Вчера, 25 апреля, отмечался Международный день ДНК. К этой дате ученый Пермского Политеха Валерий Литвинов объяснил, как устроена наша генетика и какие неожиданные факты скрывает ДНК – от «спящих» вирусов до перспектив ДНК-компьютеров.
1. ДНК есть почти во всех клетках – но не в эритроцитах
ДНК – это молекула в форме двойной спирали, которая хранит всю генетическую информацию об организме. Она находится в ядре каждой клетки и упакована в хромосомы – у человека их 46.
Но есть исключение – красные кровяные клетки, или эритроциты. В них ДНК нет. Эти клетки выполняют важную задачу: переносят кислород из легких по всему организму и возвращают углекислый газ обратно.
«В процессе созревания эритроциты специально выталкивают свое ядро, чтобы освободить место для максимального количества гемоглобина – белка, который как раз захватывает и удерживает кислород во время транспортировки. Без гемоглобина кислород просто растворялся бы в плазме, и его катастрофически не хватало бы для жизни. Отсутствие ядра с ДНК делает эритроциты неспособными к делению, поэтому они живут всего около 120 дней и постоянно должны заменяться новыми клетками из костного мозга. Этот нюанс нашего организма можно назвать гениальной эволюционной адаптацией», – объясняет кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Валерий Литвинов.
2. Более половины нашей ДНК – это древние вирусы
Более 50% ДНК человека составляют остатки древних вирусов. Они попали в геном миллионы лет назад, когда наши предки заражались ретровирусами. Те встраивали свою генетическую информацию в ДНК половых клеток, и с тех пор эти фрагменты передаются по наследству.
Со временем большинство таких вирусов потеряли способность размножаться и сейчас находятся в «спящем» состоянии.
«Вирусные остатки не только не опасны, но и очень полезны. Некоторые из них кодируют белки, которые тренируют иммунную систему, помогая ей распознавать современные вирусы, другие участвуют в формировании плаценты. Также эти элементы работают как регуляторы: они могут включать или выключать наши собственные гены, контролируя их активность. Однако при ослаблении иммунитета вирусы могут просыпаться. Тогда они начинают вставлять себя в важные гены, нарушая их работу, что связывают с развитием некоторых видов рака, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний», – рассказывает ученый Пермского Политеха.
3. ДНК длиной 10 млрд километров помещается в клетках
Если собрать всю ДНК из триллионов клеток человека и вытянуть ее в одну линию, получится нить длиной около десяти миллиардов километров. Это примерно в два раза больше расстояния от Солнца до Плутона. При этом вся ДНК человечества заняла бы объем примерно чайной ложки – около пяти миллилитров.
«Это возможно благодаря невероятно плотной и многоуровневой упаковке ДНК внутри ядра клетки. Ее молекула сначала наматывается на специальные белковые катушки – гистоны, образуя структуру, похожую на бусы. Затем они скручиваются в более толстые волокна, которые, в свою очередь, многократно петляют и компактно укладываются, образуя хромосомы. В результате исходная длина ДНК сокращается в десятки тысяч раз, умещаясь в ядре размером всего несколько микрон. Ее смело можно назвать самой эффективной системой хранения информации в природе», – отметил Валерий Литвинов.
4. Мы генетически похожи даже на грибы и бананы
Больше всего человек похож по ДНК на приматов: например, совпадение с шимпанзе достигает 98-99%. С кошкой – около 90%, с мышью – 85%, с курицей – примерно 60%.
Но сходство есть и с куда более далекими организмами. С грибами, червями и дрожжами наши гены совпадают на 30-40%. С рыбами, пчелами, осьминогами, лягушками и даже бананами – на 40-75%.
«Эти высокие проценты объясняются тем, что все живые организмы на Земле произошли от одного общего одноклеточного предка, который жил около 3,5 миллиардов лет назад. И для решения главных задач – получения энергии, деления клеток, починки ДНК, синтеза белков – природа давно нашла оптимальные для всех организмов гены и больше их не меняет. Преображаются лишь регуляторные участки ДНК, – именно они решают, что вырастет на конкретном участке тела – крыло, ласты или рука. Они «подсказывают» гену, как и когда работать, чтобы из одних и тех же базовых инструкций получились разные структуры», – говорит спикер.
5. Рыжие люди сильнее чувствуют боль
Рыжий цвет волос – это не только особенность внешности, но и показатель работы определенных генов. Тот самый ген, который отвечает за медный оттенок волос, влияет и на восприятие боли.
«У рыжих людей «сломан» ген, который управляет специальным белком-рецептором на поверхности клеток. В норме он нужен, чтобы принимать сигналы от мозга и запускать выработку темного пигмента, который отвечает за цвет волос. Но из-за мутации, которая произошла у жителей Европы в условиях нехватки солнца, он работает неправильно: сигналы проходят плохо, и организм вместо темного цвета начинает вырабатывать рыжий. Однако тот же самый рецептор участвует в системе естественного обезболивания. В нашем теле есть собственные болеутоляющие вещества – эндорфины, которые должны связываться с белком, чтобы приглушить боль. У рыжих людей из-за поломки в гене вся эта система дает сбой: рецепторы хуже реагируют на них, либо самих эндорфинов вырабатывается меньше. В результате мозг рыжего человека получает болевые сигналы почти без фильтрации, а чувствительность к боли оказывается выше», – объясняет Литвинов.
Поэтому рыжим людям часто требуется больше анестезии во время стоматологических и хирургических процедур – стандартной дозы может не хватить.
6. Генетические тесты не всегда точны
Точность генетических тестов зависит от того, какой вопрос вы задаете. Почти со стопроцентной вероятностью они могут определить родство, например, установить отцовство, или выявить конкретные наследственные мутации, вызывающие тяжелые заболевания.
Но когда речь идет о прогнозе рисков сложных болезней – таких как рак, сердечно-сосудистые заболевания, непереносимость продуктов или даже спортивные способности – точность резко снижается.
«Во-первых, в среднем такие генетические тесты выявляют лишь около 11% людей, которые действительно заболеют. Большинство таких состояний зависят не от одного гена, а от тысяч мелких вариаций, каждая из которых все равно вносит ничтожный вклад по сравнению с образом жизни и средой. Во-вторых, базы данных часто перекошены в сторону европейских популяций и не отражают реального генетического разнообразия. Так что эти тесты можно назвать скорее коммерческим развлечением, чем реальным методом диагностики рисков», – отвечает эксперт ПНИПУ.
7. Y-хромосома разрушается, но мужчины не исчезнут
Мужская Y-хромосома со временем действительно теряет гены. За сотни миллионов лет она утратила около 90% из них – сейчас на ней осталось всего 50-60 генов. Для сравнения: на X-хромосоме их около 1 500.
«Причина в том, что у женщин есть две X-хромосомы, которые могут обмениваться генетическим материалом и «чинить» друг друга. Это сохраняет и поддерживает их в первозданном виде. У мужчин же есть одна X и одна Y. Из-за того, что у Y-хромосомы нет пары, она остаётся один на один со своими накопленными мутациями и ошибками и происходит постепенная деградация», – указал Валерий Литвинов.
При этом, как отмечает ученый, исчезновение Y-хромосомы не означает, что исчезнут и мужчины:
«Во-первых, процесс идет очень медленно – по разным оценкам, у человечества есть еще от пяти до 11 миллионов лет. Во-вторых, природа уже показала, что существует «план Б». Есть некоторые виды грызунов, например, иглистые мыши, которые полностью потеряли Y-хромосому, но при этом у них до сих пор рождаются самцы и самки. У них функцию «включения» мужского пола взял на себя другой ген, находящийся в Х-хромосоме. Так что даже если она когда-нибудь исчезнет, мужской пол почти наверняка сохранится – просто механизм его определения переключится на другие гены».
8. Стресс ускоряет старение на уровне ДНК
На концах хромосом находятся теломеры – защитные участки, состоящие из повторяющихся фрагментов ДНК и белков. С каждым делением клетки они становятся короче, из-за чего клетка постепенно стареет. В норме этот процесс идет медленно, но его могут ускорить внешние факторы.
«Когда человек испытывает длительный стресс, его организм вырабатывает гормоны кортизол и адреналин, а также повышается уровень активных форм кислорода – агрессивных молекул, повреждающих клетки. Из-за этого они начинают делиться чаще, чем нужно, чтобы восстанавливать нанесенный ущерб, а значит, теломеры изнашиваются быстрее. В итоге в клетках людей, долгое время живущих в состоянии тревоги или депрессии, хромосомы оказываются значительно короче, чем у их сверстников без стресса. Это связывают с более ранним старением, повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний и ухудшением иммунитета», – говорит Литвинов.
При этом ученый подчеркивает, что этот процесс можно замедлить: снижение уровня стресса, медитация, физическая активность и полноценный сон помогают сохранить теломеры, а в некоторых случаях – частично их восстановить.
9. ДНК меняется после еды
Даже обычный прием пищи может временно влиять на работу ДНК. Особенно это заметно после обильной еды.
«Когда вы съели много сладкого или жирного, внутри ДНК специальные белки перемещаются к определенным генам, например, к гену инсулина, и прилипают к ним. Из-за этого форма ДНК слегка меняется – она расплетается или сгибается – и ген начинает активно работать, производя ферменты для расщепления жиров. Через несколько часов, когда пища переварилась, белки уходят, и ДНК возвращается в исходное состояние», – передает эксперт ПНИПУ.
Разовый обильный прием пищи не опасен. Но если переедание становится привычкой, изменения могут закрепиться.
В этом случае некоторые белки остаются на ДНК дольше, чем нужно, и гены, отвечающие за чувствительность к инсулину или контроль аппетита, начинают работать неправильно. Это уже не временный эффект – он может привести к развитию диабета или ожирения.
10. ДНК-компьютеры смогут лечить рак
ДНК можно использовать не только как носитель генетической информации, но и как основу для вычислений. ДНК-компьютер – это система, в которой вместо привычных кремниевых чипов используются молекулы ДНК.
В обычных компьютерах данные кодируются нулями и единицами, а в ДНК – последовательностями четырех элементов: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Когда молекулы ДНК в пробирке взаимодействуют, они «решают задачу», а полученную последовательность затем считывают и переводят в понятный человеку вид.
Главное преимущество таких систем – параллельные вычисления. Одна пробирка с ДНК может выполнять миллиарды операций одновременно, потому что каждая молекула работает независимо. Это делает ДНК-компьютеры особенно перспективными для задач, требующих огромных вычислительных ресурсов.
«В будущем они могут стать частью медицинских нанороботов. ДНК-компьютер, помещенный внутрь клетки с помощью наночастиц, введенных в кровоток, будет анализировать состояние организма, например, обнаруживать маркеры рака, и на месте решать, нужно ли выпускать лекарство в определенной зоне», – резюмировал Валерий Литвинов.
Материал предоставила пресс-служба Пермского Политеха
