно не больше десятка митохондрий (у человека — одна спирально закрученная митохондрия), в небольших яйцеклетках морского ежа — несколько сотен тысяч, а в крупных ооцитах лягушки — десятки миллионов. Кроме того, обычно происходит деградация митохондрий сперматозоида после оплодотворения[9].

При половом размножении митохондрии, как правило, наследуются исключительно по материнской линии, митохондрии сперматозоида обычно разрушаются после оплодотворения. Кроме того, большая часть митохондрий сперматозоида находятся в основании жгутика, которое при оплодотворении иногда теряется. В 1999 году было обнаружено, что митохондрии сперматозоидов помечены убиквитином (белком-меткой, которая приводит к разрушению отцовских митохондрий в зиготе)[10].

Так как митохондриальная ДНК не является высококонсервативной и имеет высокую скорость мутирования, она является хорошим объектом для изучения филогении (эволюционного родства) живых организмов. Для этого определяют последовательности митохондриальной ДНК у разных видов и сравнивают их при помощи специальных компьютерных программ и получают эволюционное древо для изученных видов. Исследование митохондриальных ДНК собак позволило проследить происхождение собак от диких волков[11]. Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву», гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей.

Наследование по отцовской линии[править | править код]

Для некоторых видов показана передача митохондриальной ДНК по мужской линии, например, у мидий[12][13]. Наследование митохондрий по отцовской линии также описано для некоторых насекомых, например, для дрозофилы,[14]медоносных пчел[15] и цикад.[16]

Существуют также данные о митохондриальном наследовании по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей,[17][18] при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец [19] и клонированного крупного рогатого скота.[20]

Наследование по отцовской линии у людей[править | править код]

До недавнего времени считалось, что митохондрии человека наследуются только по материнской линии. Был известен лишь один-единственный случай пациента, у которого в 2002 году достоверно обнаружили отцовскую митохондриальную ДНК[21].

Лишь недавнее исследование 2018 года показало, что митохондриальная ДНК человека иногда всё же может передаваться и по отцовской линии. Небольшое количество митохондрий отца может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой сперматозоида, но, как правило, отцовские митохондрии после этого из зиготы исчезают. Однако, было обнаружено, что у некоторых людей существует «мутация, которая помогает выживать митохондриям отца»[22].

У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15000-17000 пар оснований (у человека 16565 пар нуклеотидов — исследование закончено в 1981 году[23], по другому источнику 16569 пар[24]) и содержит 37 генов — 13 кодируют белки[25], 22 — гены тРНК, 2 — рРНК (по одному гену для 12S и 16S рРНК). Другие многоклеточные животные имеют схожий набор митохондриальных генов, хотя некоторые гены могут иногда отсутствовать. Генный состав мтДНК разных видов растений, грибов и особенно протистов [26] различается более значительно. Так, у жгутиконосца-якобиды Reclinomonas americana найден наиболее полный из известных митохондриальных геномов: он содержит 97 генов, в том числе 62 гена, кодирующих белки (27 рибосомальных белков, 23 белка, участвующих в работе электрон-транспортной цепи и в окислительном фосфорилировании, а также субъединицы РНК-полимеразы).

Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки).

Недавно открытые рудиментарные митохондрии (митосомы) некоторых протистов (дизентерийной амёбы, микроспоридий и лямблий) не содержат ДНК.

Митохондриальные геномы различных видов грибов содержат от 19 431 (делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe) до 100 314 (сордариомицет Podospora anserina) пар нуклеотидов[27].

Некоторые растения имеют огромные молекулы митохондриальной ДНК (до 25 миллионов пар оснований), при этом содержащие примерно те же гены и в том же количестве, что и меньшие мтДНК. Длина митохондриальной ДНК может широко варьировать даже у растений одного семейства. В митохондриальной ДНК растений имеются некодирующие повторяющиеся последовательности.

Геном человека содержит только по одному промотору на каждую комплементарную цепь ДНК[23].

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Белки или РНК Гены
NADH-дегидрогеназа
(комплекс I)
MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза/Цитохром b
(комплекс III)
MT-CYB
цитохром c оксидаза
(комплекс IV)
MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
АТФ-синтаза MT-ATP6, MT-ATP8
рРНК MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
тРНК MT-TA, MT-TC, MT-TD, MT-TE, MT-TF, MT-TG, MT-TH, MT-TI, MT-TK, MT-TL1, MT-TL2, MT-TM, MT-TN, MT-TP, MT-TQ, MT-TR, MT-TS1, MT-TS2, MT-TT, MT-TV, MT-TW, MT-TY, MT1X

Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.

Так, кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG — терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан[23].

Если говорить точнее, то речь идёт не о митохондриальной ДНК, а о мРНК, которая списывается (транскрибируется) с этой ДНК перед началом синтеза белка. Буква U в обозначении кодона обозначает урацил, который при транскрипции гена в РНК заменяет тимин.

Количество генов тРНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами тРНК[23].

В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях, кодирующих мРНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3'-концевым терминаторным кодонам[23].

Кроме использования при построении различных филогенетических теорий, изучение митохондриального генома — основной инструмент при проведении идентификации. Возможность идентификации связана с существующими в митохондриальном геноме человека групповыми и даже индивидуальными различиями.

Последовательность участка гена субъединицы I цитохром с-оксидазы, кодируемого в митохондриальной ДНК, широко используется в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных - определением принадлежности организма к тому или иному таксону на основе коротких маркеров в его ДНК[28][29]. Для баркодирования растений используется преимущественно комбинация двух маркёров в пластидной ДНК[30].

Группа Шухрата Миталипова из центра эмбриональных клеток и генной терапии Орегонского университета разработала метод замены митохондриальной ДНК для лечения наследственных митохондриальных заболеваний. Сейчас в Великобритании начаты клинические испытания этого метода, получившего неофициальное название «3-parent baby technique» - «ребенок от трех родителей». Известно также о рождении в результате этой процедуры ребенка в Мексике[31].

  1. ↑ Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.
  2. ↑ Nass, M.M. & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm, Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (PDF). In: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593—629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna, Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127—132.
  4. Iborra F. J., Kimura H., Cook P. R. The functional organization of mitochondrial genomes in human cells (англ.) // BMC Biol. (англ.)русск. : journal. — 2004. — Vol. 2. — P. 9. — doi:10.1186/1741-7007-2-9. — PMID 15157274.
  5. ↑ Дымшиц Г. М. Сюрпризы митохондриального генома. Природа, 2002, N 6
  6. Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I. Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues (англ.) // Biochim Biophys Acta. (англ.)русск. : journal. — 1992. — Vol. 183. — P. 553—559. — PMID 1550563.
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (недоступная ссылка)
  8. Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitochondrial DNA and aging (неопр.) // Clinical Science. — 2004. — July (т. 107, № 4). — С. 355—364. — doi:10.1042/CS20040148. — PMID 15279618.
  9. Ченцов Ю. С. Общая цитология. — 3-е изд. — МГУ, 1995. — 384 с. — ISBN 5-211-03055-9.
  10. Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag for sperm mitochondria (англ.) // Nature. — Nov. 25, 1999. — Vol. 402. — P. 371—372. — doi:10.1038/46466. — PMID 10586873. Discussed in [1]
  11. Vilà C., Savolainen P., Maldonado J. E., and Amorin I. R. Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog (англ.) // Science : journal. — 1997. — 13 June (vol. 276). — P. 1687—1689. — ISSN 0036-8075. — doi:10.1126/science.276.5319.1687. — PMID 9180076.
  12. Hoeh W. R., Blakley K. H., Brown W. M. Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA (англ.) // Science : journal. — 1991. — Vol. 251. — P. 1488—1490. — doi:10.1126/science.1672472. — PMID 1672472.
  13. Penman, Danny. Mitochondria can be inherited from both parents, NewScientist.com (23 августа 2002). Дата обращения 5 февраля 2008.
  14. Kondo R., Matsuura E. T., Chigusa S. I. Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method (англ.) // Genet. Res. (англ.)русск. : journal. — 1992. — Vol. 59, no. 2. — P. 81—4. — PMID 1628820.
  15. Meusel M. S., Moritz R. F. Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs (англ.) // Curr. Genet. : journal. — 1993. — Vol. 24, no. 6. — P. 539—543. — doi:10.1007/BF00351719. — PMID 8299176.
  16. Fontaine, K. M., Cooley, J. R., Simon, C. Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.) (исп.) // PLoS One. : diario. — 2007. — V. 9. — P. e892. — doi:10.1371/journal.pone.0000892.
  17. Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson A. C. Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice (англ.) // Nature. — 1991. — Vol. 352, no. 6332. — P. 255—257. — doi:10.1038/352255a0. — PMID 1857422.
  18. Shitara H., Hayashi J. I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage (англ.) // Genetics : journal. — 1998. — Vol. 148, no. 2. — P. 851—857. — PMID 9504930.
  19. Zhao X., Li N., Guo W., et al. Further evidence for paternal inheritance of mitochondrial DNA in the sheep (Ovis aries) (англ.) // Heredity : journal. — 2004. — Vol. 93, no. 4. — P. 399—403. — doi:10.1038/sj.hdy.6800516. — PMID 15266295.
  20. Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J., et al. Composition of parental mitochondrial DNA in cloned bovine embryos (англ.) // FEBS Lett. (англ.)русск. : journal. — 1998. — Vol. 426, no. 3. — P. 352—356. — doi:10.1016/S0014-5793(98)00350-0. — PMID 9600265.
  21. Schwartz M., Vissing J. Paternal inheritance of mitochondrial DNA (англ.) // N. Engl. J. Med. : journal. — 2002. — Vol. 347, no. 8. — P. 576—580. — doi:10.1056/NEJMoa020350. — PMID 12192017.
  22. ↑ Митохондриальная ДНК может передаваться по отцовской линии • Полина Лосева • Новости науки на «Элементах» • Генетика, Микробиология
  23. 1 2 3 4 5 Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.
  24. ↑ Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 10 октября 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
  25. ↑ Даниленко Н.Г., Давыденко О.Г - Миры геномов органелл
  26. MW Gray, BF Lang, R Cedergren, GB Golding, C Lemieux, D Sankoff, M Turmel, N Brossard, E Delage, TG Littlejohn, I Plante, P Rioux, D Saint-Louis, Y Zhu and G Burger. Genome structure and gene content in protist mitochondrial DNAs (англ.) // Nucleic Acids Research (англ.)русск. : journal. — 1998. — Vol. 26. — P. 865—878.http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865
  27. Дьяков Ю. Т., Шнырева А. В., Сергеев А. Ю. Введение в генетику грибов. — М.: изд. центр «Академия», 2005. — С. 52. — ISBN 5-7695-2174-0.
  28. Paul D. N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biological identifications through DNA barcodes (англ.) // Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. — 2003-02-07. — Vol. 270, iss. 1512. — P. 313—321. — ISSN 0962-8452. — doi:10.1098/rspb.2002.2218.
  29. Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 years since the introduction of DNA barcoding: from theory to application // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. — Т. 55, вып. 1. — С. 43—52. — ISSN 2190-3883. — doi:10.1007/s13353-013-0180-y.
  30. CBOL Plant Working Group1, Peter M. Hollingsworth, Laura L. Forrest, John L. Spouge, Mehrdad Hajibabaei. A DNA barcode for land plants (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2009-08-04. — Vol. 106, iss. 31. — P. 12794—12797. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0905845106.
  31. Алла Астахова. Тонкая работа - 2 (неопр.). Блог о здравоохранении (22 августа 2017).

Как работает ДНК? Популярно объясняем азы генетики!

С появлением первых «ГМО-детей» в Китае и вообще потоком новостей о редактировании ДНК стало ясно, что разбираться в генетике жизненно важно каждому из нас. «Лаба» начинает серию простых гайдов, чтобы разобраться в этой науке. А то как-то совсем тревожно.

Что такое ДНК?

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это макромолекула, главное хранилище наследственной информации и генетической программы развития и функционирования живого организма. 

ДНК имеет двухцепочечную структуру, где каждая цепочка представляет собой последовательность нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Нуклеотиды работают как небольшие «магнитики», которые сцепляют эти две цепочки водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.

Длина ДНК обычно измеряется в числе пар нуклеотидов. У человека их около 3 миллиардов. ДНК человека сохраняется в ядре любой человеческой клетки в виде набора из 23 пар (в норме) хромосом.

И для чего нужна ДНК?

Соединенные вместе цепочки (знаменитая «двойная спираль» ДНК) представляют собой нечто похожее на винтовую лестницу. Каждая ступенька – это та самая пара нуклеотидов, например, аденин - тимин.

Крепления между ступеньками довольно прочные, а вот сами ступеньки – шаткие и легко переламываются, то есть разъединяются. И тогда на одной цепочке остается аденин, а на другой - тимин.

Это нужно для того, чтобы специальные белки могли «расплетать» ДНК и собирать на основе каждой цепочки комплементарную последовательности ДНК другую цепочку - РНК. Этот процесс называется транскрипцией.

Так, не торопитесь. Что такое РНК?

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это одноцепочечная последовательность, которая может выполнять совершенно разные задачи. РНК – своего рода зеркальное отражение ДНК. Если в ДНК на одном месте стоит гуанин, то в РНК на том же месте будет цитозин, и наоборот. Помните: нуклеотиды похожи на магнитики и соединяются только по парам.

Тем же самым зеркальным образом в РНК сохраняется та информация, что есть в ДНК.

А РНК чем занимается?

ДНК находится в ядре клетки, в специальных упаковках-хромосомах. А вот основная работа по синтезу белков происходит в цитоплазме клетки, где белки собирает специальная «машинка» – рибосома. Она связана с РНК. 

Говоря по-простому, дело обстоит так. Белок расплетает ДНК, копирует информацию на РНК (зеркальным образом), а РНК доставляет информацию рибосоме. 

В процессе этой доставки («процессинга») РНК проходит через целую последовательность преобразований, в частности, из нее вырезается информация, которая рибосоме не нужна. 

Рибосома двигается по РНК по ней, шаг за шагом расшифровывая генетический код, строит из подходящих аминокислот новые белки. Этот процесс называется трансляцией.

Зачем нужны белки?

Для того, чтобы клетка жила. 

Некоторые белки поддерживают метаболизм клетки. Другие – вновь расплетают ДНК, строят РНК и доставляют информацию рибосоме. Третьи – организуют и реализуют деление клетки. Основную работу внутри клетки делают именно белки.

Если опять применить компьютерную метафору (надеюсь, ученые нас не побьют за огрубление), то ядро клетки с ДНК внутри, - это такой харддиск, где хранятся и данные, и программы. 

Белки – это как раз программы, которые автоматически загружаются с харддиска и обрабатывают полученные данные.

Хорошо, а гены и ДНК – это не одно и то же?

Гены – часть цепочки ДНК. Это специальным образом оформленные – с концом и началом – отрезки цепочки, в которых закодированы белки и РНК. Внутри каждого гена находится особая последовательность нуклеотидов (например, ген CCR5 состоит 339 нуклеотидов). 

Все гены, кодирующие белки, составляют около 2% ДНК. Еще 1% генов отвечают за кодирование РНК. А около 80% генов внутри ДНК выполняют вспомогательные функции, в частности, упаковки ДНК в ядре. Функции почти 20% ДНК в настоящее время неясны.

Внутри гена есть генетический код, правильно?

Да. Чтобы нормально синтезировать нужный белок и запустить его работу, информацию из ДНК надо доставить рибосоме, которая непосредственно занимается сборкой. Рибосома собирает белки из 20 аминокислот, а в ДНК только четыре нуклеотида.

Четырьмя нуклеотидами невозможно закодировать все 20 аминокислот – не хватает вариантов. Как же быть? 

Спасает в этой ситуации как раз тот самый генетический код. Точнее, процесс кодирования с помощью нуклеотидов, выстроенных в определенную последовательность. Аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов в гене. Это позволяет «запрограммировать» не только 20, а 64 аминокислоты (в природе столько не нужно, так ученые уже пытаются понять, что еще могут делать аминокислоты)!

Так как можно «запрограммировать» белок?

Рибосома сдвигает по РНК считывающую рамку. Когда она считывает старт-кодон (это фиксированный набор из трех аминокислот, который дает команду: «Начало»), начинается считывание информации, необходимой для синтеза белка.

Рамка сдвигается – всегда на три нуклеотида – и рибосома поэтапно присоединяет нужную аминокислоту. Когда рамка считывает стоп-кодон, синтез завершается. 

Если при всей этой довольно сложной (и потому не самой надежной) процедуре будет потерян хотя бы один нуклеотид, рамка сдвинется неправильно и все последующие аминокислоты будут считаны неверно. Белок в таких условиях либо не удастся построить, либо он так изменится, что перестанет выполнять свои функции.

Описанная выше работа генетического кода – одно из древнейших изобретений эволюции, он работает практически одинаково как у человека, так и у бактерии.

Чем ген отличается от генома?

Геном – это весь наследственный материал организма, который содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов.

Как редактируют ДНК?

Об этом мы совсем скоро напишем отдельный гайд. Все-таки процесс не самый простой, а вы, наверное, уже устали читать. Попробуем объяснить основную идею редактирования ДНК.

Раз уж мы знаем, где на «харддиске» человеческой клетки хранится кодирующая белки и РНК информация, давайте мы ее немного поправим! Это позволит изменить всю работу клеток и всего организма. Но на этом пути очень много опасностей. О каких-то мы уже знаем, другие невозможно вычислить. По крайней мере, пока.

Узнать больше

Следите за обновлениями курса «Это все плохие гены!» Скоро здесь будет еще больше материалов, которые, как мы надеемся, позволят вам лучше понимать, что именно делают с нашей ДНК ученые (и хорошо ли это).

Кроме того, можете посмотреть запись интереснейшей трансляции с ведущим российским генетиком Денисом Ребриковым, проректором РНИМУ им. Н.И.Пирогова.

Он рассказал, как можно редактировать ДНК на обычной кухне и вообще старался как можно понятнее объяснять сложные генетические процессы:

 

Что такое ДНК: состав, виды, строение молекулы

Аббревиатура клеточный ДНК многим знакома из школьного курса биологии, но мало кто сможет с легкостью ответить, что это. Лишь смутное представление о наследственности и генетике остается в памяти сразу после окончания учебы. Знание, что такое ДНК, какое влияние оно оказывает на нашу жизнь, порой может оказаться очень нужным.

Статьи по теме

Молекула ДНК

Биохимики выделяют три типа макромолекул: ДНК, РНК и белки. Дезоксирибонуклеиновая кислота – это биополимер, который несет ответственность за передачу данных о наследственных чертах, особенностях и развитии вида из поколения в поколение. Его мономером является нуклеотид. Что такое молекулы ДНК? Это главный компонент хромосом и содержит генетический код.

Структура ДНК

Ранее ученые представляли, что модель строения ДНК периодическая, где повторяются одинаковые группы нуклеотидов (комбинаций молекул фосфата и сахара). Определенная комбинация последовательности нуклеотидов предоставляет возможность «кодировать» информацию. Благодаря исследованиям выяснилось, что у разных организмов структура различается.

Особенно известны в изучении вопроса, что такое ДНК американские ученые Александер Рич, Дэйвид Дэйвис и Гэри Фелзенфелд. Они в 1957 году представили описание нуклеиновой кислоты из трех спиралей. Спустя 28 лет, ученый Максим Давидович Франк-Каменицкий продемонстрировал, как дезоксирибонуклеиновая кислота, которая состоит из двух спиралей, складывается Н-образной формой из 3 нитей.

Структура у дезоксирибонуклеиновой кислоты двухцепочечная. В ней нуклеотиды попарно соединены в длинные полинуклеотидные цепи. Эти цепочки при помощи водородных связей делают возможным образование двойной спирали. Исключение – вирусы, у которых одноцепочечный геном. Существуют линейные ДНК (некоторые вирусы, бактерии) и кольцевые (митохондрии, хлоропласты).

Состав ДНК

Без знания, из чего состоит ДНК, не было бы ни одного достижения медицины. Каждый нуклеотид – это три части: остаток сахара пентозы, азотистое основание, остаток фосфорной кислоты. Исходя из особенностей соединения, кислоты могут называться дезоксирибонуклеиновой или рибонуклеиновой. В состав ДНК входит огромное число мононуклеотидов из двух оснований: цитозин и тимин. Кроме этого, она содержит производные пиримидинов, аденин и гуанин.

Есть в биологии определение DNA – мусорная ДНК. Функции ее еще неизвестны. Альтернативная версия названия – «некодирующая», что не верно, т.к. она содержит кодирующие белки, транспозоны, но их назначение тоже тайна. Одна из рабочих гипотез говорит о том, что некоторое количество этой макромолекулы способствует структурной стабилизации генома в отношении мутаций.

Где находится­

Расположение внутри клетки зависит от особенностей вида. У одноклеточных ДНК находится в мембране. У остальных живых существ она располагается в ядре, пластидах и митохондриях. Если говорить о человеческой ДНК, то ее называют хромосомой. Правда, это не совсем так, ведь хромосомы – это комплекс хроматина и дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Роль в клетке

Основная роль ДНК в клетках – передача наследственных генов и выживание будущего поколения. От нее зависят не только внешние данные будущей особи, но и ее характер и здоровье. Дезоксирибонуклеиновая кислота находится в суперскрученном состоянии, но для качественного процесса жизнедеятельности она должна быть раскрученной. С этим ей помогают ферменты - топоизомеразы и хеликазы.

Топоизомеразы относятся к нуклеазам, они способны изменять степень скрученности. Еще одна их функция – участие в транскрипции и репликации (делении клеток). Хеликазы разрывают водородные связи между основаниями. Существуют ферменты лигазы, которые нарушенные связи «сшивают», и полимеразы, которые участвуют в синтезе новых цепей полинуклеотидов.

Как расшифровывается ДНК

Эта аббревиатура для биологии является привычной. Полное название ДНК- дезоксирибонуклеиновая кислота. Произнести такое не каждому под силу с первого раза, поэтому часто в речи расшифровка ДНК опускается. Встречается еще понятие РНК – рибонуклеиновая кислота, которая состоит из последовательностей аминокислот в белках. Они напрямую связаны, а РНК является второй по важности макромолекулой.

ДНК человека

Человеческие хромосомы внутри ядра разделены, что делает ДНК человека самым стабильным, полным носителем информации. Во время генетической рекомбинации спирали разделяются, происходит обмен участками, а затем связь восстанавливается. За счет повреждения ДНК образовываются новые комбинации и рисунки. Весь механизм способствует естественному отбору. До сих пор неизвестно, как долго она отвечает за передачу генома, и какова ее эволюция метаболизма.

Кто открыл­

Первое открытие структуры ДНК приписывают английским биологам Джеймсу Уотсону и Френсису Крику, которые в 1953 году раскрыли особенности строения молекулы. Нашел же ее в 1869 году швейцарский врач Фридрих Мишер. Он изучал химический состав животных клеток с помощью лейкоцитов, которые массово скапливаются в гнойных поражениях.

Мишер занимался изучением способов отмывания лейкоцитов, выделял белки, когда обнаружил, что кроме них есть что-то еще. На дне посуды во время обработки образовался осадок из хлопьев. Изучив эти отложения под микроскопом, молодой врач обнаружил ядра, которые оставались после обработки соляной кислотой. Там содержалось соединение, которое Фридрих назвал нуклеином (от лат. nucleus — ядро).

Значение ДНК

В 1952 году американские генетики Альфред Херши и Марта Коулз Чейз провели серию специальных опытов, благодаря которым выяснили, что вся наследственная информация содержится как раз в дезоксирибонуклеиновой кислоте, а не белках, как было принято считать ранее. Тогда стало понятно значение ДНК в науке и началось изучение вопроса, что такое формула ДНК. Это открытие прорывом генной инженерии, Альфред и Марта навсегда вошли в историю, а их опыт получил имя эксперимент Херши - Чейз.

Видео

ЧТО ТАКОЕ ДНК? Смотреть видео

Внимание! Информация, представленная в статье, носит ознакомительный характер. Материалы статьи не призывают к самостоятельному лечению. Только квалифицированный врач может поставить диагноз и дать рекомендации по лечению, исходя из индивидуальных особенностей конкретного пациента.

Нашли в тексте ошибку? Выделите её, нажмите Ctrl + Enter и мы всё исправим! Рассказать друзьям:

Генетическая дактилоскопия — Википедия

Генети́ческая дактилоскопи́я, или ДНК-дактилоскопи́я, — система научных методов биологической идентификации индивидуумов (организмов) на основе уникальности последовательности нуклеотидов ДНК каждого живого существа (за исключением однояйцевых близнецов), своеобразного «генетического отпечатка», остающегося индивидуальным и неизменным на протяжении всей жизни индивидуума (организма)[1][2].

Метод открыт 10 сентября 1984 года британским генетиком Алеком Джеффрисом[1]. Используется во всём мире преимущественно в криминалистике при проведении судебно-медицинских экспертиз для раскрытия самых разных преступлений, а также для установления родства и решения множества других задач, связанных с идентификацией личности[3].

Сегодня ДНК-дактилоскопия проводится даже в портативных лабораториях, и десятки предприятий в мире выпускают оборудование для геномной идентификации личности[4].

Метод ДНК-идентификации человека (индивидуума или организма) по аналогии с методом идентификации по отпечаткам пальцев, подобно многим другим великим открытиям, родился благодаря случаю, как побочный результат другого исследования[1][5].

10 сентября 1984 года британский генетик Алек Джеффрис в процессе изучения в лаборатории Университета города Лестера одного из новых методов отслеживания генетических отклонений в хромосомной ДНК рассматривал рентгеновские снимки ДНК, и вдруг обнаружил, что цепочки ДНК разных людей имеют уникальные последовательности нуклеотидов.

Занимаясь анализом ДНК, кодирующей миоглобин, учёный обнаружил в геле (то есть в желатиновой матрице, где фрагменты ДНК перемещаются в электрическом поле со скоростью, зависящей от их размера) целое множество минисателлитов. Это выглядело странным, пусть даже большая часть генов и содержит «мусорные» фрагменты ДНК, которые не принимаются во внимание при его считывании РНК, переносчиком генетической информации от ДНК к месту синтеза белков. При ближайшем рассмотрении он осознал, что образцы ДНК разных людей содержат весьма отличные друг от друга минисателлитные последовательности. Джеффрис сразу понял, что это значит. Последовательности ДНК конкретного человека составляют его ДНК-профиль или «генетический паспорт», который можно использовать для безошибочной идентификации личности. Участки ДНК, которые он открыл, никогда не повторяются[6].

Едва Джеффрис опубликовал результаты своего исследования, с ним тут же связались учёные из Министерства внутренних дел Великобритании: в открытии они увидели надёжный способ проверять, говорят ли правду иммигранты, заявляющие, что состоят в близком родстве с гражданином Великобритании[6].

Первым уголовным делом, в котором была применена генетическая экспертиза, стало дело об изнасиловании и убийстве двух девочек в ноябре 1983 года и в июле 1986 года. Новый метод сначала помог установить невиновность арестованного Ричарда Бакленда, а затем и изобличить настоящего убийцу Колина Питчфорка[6].

Это открытие сначала, конечно, стали применять в криминалистике при проведении судебно-медицинских экспертиз для доказательства причастности или, наоборот, непричастности подозреваемых к преступлениям, в которых они обвинялись. К традиционной дактилоскопии — определению личности человека по отпечаткам пальцев — добавилась генетическая (геномная) дактилоскопия, то есть, определение личности по волосу (с корнем), слюне (например, на фильтре от сигареты), частице кожи, капельке крови, кости, зубу, то есть по любому биообъекту очень малого количества. Ведь в любом биоматериале человека есть ДНК. И, как установил Алек Джеффрис, по её особенностям можно идентифицировать людей[3]. В ходе криминальных расследований начали сравнивать ДНК подозреваемых с ДНК, полученными из образцов волос, биологических жидкостей и кожи, обнаруженных на месте преступления.

Позже техника ДНК-дактилоскопии, открытая Алеком Джеффрисом, начала использоваться повсеместно для установления родства и решения множества других задач, связанных с идентификацией личности.

В настоящее время ДНК-типирование является одной из наиболее мощных и получивших широкое применение биотехнологических методик. Оно используется для выявления малейших различий в составе образцов ДНК, в том числе для определения совместимости донора и реципиента при проведении трансплантации органов и тканей, выявления специфических микроорганизмов, отслеживания необходимых генов в процессе селекции растений, установления отцовства, идентификации останков людей (например, для установления личностей неизвестных погибших солдат или жертв катастроф), регуляции размножения животных в условиях зоопарков, быстрого диагностирования с высокой степенью точности таких заболеваний, как ВИЧ-инфекция и хламидиоз, выявления генов, определяющих предрасположенность индивидуума к различным формам рака и другим заболеваниям[2].

В 2008 году, в частности, во всём мире с помощью данной системы ДНК-идентификации было раскрыто 17614 преступлений, в том числе 83 убийства и 184 изнасилования[5].

Вариации тандемного повтора длин аллелей шести индивидуумов.

Несмотря на то, что 99,9 % последовательностей ДНК человека совпадают по составу, ДНК разных людей достаточно индивидуальны[7]. В ДНК-профилировании анализируется количество повторяющихся элементов в выбранном участке генома. Повторяющийся элемент называется тандемным повтором, и его количество является вариабельным. Чем больше участков генома (или локусов) анализируется при составления ДНК-профиля, тем выше точность идентификации личности. В настоящее время число локусов для составления ДНК-профиля достигает 16 и более[8].

Составление ДНК-профиля человека (ДНК-профилирование) не следует путать с полной расшифровкой его генома.

Процесс ДНК-профилирования начинается с подготовки образца ДНК индивидуума (обычно называемый «контрольным образцом»). Наиболее предпочтительным методом отбора эталонного образца является использование буккального (щёчного) мазка, так как при таком способе снижается вероятность его загрязнения. Если это не представляется возможным (например, если для такой процедуры требуется решение суда, которое отсутствует), можно воспользоваться другими методами для сбора образцов крови, слюны, спермы или других подходящих жидкостей либо тканей с личных вещей (например, с зубной щётки, бритвы и т. п.). Можно воспользоваться образцами из хранилищ (например, из банка спермы или из хранилища биопсии тканей). Образцы, полученные из крови биологических родственников, могут служить индикатором профиля индивидуума, равно как и человеческие останки, которые были ранее профилированы.

Контрольный образец затем анализируется для создания ДНК-профиля человека с помощью одного из методов, описанных ниже. После проведения анализа ДНК-профиль можно сравнить с другим образцом, чтобы определить, есть ли генетическое сходство.

В то же время сравнение образцов ДНК, особенно в криминальных расследованиях, может быть недостаточно объективным, особенно в случае, когда эксперты получают дополнительную информацию о подозреваемых.[9][10]

ПДРФ-анализ[править | править код]

Первыми методами генетического анализа, использовавшимися для ДНК-профилирования, были распознавание эндонуклеазы рестрикции, а затем анализ Саузерн-блоттинг. Хотя в позициях расщепления эндонуклеазы рестрикции может проявляться полиморфизм, чаще всего именно энзимы и ДНК-пробы используются для анализа локусов тандемного повтора. Однако Саузерн-блоттинг является трудоёмким методом и требует большого количества образцов ДНК. Кроме того, оригинальная методика Карла Брауна просмотра многих локусов минисателлитов одновременно увеличивает наблюдаемую вариабельность, что создаёт трудности в различении отдельных аллелей и тем самым исключает этот метод для тестирования на отцовство. Эти ранние методы были вытеснены методами ПЦР-анализа.

ПЦР-анализ[править | править код]

С изобретением метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) ДНК-профилирование сделало огромный шаг вперёд как в отношении разрешающей способности, так и в возможности восстановления информации по очень малым (или деградирующим) образцам. ПЦР позволяет многократно амплифицировать участок ДНК, используя олигонуклеотидные праймеры и термостабильные ДНК-полимеразы. Первые методы анализа, такие как дот-блоттинг, были очень популярны благодаря своей простоте и скорости, с которой можно было получить результат. Однако они не обладали такой разрешающей способностью, как метод ПДРФ. Кроме того, было трудно определить ДНК-профили для смеси образцов, таких как вагинальный мазок у жертв сексуального насилия.

К счастью, метод ПЦР был легко адаптирован для анализа локусов тандемных повторов. В США ФБР стандартизировало набор из 13 тандемных повторов для ДНК-профилирования, а также организовало объединённую базу данных ДНК «Combined DNA Index System (CODIS)» для судебно-медицинской идентификации в уголовных делах. Подобные анализы и базы данных были созданы и в других странах. Кроме того, разработаны комплекты инструментальных средств, которые позволяют анализировать одиночный нуклеотидный полиморфизм (ОНП).

КТП-анализ[править | править код]

Метод ДНК-профилирования, используемый в настоящее время, основан на методе ПЦР и использует короткие тандемные повторы (КТП). В этом методе анализируются участки с высокой степенью полиморфизма, которые имеют короткие повторяющиеся последовательности ДНК (наиболее распространённым является 4 базовых повтора, но встречаются и другие длины повтора, в том числе 3 и 5 пар оснований). Поскольку разные люди имеют разное число повторяющихся звеньев, эти участки ДНК могут использоваться для установления различий между индивидуумами. К участкам генома, содержащим КТП, подбирают специфичные олигонуклеотидные праймеры, затем с помощью ПЦР амплифицируют соответствующие фрагменты ДНК. Эти фрагменты ДНК затем разделяются и распознаются с помощью электрофореза. Есть два распространённых метода разделения и распознавания: капиллярный электрофорез (КЭ) и гель-электрофорез.

Митохондриальный анализ[править | править код]

Для сильно деградированных био-образцов иногда бывает невозможно получить достаточное количество ядерной ДНК. В таких ситуациях анализируется митохондриальная ДНК (мтДНК), поскольку в клетке существует много копий мтДНК, тогда как ядерной ДНК может быть не более 1-2 копий. Митохондриальный анализ является полезным дополнением при идентификации в таких случаях, как поиск пропавших без вести лиц, когда имеются только родственники, связанные по материнской линии. Митохондриальная ДНК может быть получена из таких био-материалов, как волосы (с корнем), старые кости или зубы.

Этот метод, в частности, был использован в установлении того факта, что одна из наиболее известных в мире самозванок Анна Андерсон на самом деле не являлась великой русской княжной Анастасией Николаевной Романовой, за которую она себя выдавала.

Известные случаи практического использования[править | править код]

В криминалистике[править | править код]

  • В 2004 году анализ ДНК позволил пролить новый свет на таинственное исчезновение в 1912 году Бобби Данбара, четырёхлетнего мальчика, который пропал во время рыбалки. Он, якобы, был найден живым спустя восемь месяцев, но женщина по имени Джулия Андерсон утверждала, что мальчик является её сыном, Брюсом Андерсоном. Суд не поверил ей, и мальчик был передан в семью Данбаров. Однако тест ДНК в 2004 году установил, что мальчик, обнаруженный в 1912 году, не является Бобби Данбаром, чья реальная судьба по-прежнему остаётся неизвестной[11].
  • В марте 2011 года в Подмосковье неизвестными была похищена 16-летняя Виктория Теслюк, дочь крупного предпринимателя. Поиски девушки результатов не дали. Когда в конце апреля того же года было обнаружено тело, предположительно, Виктории, визуально его опознать не смогли вследствие повреждения трупа лесными животными и естественных гнилостных изменений. После проведения экспертизы ДНК найденного трупа была однозначно установлена его идентичность пропавшей Теслюк[12].

В установлении родства[править | править код]

  • В 1950-е годы некая Анна Андерсон заявила, что она является великой княжной Анастасией Николаевной Романовой. После смерти Анны в 1980-е годы образцы её тканей хранились в госпитале Шарлоттсвиль, штат Виргиния. Позже, когда появилась возможность их научного исследования, эти образцы были подвергнуты ДНК-дактилоскопии, которая показала, что лже-Анастасия не имеет никакого отношения к роду Романовых[13].
  • Загадка Каспара Хаузера. С помощью ДНК-дактилоскопии была предпринята попытка разрешения одной из самых нашумевших и загадочных историй XIX века в Европе — о происхождении Каспара Хаузера. Народная молва упорно считает Каспара наследным принцем баденского престола, похищенным из колыбели, и чей трон занял узурпатор. Предполагаемыми родителями Каспара считаются Стефания де Богарне, великая герцогиня Баденская, и великий герцог Баденский Карл. Многочисленные расследования до сих пор не дали окончательного ответа, кем был на самом деле Каспар Хаузер. Первое ДНК-тестирование по проверке этой гипотезы дало отрицательный результат. В 1996 году с пятен крови на кальсонах, предположительно принадлежавших Каспару и хранящихся ныне в музее Ансбаха, был взят генетический материал. Образец разделили пополам, причём одну половину получил Институт Судебной медицины при Мюнхенском университете, другую — судебно-экспертная лаборатория в Бирмингеме (Англия). Кровь для анализа предоставили двое потомков Стефании де Богарне по женской линии. В качестве метода использовался анализ митохондриальной ДНК, передающейся ребёнку только от матери. Таким образом, все члены одной семьи, происходящие от одной женщины-предка, имеют сходную структуру этого типа ДНК. Результат оказался отрицательным — если допустить, что панталоны действительно принадлежали Каспару, он никак не мог быть родственником Стефании, великой герцогини Баденской[14]. Однако в 2002 году появилась информация, что произошла ошибка, и панталоны отнюдь не принадлежали нюрнбергскому найдёнышу. Попытку решили повторить, взяв на сей раз за основу образцы генетического материала, взятые со шляпы, брюк и пряди волос, до сих пор хранящихся в так называемой «фейербахской коллекции». Было взято 6 образцов, ДНК которых оказались идентичными между собой. Кровь для анализа дала Астрид фон Медингер — потомок Стефании по женской линии. Анализ проводился в Институте судебной медицины Мюнстера под руководством профессора Б. Бринкманна[15]. Результат оказался положительным — цепочки ДНК совпали на 95 %. Таким образом, вероятность, что Каспар был действительно сыном Стефании, очень высока[16], хотя с этим результатом согласны далеко не все исследователи, и, возможно, потребуется дополнительная проверка[17].

Метод ДНК-анализа применяется в экспертно-криминалистической практике США, Канады, Великобритании, Японии, Китая, Малайзии, Сингапура, Таиланда, Чили, Колумбии, Новой Зеландии, России и других стран[18], некоторые страны создали обширные базы ДНК-профилей.

Самый большой банк данных ДНК в мире — Национальная база Великобритании «NDNAD», которая учреждена в 1995 году и содержала к 2005 году около 3,1 млн проб, в 2015 — 5,7 млн. В ней хранится информация о ДНК не только осуждённых, но и подозреваемых. По данным британских криминалистов, еженедельно раскрывается до 2 тысяч преступлений, по которым с места происшествия изымался генетический материал[источник не указан 1638 дней]. Данный вид экспертизы позволил значительно повысить раскрываемость таких видов преступлений[источник не указан 1638 дней], как кражи со взломом, грабежи, угоны автомашин — всего 90 % раскрытых дел. С 1998 года обсуждается вопрос о введении генной паспортизации всего населения.

В США Национальная база данных по генетической информации [уточнить] создана в 1998 году. К 2002 году в ней хранилось более 800 тысяч генотипов. Учёту подлежат лица, осуждённые за совершение тяжких и особо тяжких преступлений. В базе National DNA Index (NDIS, часть CODIS) хранилось более 10 млн профилей.

В базе данных Исландии содержатся генотипы всего населения страны (около 300 тысяч человек).

В России 3 декабря 2008 года Госдума приняла Федеральный закон «О государственной геномной регистрации в Российской Федерации»[19]. По этому закону создана федеральная база данных ДНК, содержащая информацию об осуждённых за тяжкие и особо тяжкие преступления, за преступления против половой неприкосновенности, а также о неопознанных трупах и о биологических следах, изъятых с мест совершения преступлений. Оператором базы данных является МВД России.

  1. 1 2 3 DNA pioneer’s 'eureka' moment. It will be 25 years on Thursday since British scientist Professor Sir Alec Jeffreys discovered the DNA fingerprint. Claire Marshall joined him in his laboratory to talk about his breakthrough and the changes it has wrought over the last 25 years. «BBC-News» // news.bbc.co.uk (9 September 2009) (англ.)
  2. 1 2 Евгения Рябцева. ДНК в криминалистике и науке: геномная дактилоскопия, методы ДНК-типирования, ДНК-типирование в судебной медицине, установление отцовства, антропология, ресурсы живой природы. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» // cbio.ru (29 декабря 2006 года)
  3. 1 2 Видеорепортаж Антона Войцеховского. В 1984 году генетики обнаружили, что у каждой ДНК есть свои уникальные особенности. «Первый канал» // 1tv.ru (4 сентября 2009 года)[неавторитетный источник?]
  4. ↑ 30 лет назад была открыта уникальность ДНК — «генетические отпечатки». // calend.ru (3 сентября 2014 года)
  5. 1 2 Методу ДНК-идентификации исполнилось 25 лет. Учёный, предложивший идентифицировать человека по ДНК — по аналогии с отпечатками пальцев, отметил 25-летие своего революционного открытия призывом изменить закон, регулирующий базы данных ДНК. // bbc.co.uk (9 сентября 2009 года)
  6. 1 2 3 Генетика и криминалистика. Портал «Необычный» // unnatural.ru (24 января 2013 года)
  7. ↑ Use of DNA in Identification Архивировано 10 мая 2015 года. // accessexcellence.org (англ.)
  8. Сергей Петухов, Олеся Остафиева. Подозрительная ДНК. В городах-миллионниках всегда найдётся пара десятков мужчин, которых ДНК-экспертиза признает отцом вашего ребёнка. Архивная копия от 13 ноября 2009 на Wayback Machine // weekly.ua (22 октября 2009 года)
  9. ↑ Fallible DNA evidence can mean prison or freedom | New Scientist
  10. ↑ Subjectivity and bias in forensic DNA mixture interpretation / Science&Justice December 2011 Volume 51, Issue 4, Pages 204—208 doi:10.1016/j.scijus.2011.08.004
  11. ↑ DNA clears man of 1914 kidnapping conviction, «USA Today», (May 5, 2004), by Allen G. Breed, «Associated Press».
  12. Юлия Хожателева. Убитая в Подмосковье девушка — дочь топ-менеджера «Лукойла» Виктория Теслюк. Это подтвердила экспертиза ДНК. Газета «Комсомольская правда» // kp.ru (12 мая 2011 года)
  13. ↑ История идентификации останков членов царской семьи. Справка. «РИА Новости» // rian.ru (26 июня 2008 года)
  14. G. M. Weichhold, G. E. Bark, W. Korte, W. Eisenmenger, K. M. Sullivan. DNA Alysis in the Case of Caspar Hauser // Inf. J. Legal Med.. — 1998. — Вып. 11. — С. 287-291. (недоступная ссылка)
  15. Dr. phil. Rudolf Biedermann. Kaspar Hauser était bel et bien prince héritier de la famille de Bade (неопр.) (10.2002). Дата обращения 30 декабря 2011. Архивировано 4 февраля 2012 года.
  16. Brian Haughton. Kaspar Hauser — An Unsolved Mystery (англ.) 3. Дата обращения 30 декабря 2011. Архивировано 4 февраля 2012 года.
  17. Terry Boardman. The Ongoing Struggle for the Truth About the Child of Europe (англ.). Архивировано 4 февраля 2012 года.
  18. Марина Юршина. Банки данных ДНК. Интервью Геннадия Спирина: «Повышение раскрываемости преступлений за счёт создания базы данных ДНК». Архивная копия от 1 января 2011 на Wayback Machine «Газета» (№ 240 от 21.12.2007 г.). // moscowbase.ru
  19. ↑ МВД России планирует создать базу данных ДНК преступников. Архивная копия от 16 июля 2009 на Wayback Machine // sibnovosti.ru (15 июля 2009 года)

5 нескучных фактов о ДНК, которые помогут понять, как устроена живая природа

Ребята, мы вкладываем душу в AdMe.ru. Cпасибо за то,
что открываете эту красоту. Спасибо за вдохновение и мурашки.
Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, — это то, что объединяет нас с животным и растительным миром всей планеты. Общеизвестно, например, что ДНК человека и банана сходна на 50 % (что, конечно, не делает нас наполовину бананом), а геном каждого из людей отличается от генома любого другого человека всего на 0,1 %, который и делает нас уникальными. А знаете ли вы, что на планете существуют животные, способные «похищать» ДНК не только у других животных, но и растений? А почему нельзя клонировать динозавров?

AdMe.ru собрал 7 разных фактов о ДНК, которые помогут вам прокачать знания о мире. А в конце вас ждет детективная история длиной более чем 25 лет, в которой тоже была «замешана» дезоксирибонуклеиновая кислота.

Почему нельзя клонировать динозавров?

Группа ученых провела исследование ДНК вымершей птицы моа, используя для этого найденные кости возрастом от 600 до 8 000 лет, и выяснила, что через 521 год связи в ДНК распадаются настолько, что генетический код прочитать уже довольно сложно.

Примерно через 1,5 млн лет обрывки этих связей станут настолько короткими, что их невозможно будет прочитать, а полный распад ДНК займет около 6,8 млн лет, то есть надежды клонировать динозавров, вымерших около 65 млн лет назад, практически не остается.

Ученые не исключают, что период полураспада ДНК в останках, хранящихся в условиях вечной мерзлоты, может быть больше, но вряд ли этого достаточно, чтобы на Земле появился настоящий «парк юрского периода». А вот надежда на клонирование мамонтов, останки которых и находят там, где всегда зима, еще не совсем потеряна: например, на острове Врангеля эти гигантские животные жили еще «каких-то» 4 000 лет назад.

Существуют растения с более внушительной ДНК, чем у человека

Растение вороний глаз, родиной которого является Япония, имеет в 50 раз больше пар нуклеотидов («букв», которыми «написана» ДНК), чем человек: 150 млрд против 3,2 млрд. Если бы все молекулы ДНК, содержащиеся в одной клетке растения, выстроились в высоту, получилась бы башня размером с Биг-Бен.

Однако ученые считают, что ДНК амеб может быть еще более массивной, так что ее сложность никак не соотносится со сложностью самого организма «хозяина».

Кроме того, ученым до сих пор не известно, почему в природе существует подобная разница в генетическом коде. Кстати, подобная особенность не дает растению каких-либо преимуществ. Наоборот, вороньему глазу требуется гораздо больше времени на рост, поскольку репликация ДНК (или, проще говоря, процесс копирования самой себя) длится дольше, чем у сородичей.

ДНК человека больше Солнечной системы

Каждая клетка человеческого организма содержит 46 молекул ДНК (за исключением яйцеклеток и сперматозоидов, где их по 23), а если выстроить их все в один ряд, то получится цепочка длиной 2 метра. Всего в человеческом организме примерно 37,2 трлн клеток, таким образом, если собрать цепочку из всех молекул ДНК в н

Гаплогруппы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 февраля 2020; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 февраля 2020; проверки требует 1 правка.

Гаплогруппа — группа схожих гаплотипов, имеющих общего предка, у которого произошла мутация, унаследованная всеми потомками (обычно — однонуклеотидный полиморфизм). Термин «гаплогруппа» широко применяется в популяционной генетике и генетической генеалогии — науке, изучающей генетическую историю человечества с помощью исследования гаплогрупп Y-хромосомы (Y-ДНК), митохондриальной ДНК (мтДНК) и ГКГ-гаплогруппы. Генетические маркеры Y-ДНК передаются с Y-хромосомой исключительно по отцовской линии (то есть от отца сыновьям), а маркеры мтДНК — по материнской линии (от матери всем детям). Таким образом, мужчины являются носителями маркеров Y-ДНК и мтДНК, а женщины — только мтДНК. Гаплотипы по аутосомным маркерам представлены и у мужчин, и у женщин.

Y-хромосомные гаплогруппы мировой популяции в доколониальный период

Предположительно, естественный отбор не действует или действует очень слабо в отношении мутации, приведшей к образованию гаплогруппы и находимой в наши дни. Тогда кроме скорости мутаций, варьирующейся от маркера к маркеру, основная причина изменения соотношения гаплотипов в популяции — это генетический дрейф, случайные флуктуации, вызванные количеством потомков соответствующего пола, которым был передан данный маркер. Это приводит к постепенному изменению пропорции данного маркера либо до 100 %, либо к его полному исчезновению из популяции. В большой популяции генетический дрейф распространённых аллелей очень мал, но в малой популяции, где скрещивание проходит между близкородственными особями, пропорция аллелей изменяется относительно быстро. Таким образом, наблюдаемая географическая разница в гаплогруппах вызвана эффектом бутылочного горлышка и/или эффектом основателя, за которыми последовали разделение популяции на отдельные группы или значительное увеличение числа особей. В более молодых популяциях обнаруживаются не все аллели, которые были в предыдущей популяции: генетический дрейф приводит к исчезновению некоторых аллелей из популяции. Стоимость определения гаплотипа ограничивает количество используемых образцов, поэтому достоверность выводов ограничивается возможной статистической ошибкой.

В научном мире существует устоявшаяся классификация основных гаплогрупп, однако расположение, наименование и наличие субкладов часто вызывает споры. Так, для уточнения актуальной информации база ISOGG обновляет дерево гаплогрупп ежеквартально[1].

Гаплогруппы Y-ДНК[править | править код]

Дерево гаплогрупп Y-ДНК выглядит следующим образом:


В 2002 году консорциум по Y-хромосоме (Y Chromosome Consortium) выработал общую классификацию и номенклатуру по линиям Y-хромосомы. Выделено 18 основных мутационных кластеров (клад), обозначаемых латинскими буквами от A до R. Порядок букв отражает последовательность возникновения мутаций. Эти клады в свою очередь разветвляются на гаплогруппы, которые нумеруются цифрами и буквами.

До 2002 года применялись более простые обозначения по номерам гаплогрупп: НG1, HG2 и т. д. Таблица позволяет перевести старые обозначения, используемые в научных статьях, в современную номенклатуру.

Устаревшие HG1 HG2 HG3 HG8 HG9 HG12 HG16 HG21
YCC R1b I R1a E3a J K N3 E3b

Гаплогруппы мтДНК[править | править код]

Модель миграции человечества на основе анализа митохондриальной ДНК

Генетическая генеалогия — Википедия

Генетическая генеалогия — раздел этногеномики, использующий ДНК-тесты совместно с традиционными генеалогическими методами исследования для выявления родства между людьми. ДНК-тестирование и ДНК-профилирование позволяют строить предположения о степени генетического родства. Применение генетических методов для составления семейной истории широко распространилось в 21 веке с удешевлением тестов. Тестирования проводятся как частными группами, так и в рамках исследовательских проектов (см. Геногеография).

По состоянию на 2019 год порядка 30 миллионов людей провели тесты, которые могут использоваться для выяснения родословной[1][2].

Обычно успех традиционных методов целиком зависит от сохранности и существования документов (например, переписных и писцовых книг, ревизских сказок и т. д.). Каждый человек несёт в себе своего рода «биологический документ», который не может быть утерян — это ДНК человека. Методы генетической генеалогии позволяют получить доступ как к тем частям ДНК, которые передаются практически неизменно по прямой мужской линии (Y-хромосома) и по женской линии (мтДНК), так и строить предположения по иным частям ДНК.

ДНК-тест Y-хромосомы позволяет, например, двум мужчинам определить, разделяют ли они общего предка по мужской линии или нет. ДНК-тесты не просто помощь в генеалогических исследованиях — это современный передовой инструмент, который генеалоги могут использовать для того, чтобы установить или опровергнуть родственные связи между несколькими людьми.

В процессе теста специальных ДНК-маркеров последовательность оснований в них повторяется множество раз (это называется «коротким тандемным повтором» (англ. Short Tandem Repeat)). Например, специальное оборудование читает последовательность ДНК так:

… CTGT TCTA TCTA TCTA TCTA TCTA TCTA TCTA TCTA TCTA TCTGCC …

Можно заметить, что TCTA повторяется 9 раз, а поскольку этот STR маркер называется DYS391 (DNA Y-chromosome Segment № 391) делается запись: DYS391 = 9.

В этом маркере число повторений может быть между 7 и 14. Y-хромосома уникальна в этом отношении, потому что не подвергается кроссинговеру с каждым новым поколением.

В результате слияния яйцеклетки и сперматозоида, ребёнок получает гены, которые будут являться смесью генов отца и матери. Но Y-хромосома передается только от отца, таким образом число повторов в маркерах сына будет тем же самым, что и у его отца. Диаграмма ниже показывает путь Y-хромосомы, которая путешествует вниз по всем мужским линиям, таким образом генетические кузены также разделят ту же самую Y-хромосому.

Иногда число повторов увеличивается или уменьшается, обычно в одной из линий. Таким образом, отец может иметь DYS391 = 9, а его сын DYS391 = 10. Это называется мутацией и случается, когда ДНК копируется неправильно. Стоит отметить, что мутация явление естественное.

Мутации очень важны, потому что учёные, зная примерную частоту их возникновения, могут высчитать приблизительное время, когда жил последний общий предок (MRCA, Most Recent Common Ancestor) (Y-хромосомный Адам, Митохондриальная Ева).

После проверки и объединения результатов нескольких STR из одного генома определяется гаплотип, который может быть представлен в виде последовательности числа каждого маркера. Тест из 12 маркеров может быть похож на данную таблицу:

STR Маркеры Y-ДНК
19 385a 385b 388 389i 389ii 390 391 392 393 425 426
Your Haplotype 14 12 17 12 13 29 24 11 13 13 12 10

Маркеры STR записаны в заголовке, а сам гаплотип в ячейках таблицы. Так, например, для DYS19 написано 14 повторов. Гаплотип может дать информацию о том, откуда произошла ваша Y-хромосома, то есть проследить весь путь предков данного человека в течение 100 тысяч лет. Например, атлантический модальный гаплотип (AMH) определен только шестью маркерами, и это самый общий гаплотип в Западной Европе.

19 388 390 391 392 393
14 12 24 11 13 13

В базе данных «YHRD» каждый может сравнить его гаплотип с другими занесенными в неё образцами[3]. Эта база данных содержит большое количество евразийских образцов, а теперь содержит ещё и образцы американцев и жителей восточной Азии, а также эскимосов. База данных YHDR использует до одиннадцати маркеров.

Кроме этого, Ybase — полезный инструмент исследователя, позволяет добавить результаты своих тестов Y-хромосомы в базу данных.

Интереснейший проект — база данных гаплотипов и генеалогических данных — «Sorenson Molecular Genealogy Foundation»[4]. После заполнения в критериях поиска гаплотип программа покажет в результатах самые близкие по совпадениям гаплотипы с фамилиями людей и покажет генеалогическое древо, где будет показан предполагаемый общий предок и все другие образцы, с которыми совпали результаты маркеров. В этой базе данных зарегистрировано более 50000 гаплотипов. На данный момент проект закрыли.

Тестирование Y-хромосомы наиболее интересно, если сравнивать результаты двух и более человек совместно с результатами традиционных генеалогических поисков. Ниже описан гипотетический случай, где три генетических кузена с одной фамилией прошли тест.

В какой-то момент в прошлом этой семьи произошла единственная мутация в Y-хромосоме. Эта мутация оставила след в ДНК всех мужчин этой семьи. При сравнении их гаплотипов наблюдается следующее:

Y-DNA STR Markers
19 385a 385b 388 389i 389ii 390 391 392 393 425 426
Кузен 1 14 12 17 12 13 29 24 11 13 13 12 10
Кузен 2 14 12 17 12 13 29 24 11 13 13 12 10
Кузен 3 14 12 17 12 13 29 24 11 14 13 12 10

В этой таблице большинство чисел совпадают, за исключением маркера, помеченного серым цветом. У участника № 3 показана мутация в DYS392. Участники № 1 и № 2, цифры которых полностью совпадают, очень близкие родственники. Участник № 3 тоже является их родственником, но более далеким.

Генетическая генеалогия помогает подтвердить результаты традиционных архивных исследований, показывая, что два или более человека с той же фамилией связаны родством, то есть имеют общего предка. Оценка времени жизни их гипотетического общего предка сводится к математике и статистике. Исследования показывают, что мутация в любом маркере — редкий случай, и происходит примерно каждые 500 поколений (то есть раз в 10000 лет). Если есть точное совпадение в 21 маркере, то среднее время, прошедшее с тех пор, когда жил общий предок (MRCA), только 8,3 поколений. Если есть хотя бы одно единственное несовпадение (мутация), тогда время увеличивается до 20,5 поколений.

Сколько мутаций (несоответствий) должно присутствовать в результатах тестов двух людей, чтобы можно было исключить их принадлежность к одному клану? Большое количество мутаций говорит о более отдалённом родстве или его отсутствии. В случае с 21 маркером 2 мутации между гаплотипами — это пограничный результат, а 3 мутации обычно исключают вообще достаточно близкое родство между этими людьми (в пределах тысячелетий).

В криминалистике[править | править код]

Правоохранительные органы могут использовать генетическую генеалогию для выявления лиц, виновных в преступлениях[5]. Этот вид криминалистической, следственной генетической генеалогии стал особенно популярен после ареста Джозефа Деанджело — американского серийного убийцы, насильника и грабителя[5]. Профиль ДНК преступника был помещён в генеалогическую базу данных GEDmatch, в результате чего были найдены его отдалённые родственники[5]. Дальнейшее расследование помогло раскрыть личность преступника. В то же время такое использование генетической генеалогии вызвало негативную реакцию экспертов в области защиты персональной информации[1][5].

В 2019 году генетическая генеалогия была объявлена в некоторых СМИ «самым мощным средством борьбы с преступностью со времён открытия ДНК»[6].

Некоторые исследователи генетической генеалогии[править | править код]

Публичные ДНК-базы данных

Y-ДНК проекты относительно фамилий

Компьютерные программы для исследования Y-ДНК

Статьи по теме

Где находится ДНК ?

Вопрос где находится ДНК немного необычный вопрос. ДНК расположена в основном в ядре, но также может быть обнаружена в других клеточных структурах, называемых митохондриями. Поскольку ядро ​​настолько мало, ДНК необходимо плотно упаковать в пучки, известные как хромосомы.

ДНК, которая находится в клеточных структурах, известных как митохондрии, отвечает за обеспечение энергии, которую клетка должна функционировать. Многие организмы также имеют наборы ДНК, которые отвечают за помощь в размножении.

Они известны как половые клетки и помогают создать новый организм. У людей и многих других животных половые клетки объединяются, образуя два отдельных набора ДНК. Некоторые организмы берут ДНК из материнских клеток.

ДНК состоит из частей, называемых нуклеотидами. Эти части отвечают за построение остальной структуры клеток, которые присутствуют в организмах. Нуклеотиды состоят из фосфатных групп, сахарных групп и азотной основы. При связывании этих нуклеотидов образуется цепочка ДНК. Группы сахара и фосфатные группы чередуются по всей цепи ДНК. Азотная основа является основой нити ДНК и остается постоянной во всей цепочке.

В вашем теле около 30 триллионов клеток, и ДНК содержится в большинстве, но не во всех. Например, зрелые эритроциты не имеют ДНК. Кроме того, некоторые зрелые клетки волос, кожи и ногтей также не имеют ДНК.

Где хранится ДНК?

ДНК не просто плавает в клетке. Большая часть его хранится в небольшом отделении в клетке, называемой ядром. Небольшая часть этого также может быть найдена в другом отделении, названном митохондрией.

Каждая клетка человека имеет около шести пикограмм (пг) ДНК. Это небольшое количество, и оно намного меньше рисового зерна, которое обычно весит около 29 миллиардов пикограмм, то есть 29 000 000 000 пикограмм.

Место расположения ДНК зависит от типа организма. Если вы прокариот, как бактерия или архебактерия, то ваша ДНК хранится в цитоплазме клетки. Для прокариот цитоплазма — это в основном все внутри клетки.

Ситуация меняется, если вы эукариот, такой как растение, животное, грибок или множество микроскопических животных, которые не являются прокариотами. Хотя у них есть цитоплазма. У них также есть связанные с мембраной органеллы, которые действуют как маленькие компартменты.

Большая часть ДНК эукариота хранится в одной из этих органелл, называемой ядром. Немного эукариотической ДНК также можно найти в двух других органеллах: митохондриях и — для организмов, которые могут фотосинтезировать — хлоропластах.

В каких трех органеллах можно найти ДНК?

Как описано выше, ДНК может быть обнаружена в трех органеллах: ядре, митохондрии и хлоропласте. Только эукариоты имеют ядро, которое представляет собой большую структуру, окруженную мембраной. Ядерная ДНК имеет форму длинных линейных фрагментов ДНК, называемых хромосомами. У людей более шести футов ДНК, как правило, распределены по 46 хромосомам.

У большинства эукариот также есть митохондрии, которые являются источником энергии клетки. В митохондриях ДНК называется митохондриальной ДНК (мтДНК) и вместо того, чтобы быть линейной, она является круглой. Митохондрии обычно имеют лишь небольшую часть ДНК, которая находится в ядре.

Только растения и эукариотические водоросли имеют хлоропласты. Эти органеллы могут захватывать солнечный свет и превращать его в энергию в процессе, называемом фотосинтезом. В хлоропластах ДНК называется хлоропластной ДНК (кПДНК), и, как и ДНК в митохондриях, она круглая.

Как ДНК хранится в ваших клетках?

ДНК плотно упакована в ядре ваших клеток в виде хромосом. Хромосома — это нитевидная структура, в которой ДНК свернута вокруг белков, называемых гистонами. Люди являются «диплоидными» организмами, что означает, что у них есть две копии каждой хромосомы — одна от мамы и одна от папы. Люди обычно имеют 23 пары хромосом в общей сложности 46.

Если бы вы развернули ДНК в одной клетке, она была бы длиной шесть футов. Объединение ДНК из всех ваших клеток позволило бы получить нить длиной 34 миллиарда миль. Для сравнения, в самом дальнем от него Плутоне всего 4,67 миллиарда миль от Земли.

Другими словами, ДНК только одного человека настолько длинна, что может доходить до Плутона и обратно более семи раз. Теперь вы можете понять, почему так важно плотно упаковать эту ДНК в эту микроскопическую клетку.

25 интересных фактов о ДНК, которые помогут вам лучше понять себя :: Инфониак

Невероятные факты

ДНК является схемой нашего тела, и без нее нас бы не было. Это молекула, которая содержит генетическую инструкцию для развития и продолжает функционировать в каждом живом организме.

ДНК есть в каждой клетке нашего организма, сообщая ей какие белки производить. ДНК в наших клетках мы наследуем от родителей, благодаря чему у нас много схожих черт.

Она имеет форму двойной спирали, похожей на огромную спиральную лестницу, и каждая ступень на этой лестнице состоит из пары нуклеотидов. Когда ДНК копируется, иногда возникают ошибки, и эти ошибки известны как мутации.

Читайте также: Мы выбираем мужа или жену с похожим ДНК

Вот несколько интересных фактов о ДНК, которые помогут вам лучше понять себя.

Молекула ДНК

1. Бделлоидные коловратки – это микроскопические животные, которые на протяжении 80 миллионов лет оставались исключительно самками. Они размножаются, заимствуя ДНК других животных.

dnk-1.jpg

2. Если бы вам пришлось ежедневно по 8 часов печатать по одному слову в секунду, вам бы потребовалось 50 лет, чтобы напечатать геном человека.

dnk-2.jpg

3. Осы бракониды вместо яда вводят своим жертвам вирус, который подавляет иммунную систему и позволяет паразитической личинке осы расти внутри жертвы. Ученые обнаружили, что этот вирус не похож ни на один другой вирус на Земле. Ему больше 100 миллионов лет, и он, судя по всему, слился с ДНК осы.

dnk-3.jpg

4. Если вы вдруг перенесете трансплантацию костного мозга, в ДНК вашей крови будет присутствовать ДНК донора, что в прошлом приводило к ложным арестам.

dnk-4.jpg

5. У родных братьев и сестер 50 % общих генов, как и у родителей с детьми.

dnk-5.jpg

6. ДНК повреждается около 1 миллиона раз за день в каждой клетке нашего тела. К счастью, у нашего организма существует сложная система ее восстановления. Если бы этого не было, это бы приводило к раку или гибели клеток.

dnk-6.jpg

7. Если дело касается беспозвоночных, то дождевые черви являются нашими ближайшими родственниками. У нас больше общего ДНК, чем с тараканами и даже осьминогами.

dnk-7.jpg

8. Согласно ученым, у четырех семей в Исландии обнаружено ДНК, встречающееся только у коренных американцев. Свидетельства указывают на то, что викинги привезли коренную американку обратно в Европу около 1000 лет назад.

dnk-8.jpg

9. На международной космической станции есть жесткий диск, названный "диск бессмертия". Он содержит ДНК людей, таких как Лэнс Армстронг и Стивен Хокинг на случай всемирной катастрофы.

dnk-9.jpg

10. Брук Гринберг – девушка, которая всю жизнь выглядела, как ребенок, умерла в возрасте 20 лет. Ученые считают, что ее ДНК может стать ключом к биологическому бессмертию.

Читайте также: Умерла 20-летняя девушка, которая выглядела, как ребенок

dnk-10.jpg

ДНК человека

11. Около 8 процентов нашей ДНК состоит из древних вирусов, которые когда-то инфицировали людей.

dnk-11.jpg

12. Согласно ДНК исследованию, полинезийцы посетили Чили в 1300-х годах и обогнали Колумба, ступив на землю Америки почти на 200 лет раньше.

dnk-12.jpeg

13. Около 2 грамм ДНК могло бы вместить всю мировую информацию, хранимую в цифровом виде.

dnk-13.jpg

14. Ученые записали песню из диснеевского мультфильма ("It's A Small World After All") в ДНК бактерии, которая устойчива к радиоактивности, чтобы на случай ядерной катастрофы люди в будущем или другие формы жизни смогли ее найти.

dnk-14.jpg

15. Замбийского врача Джона Шнеебергера обвинили в сексуальном насилии. Он имплантировал себе трубку с кровью другого человека, и когда у него брали кровь на ДНК, он смог обмануть специалистов. В конце концов, его все же удалось задержать.

dnk-15.jpg

16. ДНК людей на 99,9 процентов одинаковы. Отличия составляют последние 0,1 процент.

dnk-16.jpg

17. Генетическое содержание яйцеклетки можно заменить ДНК мужчины и затем оплодотворить сперматозоидом. Таким образом, двое мужчин могу стать родителями ребенка.

dnk-17.jpg

18. ДНК во всех ваших клетках могут растянуться на 16 миллиардов километров, если ее раскрутить. Это примерно расстояние от Земли до Плутона и обратно.

dnk-18.jpg

19. Хотя существуют сайты, предлагающие генетические тесты по слюне, подтверждающие ваше происхождение, ученые предупреждают, что это своего рода "генетическая астрология", и ее не стоит воспринимать серьезно.

dnk-19.jpg

20. 50 процентов вашего ДНК сходно с ДНК банана.

dnk-20.jpg

21. Ученые определили, что период полураспада ДНК составляет 521 год, а через 1,5 миллиона лет даже ДНК, сохраненное в лучшем виде, нельзя будет прочесть.

dnk-21.jpg

22. Из-за разрушения ДНК маловероятно, что мы когда-нибудь сможем клонировать динозавров или других доисторических животных.

dnk-22.jpg

23. Немецкая полиция однажды взяла образцы ДНК во время ювелирного ограбления. Образцы указали на близнецов Хассана и Аббаса О. Оба отрицали причастность к преступлению, несмотря на то, что полиция знала о том, что один из них совершил преступление. 

Они не смогли определить, кто же из них его совершил, так как ДНК было практически идентичным, а по закону Германии подозреваемых нельзя было держать неопределенный срок. Таким образом, у полиции не было другого выбора, как отпустить подозреваемых.

dnk-23.jpg

24. У всех людей неафриканского происхождения есть следы ДНК неандертальцев.

dnk-24.jpg

25. В ходе Проекта глубинного захоронения Хорнслета датского художника Кристиана фон Хорнслета в 2013 году в глубочайшее место океана  была опущена капсула времени. Капсула содержала образцы крови, волос и ДНК животных. Целью проекта стало сохранение ДНК, чтобы в будущем можно было вернуть к жизни вымершие виды.

dnk-25.jpg

Что значит ДНК

Что значит ДНК

Секвенирование древней ДНК — Википедия

ДНК, выделенная из древнеегипетской мумии возрастом 4000 лет

Секвенирование древней ДНК (от лат. sequentum «последовательность») — определение нуклеотидной последовательности применительно к молекулам ДНК, извлечённым из древних биологических образцов, таких как палеонтологические и археологические находки, мумифицированные останки, засохшие остатки растений, копролиты. Анализ нуклеотидных последовательностей, полученных секвенированем древней ДНК, позволяют установить филогенетические отношения между видами и проверять гипотезы о связи изменений в окружающей среде и эволюционных изменений популяций, а также предоставляют информацию для калибровки молекулярных часов[1].

При работе с древней ДНК исследователи сталкиваются со множеством проблем, связанных с сохранностью образцов. ДНК может деградировать с течением времени, химически модифицироваться. Микроорганизмы, участвующие в разложении останков, не только нарушают целостность тканей, но и вносят в образец собственную ДНК, тем самым усложняя процесс выделения древней ДНК и биоинформатического анализа полученных данных. Такие методы, как секвенирование нового поколения и обогащение ДНК-библиотек путём гибридизации позволяют заметно увеличить количество получаемых из образцов информации.

Проведен анализ ДНК ряда древних животных, в том числе мамонта и пещерного медведя. Анализ ДНК из человеческих останков позволил выделить новую группу древних людей — денисовцев, а также выявить детали происхождения современных этнических групп. Ряд открытий был сделан в результате анализа древней ДНК болезнетворных микроорганизмов: произведен анализ генома чумной палочки из лондонских захоронений XIV века и гриба фитофторы из образцов XIX века.

Исследования древней ДНК начались в 1984 году с секвенирования фрагмента митохондриальной ДНК (мтДНК) вымершей во второй половине XIX квагги[2], подвида бурчелловой зебры. Было обнаружено, что ДНК не только сохраняется на протяжении более полутора веков, но также может быть частично выделена и секвенирована. Вскоре после этого Сванте Паабо секвенировал образцы, полученные из человеческих мумий.[3][4] В этих исследованиях ученый использовал бактериальное клонирование для амплификации фрагментов ДНК. Оказалось, что большая часть ДНК в образцах имеет бактериальное или грибное происхождение, а поддающаяся амплификации эндогенная ДНК состоит в основном из коротких повреждённых фрагментов многокопийных локусов (например, мтДНК) и составляет малую часть исследованной ДНК. Изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР) позволило амплифицировать даже немногочисленные сохранившиеся фрагменты ДНК и дало толчок к развитию этой области, однако также увеличило чувствительность результатов к контаминации[5].

Исследование древней ДНК имеет важное значение для таких областей науки как генетика, палеозоология, палеоэпидемология, антропология (особенно палеоантропология) и археология. Также эта область стала частью методологии палеогенетики.

Анализ древней ДНК может использоваться для оценки эволюционной близости таксономических групп давно вымерших или сильно изменившихся организмов, конкретные родственные связи которых выяснить иными способами крайне затруднительно. Особое внимание здесь уделяется областям высокой изменчивости — участкам ДНК, где мутации происходят часто. В частности, это короткие тандемные повторы (STR) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). Анализ митохондриальной ДНК дает более точную информацию в контексте этого метода, так как митохондриальная ДНК имеет гораздо большее количество копий по сравнению с ядерной ДНК (около 1000 копий митохондриальных ДНК и 2 копии ядерной ДНК на клетку)[6].

Анализ древней ДНК также позволяет устанавливать половую принадлежность скелетных останков представителей видов, женские и мужские особи которых отличаются набором половых хромосом, что особенно важно, когда другие методы, например антропометрия, не могут дать точного ответа[7].

Данный метод находит свое применение и в контексте палеоэпидемологии. Диагностику заболеваний по скелетным останкам и изучение древних пандемий крайне сложно проводить без анализа ДНК возбудителей, сохранившейся в останках больных. Такие исследования стали возможны только в 1990 годах, что позволило прослеживать как эволюцию инфекционных бактериальных штаммов и вирусов, так и их распространение, а также сопоставлять детектируемые по останкам симптомы болезни с современными знаниями о конкретном заболевании[8][9].

Деградация ДНК[править | править код]

Обычно после смерти организма ДНК расщепляется эндогенными нуклеазами. Этого не происходит, если нуклеазы оказываются быстро разрушены или инактивированы, например, вследствие обезвоживания останков, низких температур или большой концентрации соли.[10] Даже в этом случае ДНК со временем повреждается в результате случайного гидролиза или окисления. К гидролитическим повреждениям относятся разрушение фосфатного остова цепи, депуринизация (англ.) (соответствующая позиция остается без азотистого основания) и дезаминирование. Чаще происходит дезаминирование цитозина в урацил, метилированный цитозин (5-метил-цитозин) дезаминируется в тимин; реже аденин превращается в гипоксантин, который комплементарен цитозину, а не тимину, что ведет к неправильному прочтению при секвенировании. Эти повреждения происходят и в живых клетках, однако там они устраняются в процессе репарации. Кроме того, возникают поперечные сшивки между цепями спирали ДНК из-за алкилирования или сшивки ДНК с различными молекулами в результате реакции Майяра. Как и разрывы цепи, поперечные сшивки мешают амплификации при ПЦР[10][5]. Перед секвенированием древнюю ДНК подвергают специальной обработке, чтобы удалить продукты дезаминирования и поперечные сшивки. Средняя длина амплифицируемых фрагментов древней ДНК часто не превосходит 100 пар нуклеотидов, причём для находок из одного места раскопок средняя длина фрагментов убывает с увеличением возраста находки. Современные протоколы секвенирования древней ДНК учитывают эту особенность; в частности, вместо отжига праймеров на фрагменты ДНК к концам фрагментов присоединяются адаптеры, а праймерами служат олигонуклеотиды, комплементарные адаптерам[11].

При низких температурах деградация ДНК идет медленнее, что обеспечивает хорошую сохранность ДНК в образцах, найденных в районе вечной мерзлоты. Однако считается, что даже в идеальных условиях ДНК не может сохраняться на протяжении более 1 млн лет[10][5].

Примесь чужеродной ДНК[править | править код]

Часто вследствие загрязнения, или контаминации, лишь малая доля ДНК в образце имеет эндогенное происхождение. Лучшие в этом отношении образцы содержат до 90 % эндогенной ДНК.[1]

Археологические образцы всегда содержат некоторое количество ДНК бактерий и грибов, которые колонизируют останки, пока те лежат в земле. Кроме того, в процессе исследования древней ДНК в образец может попасть человеческая или микробная ДНК, присутствующая в любой лаборатории. В отличие от древней ДНК современная хорошо амплифицируется при ПЦР. Продукты ПЦР, содержащие амплифицированную современную ДНК, могут распространиться по лаборатории и увеличить таким образом степень контаминации[1][5]. Для профилактики лабораторной контаминации рекомендуется продолжительная обработка оборудования ультрафиолетом или кислотой и соблюдение требований протокола работы в ПЦР-лабораториях. Исследование древней ДНК не должно проводиться в лаборатории, где ранее изучались современные образцы, особенно близких видов[5]. Многие археологические образцы, особенно найденные до появления современных молекулярно-биологических методов, подверглись контаминации в процессе извлечения и исследования. Если образец был найден несколько десятилетий назад, человеческая ДНК, которой он загрязнен, может обладать всеми признаками древней ДНК. Кости и зубы имеют пористую поверхность, что делает проблематичной их очистку от современной ДНК. Волосы оказываются в этом отношении предпочтительнее: содержащаяся в них ДНК малодоступна для бактерий, а гидрофобная поверхность позволяет очистить их перед извлечением ДНК[1]. В этом случае совпадение последовательностей, полученных в результате независимого исследования разных частей образца (например, бедра и зубов) в разных лабораториях свидетельствует в пользу истинности результата[5].

В случае человеческих останков контаминация современной человеческой ДНК может приводить к ошибкам при исследовании филогении и популяционной генетики. Существует статистический метод, позволяющий отличать древнюю ДНК от современной по паттерну дезаминирования[12][13]. Если известно, что образец ДНК принадлежит женщине, можно картировать отсеквенированные последовательности на Y-хромосому и детектировать таким образом попадание в образец мужской ДНК[14]. Если исследуется ДНК нечеловеческого происхождения, очевидным способом проверки на контаминацию является картирование полученных при секвенировании чтений на человеческий геном, а также на геномы других организмов в случае, если они могли быть источниками контаминации. При секвенировании древней бактериальной ДНК проблема состоит также в том, что известны геномы далеко не всех существующих ныне бактерий, так что из того, что полученная последовательность не входит в известные бактериальные геномы, нельзя заключить, что она принадлежит древней бактерии, а не получена в результате контаминации[5].

Вставки мтДНК и хпДНК в хромосомах[править | править код]

Вставки митохондриальной и пластидной ДНК часто встречаются в ядерной ДНК. При исследовании древних образцов ДНК нельзя выделить ДНК органелл, поэтому эти вставки могут быть источником ошибок, так как их не всегда легко отличить по последовательности от настоящей мтДНК или хпДНК. Если такие вставки будут приняты за ДНК органелл, это может исказить результаты исследования филогении или популяционной генетики[5].

В качестве источника древней ДНК часто стараются использовать сохранившиеся части тела, не представляющие большого интереса с точки зрения анатомического строения. Из-за описанных выше процессов в большинстве древних образцов содержание интересующей исследователей древней ДНК очень мало — всего около 1 %. Это количество сильно варьирует в зависимости от природы образца. Последние исследования показывают, что значительно больший выход эндогенной ДНК из останков предков человека достигается при выделении материала из зубов и каменистой части височной кости.[15]

Первым шагом является измельчение образца и выделение ДНК. В случае костных остатков используют пескоструйные пистолеты или специализированные дрели для первичной фрагментации. Далее частицы ещё более измельчаются (до порошкообразного состояния) на перемешивающих мельницах. Порошок последовательно обрабатывается набором реагентов и подвергается центрифугированию для очистки ДНК от минералов и прочих примесей[16].

Следующий этап — изготовление ДНК-библиотек и их обогащение путем гибридизации[17]. Непосредственное получение нуклеотидной последовательности осуществляется путем секвенирования нового поколения.

В 2012 году в статье журнала Methods of Molecular Biology были представлены возможные методы выделения древней ДНК из сохранившихся растительных образцов. Как и в случае с древней ДНК животных, палеорастительные образцы доходят в сохранном виде до нашего времени зачастую из-за охлаждения во время масштабных оледенений[18].

«Допотопной» (англ. antediluvian) была названа ДНК старше 1 миллиона лет. Название было предложено в 1993 году Томасом Линдалом (Tomas Lindahl) в обзоре в Nature[19]. В 1990-е годы появились сообщения о секвенировании ДНК, сохранившейся на протяжении миллионов лет в ископаемых остатках растений, костях динозавров и инклюзах в янтаре. Некоторые из этих результатов с большой вероятностью являются следствием контаминации, другие оказались невоспроизводимы.[10][5] Например, в ответ на публикацию в Science о секвенировании фрагмента митохондриальной ДНК из кости динозавра мелового периода (80 млн лет назад), вышли заметки, в одной из которых было указано, что при построении филогенетического дерева последовательность из кости динозавра кластеризуется с человеческой, а не с ортологичным участком из мтДНК птиц или крокодила, что свидетельствует о большой вероятности контаминации[20]; в другой заметке высказывалось предположение[21], что последовательность, приписанная динозавру, — это на самом деле древняя вставка мтДНК в человеческой хромосоме, попавшей в образец[22].

Хорошо сохранившиеся образцы позволяют частично, а в некоторых случаях даже полностью секвенировать ядерный геном. В 2008 году была секвенирована ДНК, полученная из шерсти двух мамонтов, умерших около 20 и 59 тысяч лет назад. Картирование на черновую сборку генома африканского слона позволило оценить долю эндогенной ДНК в этих образцах в 90 % и 58 % соответственно; большую часть загрязнения в обоих случаях составили бактериальная ДНК и последовательности, происхождение которых определить не удалось. Полученные данные позволили оценить время расхождения между мамонтом и африканским слоном в 7,5 млн лет, а время расхождения между двумя линиями мамонта, для которых были взяты образцы, — в 1,5-2 млн лет. При этом секвенированная ДНК мамонтов совпадает со слоновьей на 99,41 % на нуклеотидном уровне и 99,78 % на аминокислотном уровне (то есть различие составляет примерно 1 остаток на белок). Принадлежность М4 и М25 к разным кладам была установлена ранее на основе секвенирования митохондриальной ДНК, и новая оценка на время расхождения согласуется с оценкой по мтДНК и уточняет последнюю. Одной из целей секвенирования мамонта было определение функционально важных аминокислотных различий между мамонтом и слоном. Были отобраны 92 различия между этими видами, которые могут иметь функциональное значение, и часть из которых, возможно, находилась под положительным отбором[23].

В одном из более ранних исследований в качестве образцов были взяты хорошо сохранившиеся при низких температурах останки восьми мамонтов из Музея мамонта в Хатанге. Для лучшего из отобранных образцов 45,4 % фрагментов ДНК выравнивались на сборку генома слона, при этом сходство между ДНК слона и мамонта составило 98,55 % без поправки на увеличение числа различий из-за дезаминации[24].

В 2013 году была получена черновая версия генома древней лошади[25]. Возраст образца оценивается в 560—780 тысяч лет. По состоянию на конец 2013 года это самый древний полный ядерный геном. Также были секвенированы ДНК лошади из позднего плейстоцена (~43 тысячи лет назад), пяти современных пород лошадей, лошади Пржевальского и осла. Филогенетический анализ показал, что последний общий предок всего рода Лошади жил 4-4,5 миллиона лет назад, что оказалось вдвое больше принятой до того оценки; популяции предков лошади Пржевальского и домашней лошади разошлись 38-72 тысячи лет назад. В том же году была восстановлена последовательность митохондриальной ДНК пещерного медведя из испанской Пещеры Костей, жившего в среднем плейстоцене 179—680 тыс. лет назад, причём техника подготовки древней ДНК к секвенированию была оптимизирована для лучшего прочтения коротких (30-50 пн) фрагментов[11]. По состоянию на октябрь 2013-го, древний геном отсеквенирован с покрытием больше единицы только для таких позвоночных, как человек, белый медведь и лошадь.

Неандертальцы[править | править код]

Первым шагом в изучении генетического материала неандертальцев была работа с митохондриальной ДНК, выделенной из костей, которые были обнаружены в 1856 году в долине реки Неандерталь (Германия). В 2006 году был начат проект по секвенированию полного генома неандертальца. В работе использовалась ДНК останков из пещеры Виндия в Хорватии, а также из некоторых других костей. Выравнивание полученного генома вместе с геномом современного человека и геномом шимпанзе, позволило грубо оценить время расхождения современного человека и неандертальца в 270—440 тыс. лет в предположении, что человек и шимпанзе разошлись 6,5 млн лет назад[26]. Геномы неандертальцев из пещеры Сидрон (англ.) (Испания), пещеры Фельдхофер (англ.) (Германия), Мезмайской пещеры (Россия) незначительно отличаются от первого.

Секвенирование ДНК древних людей даёт надежду установить функциональные геномные мутации, которые отличают древнего человека от обезьяны, а также проследить отличия современного человека от древних людей. Исследование выявило удивительно малое количество зафиксировавшихся замен в геноме за довольно долгое время. Было найдено всего лишь 5 генов, в которых у современного человека зафиксировалось больше одной замены, меняющей структуру белка (по сравнению с неандертальцем, который в этих локусах совпал с шимпанзе): RPTN (англ.), SPAG17, CAN15, TTF1 (англ.) и PCD16.

Сравнение разнообразия SNP для неандертальцев и современного человека позволяет локализовать мишени положительного отбора в геноме. Самый обширный такой участок генома, выявленный анализом различий SNP, принадлежит гену THADA (англ.), и SNP в ближайшем его окружении ассоциированы с диабетом 2 типа, а экспрессия этого гена существенно различается для больных диабетом и здоровых людей. В этом же регионе была обнаружена вставка 9 нуклеотидов в геноме человека, которая отсутствует у всех известных геномов от мыши до приматов и у неандертальца. Также SNP в других регионах ассоциируются с шизофренией, синдромом Дауна, аутизмом. Интерес представляет ген RUNX2 (англ.), который является единственным известным на данный момент геном, связанным с развитием ключично-черепного дизостоза. Анализ SNP также выявляет примесь генетического материала неандертальцев в ДНК неафриканцев, что подтверждает теорию о скрещивании неандертальцев с современными людьми, произошедшем после выхода популяции последних из Африки.

Денисовцы[править | править код]

Именно анализ древней ДНК позволил обнаружить этот вид древних людей — изначально считалось, что найденные в Денисовой пещере фрагменты скелета (две фаланги пальцев и три коренных зуба) принадлежат неандертальцам. Секвенирование митохондриальной ДНК останков опровергло теорию и показало, что они принадлежат отдельной группе. Различие денисовцев и современных людей в 2 раза превышает различие неандертальцев и современных людей, однако для ядерной ДНК эти различия имеют одинаковый порядок. Возможное объяснение состоит в том, что денисовцы и неандертальцы происходят от общего предка, который ранее отделился от ветви будущего современного человека. Эту гипотезу подтвердило сравнение двух геномов древних людей (денисовец, неандерталец) и пяти геномов современных людей (представителей Франции, Китая, Папуа — Новой Гвинеи, африканских народностей йоруба и бушменов), а также выравнивание геномов денисовцев, неандертальцев и африканцев йоруба на геном шимпанзе. Помимо этого, исследование показало, что денисовцы и неандертальцы являются сестринскими группами. Также было показано, что денисовцы, как и неандертальцы, скрещивались с некоторыми неафриканскими популяциями современных людей: примесь ДНК неандертальцев присутствует во всех неафриканских группах, а примесь денисовцев — у папуасов и меланезийцев[14].

Филогенетические выводы по данным ядерной и митохондриальной ДНК расходятся. Это может объясняться, тем, что мтДНК денисовцев происходит из некой древней линии, которая не прижилась в неандертальцах и современных людях. Большой размер древних популяций делает эту гипотезу правдоподобной, хотя для однозначного разрешения этой проблемы данных пока недостаточно.

Гейдельбергский человек[править | править код]

Анализ практически полного митохондриального генома гейдельбергского человека из Пещеры Костей позволил оценить возраст находки в 150—640 тысяч лет и показал, что митохондриальные геномы более схожи для гейдельбергского человека и денисовцев, чем для указанных видов и неандертальца, хотя по морфологическим признакам люди из Пещеры Костей близки к неандертальцам. Есть несколько возможных объяснений. Люди из Пещеры Костей могут представлять группу, отличную и от неандертальцев, и от денисовцев, которая внесла вклад в денисовскую мтДНК, но эта версия не объясняет морфологических черт неандертальцев у вида, напрямую с ними не связанного. Второе возможное объяснение состоит в том, что гейдельбергские люди относятся к общим предкам неандертальцев и денисовцев, однако эта версия предполагает существование в этой группе двух сильно разошедшихся линий мтДНК, предковых для неандертальцев и денисовцев. В третьих, не исключено влияние малоисследованных подвидов человека, которые могли сделать вклад в мтДНК гейдельберских людей и денисовцев. Анализ ядерной ДНК может прояснить картину[27].

Информация о метилировании цитозинов в CpG (англ.) может быть восстановлена непосредственно по данным секвенирования[28]. При дезаминировании, которое происходит случайно с течением времени, неметилированный цитозин превращается в урацил, а метилированный — в тимин. Протокол секвенирования древней ДНК предполагает обработку ДНК урацил-ДНК-гликозилазой и эндонуклеазой VIII, в результате которой урацил удаляется и молекула ДНК раскусывается в соответствующем месте с удалением поврежденного нуклеотида[29]. В результате при секвенировании для тех позиций, где цитозин был метилирован, будет получен большой процент чтений с Т, а неметилированный цитозин прочитается как C по тем молекулам, где дезаминирование в этом месте не произошло.

По последовательности ДНК, извлечённой из волос 4000-летних останков палеоэскимоса удалось построить полногеномную карту расположения нуклеосом и метилирования[30], причём профиль метилирования оказался близок к тому, что наблюдается в волосах современного человека.

Также восстановлена карта метилирования для неандертальцев и денисовцев[28][31]. Их метилом оказался похож на метилом современного человека, особенно в районе генов «домашнего хозяйства», однако найдено около 2000 областей со значимыми отличиями в метилировании. В частности, у древних людей найдены заметилированные участки в кластере HOXD, задействованном в регуляции развития конечностей, что может объяснять такие анатомические различия между ними и современными людьми, как менее длинные конечности, крупные кисти, широкие локтевые и коленные суставы[28][31].

Современные методы экстракции и секвенирования древней ДНК позволяют проводить исследования патогенов, полученных из останков давно умерших от болезни людей. Филогенетический анализ полученных образцов позволяет восстанавливать эволюцию болезнетворных организмов. Секвенированы средневековые штаммы чумной палочки и палочки Хансена, а также штамм палочки Коха XIX-го века.

Чумная палочка[править | править код]

Исследования древней ДНК чумной палочки (Yersinia pestis), полученных из лондонских захоронений жертв «Чёрной смерти» установили, что чумная палочка того времени, если не считать возможных геномных перестроек, характерных для этого вида, и ограничиться однонуклеотидными полиморфизмами, мало отличалась от современных штаммов. Более того, для всех полиморфизмов, отличающих её от современного штамма, в ней присутствовал вариант предка чумной палочки — Y. pseudotuberculosis. Эти данные позволяют предполагать, что генотип древней чумной палочки не являлся главной причиной её высокой вирулентности в то время и, возможно, его вклад был наравне с вкладом таких факторов, как генетически обусловленная восприимчивость носителей, климат, социальные условия, взаимодействия с другими болезнями. При помощи филогенетического анализа был установлен временной интервал, в который жил последний общий предок всех современных патогенных для человека штаммов чумной палочки: 1282—1343 года, причём древняя бактерия оказалась ближе всего к предковому узлу филогенетического дерева[32].

Фитофтора[править | править код]

В 2013 году было опубликовано показательное исследование в области секвенирования старых патогенов, посвященное не существующим ныне штаммам фитофторы (Phytophthora infestans), которые вызвали Ирландский картофельный голод в середине XIX века. Генетический материал этих патогенов был выделен из сохраненных листьев картофеля и томата разного времени. До настоящего времени, ввиду отсутствия методов секвенирования, анализ данных был невозможен. Ученые провели анализ разных штаммов патогенов, выделив родственные штаммы из растений в Ирландии, Северной Америки и Европы. Исследования показали, что группа штаммов вызвавшая вышеупомянутый голод (HERB-1) и Северо-Американская группа (US-1) имели последнего общего предка предположительно на территории Мексики на рубеже XVIII и XIX веков.

Это исследование особенно интересно с точки зрения подходов к анализу древней ДНК возбудителей прошедших эпидемий как животных, так и растений. Данная область находится на раннем этапе своего развития, однако в случае систематического создания биологических банков, подобные знания могут значительно способствовать ускоренному поиску противомикробных препаратов в ближайшем будущем, в случае возникновения эпидемий, вызванных родственными возбудителями[33].

  1. 1 2 3 4 B. Shapiro, M. Hofreiter. A Paleogenomic Perspective on Evolution and Gene Function: New Insights from Ancient DNA (англ.) // Science : journal. — 24 January 2014. — Vol. 343 no. 6169. — P. 3—16. — doi:10.1126/science.1236573.
  2. Higuchi R. et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family (англ.) // Nature. — 1985. — Vol. 312, no. 5991. — P. 282—284. — doi:10.1038/312282a0. — PMID 6504142.
  3. Pääbo S. Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA (англ.) // Nature. — 1985. — Vol. 314, no. 6062. — P. 644—645. — doi:10.1038/314644a0. — PMID 3990798.
  4. Pääbo S. Molecular genetic investigations of ancient human remains (англ.) // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. — 1986. — Vol. 51, no. Pt 1. — P. 441—446. — PMID 3107879.
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Eske Willerslev and Alan Cooper. Review Paper. Ancient DNA (англ.) // Proc. R. Soc. B : journal. — January 2005. — Vol. 272 no. 1558. — P. 3—16. — doi:10.1098/rspb.2004.2813.
  6. Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis, David Caramelli. Ancient DNA studies: new perspectives on old samples (En) // Genetics Selection Evolution. — 2012/12. — Т. 44, вып. 1. — С. 21. — ISSN 1297-9686. — doi:10.1186/1297-9686-44-21.
  7. Pontus Skoglund, Jan Storå, Anders Götherström, Mattias Jakobsson. Accurate sex identification of ancient human remains using DNA shotgun sequencing (англ.) // Journal of Archaeological Science (англ.)русск.. — Elsevier. — Vol. 40, iss. 12. — P. 4477—4482. — doi:10.1016/j.jas.2013.07.004.
  8. Adrian M. Whatmore. Ancient-Pathogen Genomics: Coming of Age? (англ.) // mBio. — 2014-10-31. — Vol. 5, iss. 5. — P. e01676—14. — ISSN 2150-7511. — doi:10.1128/mbio.01676-14.
  9. Zoe Patterson Ross, Jennifer Klunk, Gino Fornaciari, Valentina Giuffra, Sebastian Duchêne. The paradox of HBV evolution as revealed from a 16th century mummy (англ.) // PLOS Pathogens. — 2018-01-04. — Vol. 14, iss. 1. — P. e1006750. — ISSN 1553-7374. — doi:10.1371/journal.ppat.1006750.
  10. 1 2 3 4 Michael Hofreiter, David Serre, Hendrik N. Poinar, Melanie Kuch and Svante Pääbo. Ancient DNA (англ.) // Nature Reviews Genetics : journal. — 2001. — Vol. 2. — P. 353—359. — doi:10.1038/35072071.
  11. 1 2 Jesse Dabney et al. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2013. — 6 August (no. 201314445). — P. 15758—15763. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.1314445110.
  12. Pontus Skoglund, Bernd H. Northoff, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Svante Pääbo, Johannes Krause, and Mattias Jakobsson. Separating endogenous ancient DNA from modern day contamination in a Siberian Neandertal (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 11 February 2014. — Vol. vol. 111 no. 6. — P. 2229—2234. — doi:10.1073/pnas.1318934111.
  13. ↑ Этот метод требует наличия референсного генома. В первом приближении метод выглядит следующим образом. Чтения выравниваются на геном, после чего рассматриваются позиции, где встречаются, например, цитозин и тимин. Сравниваются две модели: одна предполагает, что замена цитозина на тимин произошла в результате посмертной деградации ДНК, вторая предполагает, что это полиморфизм или ошибка секвенирования. Модель выбирается по методу максимального правдоподобия.
  14. 1 2 David Reich et al. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia (англ.) // Nature : journal. — 23/30 December 2010. — Vol. vol. 468. — P. 1053—1060. — doi:10.1038/nature09710.
  15. Henrik B. Hansen, Peter B. Damgaard, Ashot Margaryan, Jesper Stenderup, Niels Lynnerup. Comparing Ancient DNA Preservation in Petrous Bone and Tooth Cementum (англ.) // PLOS One. — Public Library of Science, 2017-01-27. — Vol. 12, iss. 1. — P. e0170940. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0170940.
  16. Jesse Dabney, Michael Knapp, Isabelle Glocke, Marie-Theres Gansauge, Antje Weihmann. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2013-09-24. — Vol. 110, iss. 39. — P. 15758—15763. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1314445110.
  17. Iosif Lazaridis, Dani Nadel, Gary Rollefson, Deborah C. Merrett, Nadin Rohland. Genomic insights into the origin of farming in the ancient Near East (En) // Nature. — 2016/08. — Т. 536, вып. 7617. — С. 419—424. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature19310.
  18. Beth Shapiro and Michael Hofreiter (eds.). Ancient DNA: Methods and Protocols. — Methods in Molecular Biology. — © Springer Science+Business Media, LLC 2012. — С. vol. 840. — ISBN DOI 10.1007/978-1-61779-516-9_10.
  19. Lindahl T. Instability and decay of the primary structure of DNA (англ.) // Nature. — 1993. — Vol. 362, no. 6422. — P. 709—715. — doi:10.1038/362709a0. — PMID 8469282.
  20. S. Blair Hedges, Mary H. Schweitzer. Detecting dinosaur DNA (англ.) // Science. — 26 May 1995. — Vol. 268 no. 5214. — P. 1191—1192. — doi:10.1126/science.7761839.
  21. ↑ В то время сборки человеческого генома ещё не существовало. См. Проект «Геном человека»
  22. Zischler H., Höss M., Handt O., von Haeseler A., van der Kuyl A.C., Goudsmit J. Detecting dinosaur DNA (англ.) // Science. — 26 May 1995. — Vol. 268 no. 5214. — P. 1193—1194. — doi:10.1126/science.7605504.
  23. Web Miller et al. Sequencing the nuclear genome of the extinct woolly mammoth (англ.) // Nature : journal. — 20 november 2008. — Vol. vol. 456. — P. 387—392. — doi:10.1038/nature07446.
  24. Hendrik N. Poinar et al. Metagenomics to Paleogenomics: Large-Scale Sequencing of Mammoth DNA (англ.) // Science : journal. — 20 January 2006. — Vol. vol. 311. — P. 392—394. — doi:10.1126/science.1123360.
  25. Ludovic Orlando et al. Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse (англ.) // Nature : journal. — 26 June 2013. — Vol. vol. 499. — P. 74—78. — doi:10.1038/nature12323.
  26. Richard E. Green et al. A Draft Sequence of the Neandertal Genome (англ.) // Science. — 7 May 2010. — Vol. vol. 328. — P. 710—722. — doi:10.1126/science.1188021.
  27. Matthias Meyer et al. A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos (англ.) // Nature. — 16 January 2014. — Vol. 505. — P. 403—406. — doi:10.1038/nature12788.
  28. 1 2 3 Elizabeth Pennisi. Ancient DNA Holds Clues to Gene Activity in Extinct Humans (англ.) // Science : journal. — 18 April 2014. — Vol. Vol. 344 no. 6181. — P. 245—246. — doi:10.1126/science.344.6181.245.
  29. Briggs et al. Removal of deaminated cytosines and detection of in vivo methylation in ancient DNA (англ.) // Nucl. Acids Res. (англ.)русск. : journal. — 22 Dec 2009. — Vol. Vol. 38 (6). — P. e87. — doi:10.1093/nar/gkp1163.
  30. Jakob Skou Pedersen et al. Genome-wide nucleosome map and cytosine methylation levels of an ancient human genome (англ.) // Genome Res (англ.)русск. : journal. — 3 December 2013. — Vol. 24. — P. 454—466. — doi:10.1101/gr.163592.113.
  31. 1 2 David Gokhman, Eitan Lavi, Kay Prüfer, Mario F. Fraga, José A. Riancho, Janet Kelso, Svante Pääbo, Eran Meshorer, Liran Carmel. Reconstructing the DNA Methylation Maps of the Neandertal and the Denisovan (англ.) // Science : journal. — April 17 2014. — Vol. Published Online. — doi:10.1126/science.1250368.
  32. Kirsten I. Bos, Verena J. Schuenemann, G. Brian Golding, Hernán A. Burbano, Nicholas Waglechner. A draft genome of Yersinia pestis from victims of the Black Death (En) // Nature. — 2011/10. — Т. 478, вып. 7370. — С. 506—510. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature10549.
  33. Kentaro Yoshida Verena J Schuenemann Liliana M Cano Marina Pais Bagdevi Mishra Rahul Sharma Chirsta Lanz Frank N Martin Sophien Kamoun Johannes Krause Marco Thines Detlef Weigel Hernán A Burbano. The rise and fall of the Phytophthora infestans lineage that triggered the Irish potato famine (англ.) // eLife : Published online. — 2013. — Май.

Смотрите также

Описание: