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?
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.
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
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:
CRISPR для чайников, или Краткая справка по быстрому редактированию ДНК
Возможность изменять фрагменты ДНК всегда была святым Граалем биотехнологии и медицины. CRISPR позволяет делать это с невиданной ранее скоростью и эффективностью. Считайте, что биологи раньше работали на пишущей машинке, а благодаря CRISPR в одночасье пересели на MacBook. Не зря открытие этого метода в 2020 году удостоилось Нобелевской премии по химии.
Резка молекулы ДНК с помощью CRISPR-Cas9 (рис. Джанет Иваса)Под катом — рассказ о появлении CRISPR, принципах работы и применении в настоящем и будущем. Да, вы все верно поняли, это про редактирование коров, синюю клубнику и арбузы размером со сливу с Aliexpress.
Эта статья — переработанная версия лекции Бориса Климовича, научного сотрудника Университетской клиники Тюбингена и Немецкого центра исследований рака (DKFZ), которая прошла в конце ноября при поддержке Точки кипения ЯрГУ.
Признание к CRISPR пришло в 2012 году — после публикации нобелевской работы. Но, как это обычно бывает в науке, открытие — не личная заслуга пары авторов. В этот раз участников событий было много, и началось все вовсе не с генетики.
Все началось с «грязекопателя»
Аббревиатура CRISPR появилась в конце 80-х в ходе исследований солончаков рядом с испанским городом Аликанте. Аспирант Франсиско Мохика изучал архебактерий, живущих в соленой воде, и наткнулся на странные палиндромные последовательности в их геноме.
Фрагменты длиной около 30 нуклеотидов повторялись много раз и отделялись друг от друга уникальными участками ДНК примерно такой же длины.
Упрощенно обнаруженная структура выглядела так:
На тот момент никто не понимал, зачем нужны эти структуры. Сошлись на том, что они необходимы для некой регуляции (стандартное «объяснение» в биологии, когда ничего не понятно). Структурам сначала дали название SRSR (Short Regularly Spaced Repeats), а потом переименовали в CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats).
Продолжив работу в том же направлении, Мохика нашел похожие повторы у многих других бактерий. И эта закономерность привлекла внимание.
В 2002 году рядом с CRISPR-массивами у всех бактерий выявили похожие на них структуры — группу белок-кодирующих генов, которую назвали «очень оригинально» — CAS (CRISPR-Associated Genes).
Продвинуться дальше помог своего рода «генетический Google»: GenBank, куда ученые складируют все прочитанные последовательности ДНК. К началу 2000-х годов там накопилось уже достаточно информации, чтобы при помощи алгоритмов BLAST найти, в каких организмах встречаются похожие CRISPR-последовательности.
GenBank — открытая аннотированная база генетической информации. На июнь 2019 года в ней содержалась информация о 329 млрд пар оснований и 213 млн последовательностей. Источник — American Health Information Management AssociationПоиск выявил интересную вещь: фрагменты CRISPR встречаются в ДНК бактериофагов — вирусов, которые инфицируют бактерии и убивают их.
Получается, что бактерии хранят внутри себя фрагменты ДНК своих злейших врагов.
Так возникла ключевая догадка о том, что CRISPR — это иммунная память бактерий, сохраняющих информацию о вирусах, которыми болели.
Сформулировав эту теорию, Мохика сел писать статью, которую отправил в самый престижный биологический журнал — Nature. Статью отклонили. Затем он пытался ее пристроить в четыре других журнала, но успеха добился лишь через 18 месяцев.
Кстати, в этом он далеко не рекордсмен. В свое время работу Линн Маргулис, предложившую популярную нынче гипотезу симбиогенеза, отклоняли 15 раз! Можно сказать, что Мохика повезло. Его работу опубликовали быстрее, а идея нашла своих сторонников.
Основная функция CRISPR
Следующий шаг в развитии технологии сделал микробиолог Филипп Хорват. В своей докторской работе он исследовал закваски к эльзасской квашеной капусте, а если точнее — молочнокислые бактерии, которые ее квасят.
С появлением CRISPR закваска капусты стала беспроблемным делом (нет, саму капусту не трогали)После докторской он ушел в молочную промышленность, где столкнулся с проблемой бактериофагов. Они сильно вредили заквасочным культурам, производители молочных продуктов несли огромные убытки. Ховарт искал способы сделать закваски устойчивыми к бактериофагам и наткнулся на работы о CRISPR. Исследуя эту тему, он доказал, что устойчивые к вирусам бактерии перенимают часть их ДНК.
Бактериальная клетка, которая перенесла инфекцию бактериофагом и не умерла, нарезает его геном на мелкую «вермишель», встраивает в CRISPR-массивы и передает эту информацию своим потомкам, которые становятся устойчивыми к бактериофагу.
Позже компанию, в которой работал Хорват, купила корпорация DuPont. А поскольку она производит примерно 40% заквасок для современной молочной промышленности, вы практически наверняка сталкивались с CRISPR в составе йогуртов, пиццы или сыра.
Работы Хорвата показали, что CRISPR-массивы — это действительно иммунная система бактерий.
Это работает так: кусочки ДНК бактериофагов сохраняются в ДНК бактерий в виде CRISPR-массивов. Затем они превращаются в РНК. В этом же куске генома у бактерий кодируется так называемая тракр-РНК (tracrRNA). Вместе они формируют guideRNA, или наводящую РНК, которая затем объединяется с белком Cas9.
Cas9 — это нуклеаза, фермент, который умеет резать ДНК. При помощи guideRNA этот фермент наводится на специфический сегмент в ДНК бактериофага, садится на него и разрезает, как ножницами, чем нарушает размножение вируса.
Нобелевская статья по редактированию генов
Когда две замечательные женщины-ученые Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна встретились на конференции в Коста-Рике, предназначение CRISPR уже было известно. Им пришла в голову смелая идея: приспособить эту систему для резки любой ДНК. Они объединили силы своих лабораторий и в 2012 году в журнале Science опубликовали результаты работы.
Иллюстрация из оригинальной статьиИм удалось объединить две РНК в одну single guide RNA и показать, что механизм резки работает.
Тут надо пояснить, что резка — это и есть основной этап редактирования ДНК. А CRISPR — генетические ножницы. Все детали ниже.
За эту работу в 2020 году они получили Нобелевскую премию по химии.
Эммануэль Шарпантье и Дженнифер ДауднаЭто событие уникально по двум параметрам.
Во-первых, это первая премия, которую получили две женщины без сопровождающей мужской компании.
Во-вторых, эта премия очень «быстрая». С момента публикации до ее присуждения прошло всего восемь лет.
Влияние технологии CRISPR проще всего проиллюстрировать, показав частоту упоминаний этой аббревиатуры в научной литературе, которая после 2012 года растет как на дрожжах.
Число упоминаний CRISPR в научной литературеВторой показатель — количество патентов.
Эта статистика показывает, насколько все изменилось. Технологии редактирования генома предлагались и ранее, но ни одна из них не достигла такого успеха.
Как происходит редактирование ДНК
Первая нобелевская статья демонстрировала редактирование ДНК в пробирке. Перед учеными стояла амбициозная задача — повторить процесс в клетках человека. Фэн Чжан из MIT оптимизировал процесс, сделав его совместимым с живыми клетками, у которых есть ядра.
Фэн Чжан перенес технологию из пробирки в живые клетки
В 2013 году после публикации работы Чжана эта тема стала доминирующей. Появились сообщения о том, что отредактировали геном человека, мыши, дрожжей, ниматод, дрозофилы, резуховидки Таля, рыбки данио-рерио — всех имеющихся у биологов модельных объектов.
Важно понимать, что ДНК — это очень стабильная молекула. Ее можно кипятить или оставлять лежать в земле на сотни тысяч лет.
Самая старая секвенированная ДНК на сегодняшний день имеет возраст 1,7 млн лет.
Однако молекула ДНК очень чувствительна к разрывам. Если это случается, клетка запускает процесс починки ДНК. Он может идти двумя путями:
Не гомологичный вариант — когда место разрыва устраняется с дефектами. В результате в ДНК может появиться маленькая вставка или произойти потеря фрагмента. Генетический код — это типлеты, то есть три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Если вы вырезали два или вставили четыре нуклеотида, нарушится последовательность, кодирующая белок. Возникнет сдвиг рамки считывания, в результате которого ген фактически перестанет выполнять свою функцию, так как клетка не сможет использовать его информацию, чтобы синтезировать функциональный белок.
Сломать ген можно было и раньше, просто это довольно трудоемко: надо облучать гены радиацией, месяцами искать мутации. Благодаря CRISPR процесс стал гораздо проще.
Гомологичная рекомбинация. У всех животных в клетках как минимум две копии каждой хромосомы. Если возникает разрыв, клетка может использовать вторую хромосому и на ее основании достроить поврежденный участок — скопировать его в поврежденную хромосому.
В этой ситуации клетку можно обмануть и подсунуть ей вместо второй хромосомы похожий фрагмент ДНК, но с мутацией. Тогда клетка починит разрыв, встроив в него то, что мы подсунули, — так называемую матрицу.
В этой ситуации клетку можно обмануть и подсунуть ей вместо второй хромосомы похожий фрагмент ДНК, но с мутацией. Тогда клетка починит разрыв, встроив в него то, что мы подсунули, — так называемую матрицу.За счет прицельно вносимого разрыва, который делает CRISPR, появилась возможность очень просто и эффективно заменять фрагменты в геноме — вносить строго определенные мутации и чинить сломанные гены. Но есть проблема: репарация чаще всего проходит по не гомологичному пути. Существуют разные методы, позволяющие сдвинуть процесс в сторону гомологичной репликации, но пока они работают не очень хорошо.
Левая ветвь — не гомологичный вариант замены, приводящий к разрушению гена, правая — успешная починка подходящим фрагментомТехнологии редактирования генома существовали и ранее. Но они требовали сборки так называемых кастомных белков — под заказ. Для каждой операции нужно было собирать новый белок. Это занимало несколько недель и даже месяцев. Стоил каждый такой белок несколько тысяч евро. А CRISPR-реагенты стоят 10‒20 евро — в сотни раз меньше. Стало возможным проводить эксперименты гораздо быстрее и в огромных масштабах. Если вам в воскресенье пришла хорошая идея, то через неделю у вас уже будет клеточная линия с готовой мутацией, — и идею можно будет проверить.
Естественно, это подтолкнуло развитие биотехнологий и промышленности. Появились тысячи компаний, которые пытаются коммерциализировать CRISPR. Параллельно идет патентная война между MIT и Университетом Беркли, где работает Дженнифер Даудна.
Применение CRISPR-Cas9
Что можно сделать с помощью CRISPR? Можно сломать, починить, заменить практически любой ген в геноме. Факт: биологи любят ломать гены, чтобы выяснить, как они работают.
Можно сделать хромосомную перестройку. Это очень важно в онкологии, где ряд заболеваний вызывают хромосомные перестройки.
На следующем этапе технологию улучшили, лишив Cas-нуклеазу активности — сделали ее не режущей. Одновременно «пристегнули» к ней другие ферменты.
В итоге она просто садится на строго определенный фрагмент ДНК и может его редактировать, не вызывая повреждений. Например, менять азотистые основания без внесения разрывов в ДНК, что очень важно для биомедицинских задач.
Ученые уже научились активировать или репрессировать работу гена — редактировать эпигеном. Известно, что некоторые гены в организме метилированные, кроме того, существуют специальные белки — гистоны, которые связаны с ДНК. Все это определяет, как ведет себя клетка. CRISPR позволяет влиять и на это.
При помощи CRISPR можно производить высокоточную микроскопию участков генома. Это создает огромные возможности для изучения и настоящий взрыв технологий, который до 2012 года невозможно было себе представить.
Редактируем коров, собак и помидоры
Для чего еще используется подобное редактирование? Например, пятна у породы коров сделали из черно-белых серо-белыми. Считается, что так они лучше переносят жару.
Собакам породы бигль добавили мышц. Практический смысл этой, несомненно, большой работы мне неясен. Но работу выполняли китайцы. Возможно, у них свое представление о прекрасном.
Человеческих органов для пересадки всегда не хватает, поэтому пересаживают органы свиней. Но тут есть проблема: у них в геноме присутствует много спящих ретровирусов, которые после пересадки могут активироваться и угрожать здоровью пациента. У свинок на фото эти фрагменты в геноме инактивировали.
Еще пример: с помощью CRISPR отредактировали количество ветвлений на томатной ветке. А также размеры плодов. Все это на фото выше.
Отредактированных растений уже очень много. О масштабах можно судить по количеству публикаций в научных журналах.
Теперь вы знаете, откуда на Aliexpress семена синей клубники, черных помидоров и арбузов размером со сливуНо в магазинах (по крайней мере в Европе) CRISPR-модифицированных продуктов нет. Это связано исключительно с осторожностью регулятора, на мой взгляд, излишней.
Раньше генетически модифицированные продукты в Европе запрещали, потому что не знали, что произойдет, если эти модифицированные растения попадут в дикую природу.
Может быть, если генно-модифицированная кукуруза «ворвется» в леса, там вымрут все березы. Также не знали, как они повлияют на здоровье человека в долгосрочной перспективе, потому что при модификации использовали генетические элементы из других организмов.
CRISPR позволяет вносить мутации, не оставляя следов, поскольку внедряемые РНК и белок в клетке деградируют. От них ничего не остается, сохраняется только сама мутация. Фактически CRISPR делает то же самое, что происходит при селекции. Несмотря на это, суперосторожные регуляторы решили, что разрешать CRISPR пока не стоит.
Я, как ученый, считаю, что нужно разрешать, и тогда нас ждет настоящий взрыв технологического развития. С помощью CRISPR мы сможем решить очень многие проблемы, в том числе связанные с глобальным потеплением.
Например, вывести засухоустойчивые или более продуктивные сорта растений, которые позволят использовать меньше пахотных земель, не применять пестициды или удобрения.
CRISPR в биомедицине
Самый волнующий вопрос — применение CRISPR в биомедицинских исследованиях для улучшения жизни больных людей (а может, и здоровых — в перспективе). Главная сложность тут — в доставке «генетических ножниц» в клетки человека. Допустим, нам нужно починить неработающий ген, который вызывает болезнь. Но чинить его надо в целом органе или даже во всем теле.
К примеру, мутацию, вызывающую диабет, надо чинить во всей поджелудочной железе. Это непросто, потому что клетки прекрасно себя защищают от вторжения чужеродной ДНК. Поэтому исследователи начали с тех вещей, которые можно из человека вынуть, отредактировать в пробирке, затем размножить и вернуть обратно, — с костного мозга и крови.
Здесь показано, как с помощью CRISPR лечат бета-талассемию и серповидноклеточную анемию.
Эти болезни вызваны двумя разными мутациями в гене бета-гемоглобина.
Больным бета-талассемией нужны частые переливания крови. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты забивают сосуды.
Качество жизни у них низкое, и есть риск ранней смерти.
Что в такой ситуации позволяет сделать CRISPR? У человека есть третий ген гемоглобина — фетальный гемоглобин, который активен только у эмбрионов до рождения. После рождения он выключается, работают взрослые альфа- и бета-гемоглобины. CRISPR позволяет включить ген фетального гемоглобина — выключив ген, который его контролирует.
У двух больных женщин забрали клетки костного мозга и при помощи вируса внедрили в них CRISPR-конструкцию, которая инактивировала ген BCL11A. В этих клетках заработал фетальный гемоглобин. Правильно отредактированные, отселектированные и размноженные клетки вернули пациентам обратно — пересадили им их же костный мозг. После этого пациентке с бета-талассемией, которой нужно было в среднем 16 переливаний крови в год, в течение года не понадобилось ни одной процедуры. То же произошло и с больной серповидноклеточной анемией — их реально вылечили.
Эти работы перешли на следующую стадию клинических испытаний — в ближайшее время этот метод может войти в повсеместную практику.
Следующее направление работы — терапия ВИЧ. Есть люди, которые не заражаются вирусом иммунодефицита человека за счет мутации в гене CCR5 — делеции в 32 нуклеотида. Если у человека обе копии гена мутированы, вирус просто не может проникнуть в их клетки.
У части пациентов на фоне ВИЧ развивается лимфобластный лейкоз (рак крови). Если другие методы терапии не помогают, больным лимфобластным лейкозом часто пересаживают костный мозг. В этом случае взяли костный мозг у донора, который подходил для лечения лейкемии.
Перед пересадкой клетки отредактировали с помощью CRISPR, выключив в них ген CCR5, — повторили мутацию, которая существует в природе. Пересадка вылечила пациента и от лейкоза, и от ВИЧ.
На мой взгляд, это одна из самых ярких демонстраций возможностей CRISPR.
CRISPR и этика
Говоря о ВИЧ, нельзя не вспомнить о самом нашумевшем случае использования CRISPR.
Это история 2018 года. Виновник событий — Цзянькуй Хэ, китайский ученый, который провел эксперимент с редактированием человеческих эмбрионов.
Он занимается ЭКО. Получив эмбрионы от пар, где отцы были инфицированы ВИЧ, он попытался с помощью CRISPR выключить в них ген CCR5. В результате эксперимента родилось трое внешне здоровых детей.
Однако произошло лишь частичное редактирование. У одной девочки первая копия гена получилась с 15-нуклеотидной делецией, чего оказалось недостаточно, чтобы ген перестал функционировать. А вторая копия гена — без изменений. В итоге никакой защиты девочка не получила. Со второй девочкой получилось лучше, но ген все равно остался частично функциональным.
Проблема этого эксперимента — в нарушении этических норм и законов. Как выяснилось, Цзянькуй Хэ фальсифицировал разрешение этической комиссии, которая не одобрила это исследование. Во всех странах у нормальных ученых это означает полный запрет, но он его проигнорировал. Кроме того, эксперимент был плохо подготовлен, исследователь не взвесил возможные риски. Редактирование толком не получилось, а последствия этих экспериментов могут проявить себя позже. CRISPR не обладает стопроцентной точностью, он может вносить мутации где-то еще в геноме. И где он их внесет, предсказать сложно.
Если бы все дети с ВИЧ умирали, это меняло бы дело. Но с современными препаратами ВИЧ-инфицированные матери рожают ВИЧ-негативных детей более чем в 90% случаев. Поэтому эксперимент был еще и бессмысленный.
Ни один ученый в мире не сомневался, что технически метод CRISPR позволяет редактировать эмбрионы, то есть научной новизны в этом эксперименте тоже не было. Но это надо было делать с соблюдением всех норм и другим уровнем подготовки. А главное, технология еще недостаточно созрела, чтобы со стопроцентной гарантией отредактировать только нужное место в геноме и ничего не сломать в остальных.
Гражданин Хэ подорвал веру в ученых, получив вал критики, почти полмиллиона долларов штрафа и три года лишения свободы.
Я думаю, до широкой практики редактирования человеческих эмбрионов нам далеко. Но, безусловно, когда-то мы к этому придем, и при помощи CRISPR будут лечить тяжелые наследственные заболевания.
Кому сейчас доступен CRISPR
Поработать с CRISPR могут «не только лишь все»©. В интернете за небольшие деньги можно купить набор, где есть все необходимое.
Некоторые экспериментируют прямо на собственной кухнеЕсли у вас есть мало-мальски оборудованная лаборатория для простейших молекулярно-биологических экспериментов, начать работать с CRISPR будет легко. И это действительно фантастический инструмент, который невероятно ускорил прогресс биомедицинской науки.
Вся эта история учит нас тому, что даже ковыряясь — буквально — в грязи, можно сделать невероятные открытия. Ну и еще тому, что наука интернациональна.
Нет никакой российской науки, немецкой науки, есть интернациональная наука.
Та же Эммануэль Шарпантье работала сначала в Нью-Йорке, потом в Мемфисе, в Вене, в Швеции, в Ганновере, а прямо сейчас работает в Берлине. Поэтому задача ученого — знать хотя бы один международный язык и пытаться развивать собственную мобильность — двигаться, искать связи и сотрудников, новых коллег. Шарпантье и Даудна встретились на конференции, заинтересовались общей проблемой и в итоге получили Нобелевскую премию. Кто знает, как бы сложилась история CRISPR, не будь этой встречи.
Строение ДНК — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).
Одним из основных процессов обмена веществ является синтез белка. Информация о строении белка, т. е. о порядке соединения аминокислотных остатков в его молекуле, хранится в ДНК. Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток (ядерная ДНК), небольшое количество ДНК содержится в митохондриях и пластидах (внеядерная ДНК).
ДНК — полинуклеотид. Каждый нуклеотид (мономер) ДНК содержит:
- пятиуглеродный сахар — дезоксирибозу,
- остаток фосфорной кислоты,
- одно из четырёх азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин.
Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой (
Обрати внимание!
Напротив аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, напротив гуанина — цитозин.
Между аденином и тимином всегда возникают две, а гуанином и цитозином — три водородные связи.
Пара А — Т соединена двумя водородными связями, а пара Г — Ц — тремя.
Таким образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются
Соотношение количества нуклеотидов разных типов и азотистых оснований в молекуле ДНК определяет правило Чаргаффа (правило комплементарности).
В молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина: А = Т, Г = Ц.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
http://distant-lessons.ru/nukleinovye-kisloty.html
что это такое, что зашифровано в ДНК, о чем может рассказать ДНК
Любовь Соковикова
10.
04.2021,
Согласно результатам нового исследования, миллионы возможных химических соединений могут быть использованы для хранения генетической информации. Более того, ученые предполагают, что существует не просто горстка альтернативных молекул для хранения генетической информации, а миллионы. Сложный компьютерный анализ показал, что вместо двух нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) в организме могут функционировать миллионы других молекул. Современная наука при этом гласит, что генетическая информация транскрибируется из ДНК в РНК, которая затем переводит эту информацию в полезные продукты, например белки. Новое исследование, однако, предполагает, что ДНК и РНК – всего лишь два варианта из миллионов других. Полученные результаты имеют важное значение для разработки новых лекарств, а также понимания происхождения жизни на Земле и ее возможного присутствия в остальной части Вселенной.
Читать далееРамис Ганиев
В 1982 году, в водах расположенного в американском штате Массачусетс полуострова Мыс Код, были обнаружены останки пиратского корабля «Уида». Несмотря на то, что из него уже было поднято много украшений, исследователи до сих пор продолжают работу. И не зря, потому что недавно там нашлись останки шести людей, которые явно были членами экипажа корабля. Ученые считают, что одно из тел может принадлежать Сэму Беллами — пирату, который за всю свою карьеру захватил 54 судна и разграбил сокровища на общую сумму 120 миллионов долларов. Его считают одним из самых богатых пиратов в истории, поэтому обнаружение его останков является важным событием для историков. Наверное, многие из вас в детстве любили фильмы и книги о пиратах. Так давайте узнаем больше о морском разбойнике и его корабле?
Читать далееАртем Сутягин
У человечества есть несколько ”ящиков Пандоры”, которые лучше не открывать.
Если даже желание или необходимость его открыть все же появились, то делать это надо с максимальной осторожностью. Одним из таких ящиков является генная инженерия и редактирование генома. Кажется, что в этой истории все красиво. Мы можем получить лекарство от всех болезней, можем стать супер людьми, можем получить потомство, которое будет в десятки раз лучше нас, и многое другое. Можем даже избавить себя от необходимости искать элексир бессмертия, просто немного подправив гены еще до рождения. Можно подумать, что это дивный мир, которого мы достойны, но не спешите радоваться, ведь как в известной присказке, мы можем получить ”мир, который мы заслужили”. Естественно, в плохом смысле. Открывая этот ящик, мы можем сделать так, что уже никогда не станем прежними, но где гарантии, что новые ”мы” действительно будем лучше и не приведем сами себя к закату человечества?
Любовь Соковикова
Жизнь на Земле зародилась более 3 миллиардов лет назад, с течением времени эволюционировав от элементарных микробов до невероятно сложных организмов. Но как жизнь на нашей планете возникла из «первобытного бульона» в нечто, настолько сложное, как Homo Sapiens? Одна из теорий предполагает «шокирующее» начало, другая идея ей противоречит, третья –пугает, четвертая – переворачивает все с ног на голову. Так где же правда? Давайте попробуем хотя бы немного разобраться в одном из сложнейших вопросов человечества, ответ на который ищут лучшие умы на протяжении тысячелетий.
Читать далееАлександр Богданов
13.05.2020,
Всех людей в той или иной степени можно назвать мутантами. Но не такими, как в «Людях X» или во вселенной Marvel — даже изменение цвета волос, роста или структуры лица можно отнести к мутациям. Малейшие изменения в наших генах или окружающей среде могут привести к развитию черт, которые делают нас уникальными.
А у некоторых людей генетики отслеживают специфические мутации, отвечающие за поистине невероятные способности. Например, кто-то имеет повышенный иммунитет к электричеству, а другие могут выступать как магнит для предметов. Все это стало возможным благодаря мутациям, которые с развитием технологий встречаются все чаще.
Любовь Соковикова
С тех пор как в 1953 году была открыта структура ДНК, было разработано множество методов, позволяющих использовать эти знания для более глубокого изучения того, как функционируют все живые существа на нашей планете. Вся информация о живых существах закодирована в генах, а носителем всех генов человека или животных является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – генетический материал, который содержит “код жизни”. По сути, ДНК – это длинная молекула, состоящая из строительных блоков – нуклеотидов. Нуклеотиды обозначают буквами A, T, C и G, в ДНК они появляются в виде буквенных пар AT и CG. В генетическом коде человека насчитывается около 3 миллиардов пар букв. Но когда ученые научились проводить ДНК тесты и для чего они нужны?
Читать далееЛюбовь Соковикова
07.03.2020,
Представьте, что практически любую часть тела можно регенерировать. Как бы изменилась наша жизнь? Не знаю как у вас, но мои первые ассоциации с регенерацией связаны с Хью Джекманом, а точнее с сыгранным им персонажем в “Людях Икс” Росомахой. Хотя на самом деле первое и единственное существо, о котором нам всем стоит думать, если уж речь заходит о регенерации, это саламандра. Дело в том, что эти удивительные земноводные могут регенерировать спинной мозг, хвост, глаза а некоторые виды даже хрусталик. Как пишет Phys.org в ходе пресс-релиза исследования, ученые заявили о том, что ДНК саламандры может регенерировать части человеческого тела. Работа будет опубликована в журнале Genome Research.
Дарья Елецкая
05.03.2020,
Идея клонировать динозавра из сохранившихся частиц ДНК уже далеко не нова: одним из наиболее известных тому примеров может послужить знаменитый “Парк Юрского периода” Стивена Спилберга. Основным препятствием реализации культового фильма в реальную жизнь долгое время служило отсутствие живых клеток древних хищников, чья массовая гибель произошла 65 миллионов лет назад. Однако представьте себе удивление ученых, когда найденный в американском штате Монтана череп молодого утконосого динозавра, показал наличие в нем скопления прекрасно сохранившихся клеток со следами еще живых ДНК. Неужели реальному “Парку Юрского периода” все-таки быть?
Читать далееДарья Елецкая
16.12.2019,
Согласно последним новостям, озвучиваемым по федеральным каналам, средняя продолжительность жизни в Российской Федерации достигла своего очередного исторического максимума, в 2019 году приблизившись к показателю 73,6 года. Несмотря на рекордные значения по России, наша страна все еще значительно отстает от целого ряда таких государств, как США, Германия и Япония. Вместе с тем, как утверждают некоторые новые исследования, “естественная” продолжительность жизни для человека составляет гораздо меньшее значение, чем достигнутый человечеством средний показатель. В соответствии с новым разработанным методом, который позволяет вычислить продолжительность жизни для различных видов путем анализа их ДНК, человеческая жизнь равна всего лишь 38 годам.
Читать далееДарья Елецкая
17.10.2019,
В истории имеется множество примеров того, что наука имеет свойство часто балансировать на грани добра и зла. Кто-то из исследователей просто пытается протестировать на себе новое лекарство, а кто-то придерживается более радикальных методов познания себя и мира, предпочитая проводить эксперименты, моральность которых оставляет желать лучшего.
Подобные эксперименты, иногда граничащие с жестокостью, сопровождали науку на протяжении всего ее существования. Одним из наиболее резонансных экспериментов XX века может быть опыт внедрения евгеники в обычную жизнь человека, которую активно пропагандировали среди населения Германии нацистские исследователи. Могут ли быть оправданы такие действия ради блага человечества или отдельной нации, или же учение о селекции человека официально можно признать аморальным?
CRISPR «для чайников»: краткий путеводитель по главной биотехнологии
Говоря вкратце, CRISPR — точнее, CRISPR/Cas9 — мощный инструмент редактирования геномов. Он основан на элементе защитной системы бактерий, который биологи приспособили для внесения изменений в ДНК растений, животных и даже людей. Технология позволяет внести поправки всего за несколько дней, а не недель или месяцев. Никогда прежде у человечества не было столь точного орудия для манипуляции генами.
История CRISPR началась в 1987 году, когда японские ученые, изучавшие кишечную палочку Escherichia coli, обнаружили в ее ДНК необычные повторяющиеся последовательности. Их биологическое значение выяснить не удалось, однако вскоре аналогичные фрагменты были найдены в геноме других бактерий и архей. Последовательности получили название CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats).
Их функция оставалась загадкой до 2007 года, когда специалисты по бактерии Streptococcus, которая используется для приготовления кисломолочных продуктов, определили: эти фрагменты — часть иммунной системы бактерий.
Дело в том, что бактерии постоянно должны отражать атаки вирусов — своих естественных врагов. Для этого они производят специальные ферменты. Каждый раз, когда бактерии удается убить вирус, она разрезает остатки его генетического материала и сохраняет их внутри последовательностей CRISPR. Затем эта информация используется в случае новой вирусной атаки.
При нападении бактерия производит белки Cas9, которые несут фрагмент генетического материала вируса. Если этот участок и ДНК атакующего вируса совпадают, Cas9 разрезает генетический материал последнего и нейтрализует угрозу.
Некоторое время это открытие было интересно только микробиологам. Однако все изменилось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье решили точнее изучить механизм CRISPR. Они обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть, дав ему искусственную РНК. Белок, несущий такую РНК, будет искать генетические фрагменты, совпадающие с тем, что он несет на себе. Обнаружив соответствие с чужой ДНК, он начнет измельчать ее, независимо от того, кому она принадлежит — вирусу, растению или животному. Как отметили в статье 2012 года Дудна и Шарпантье, этот механизм можно использовать для разрезания любого генома в нужном месте.
В феврале 2013 года было доказано, что CRISPR/Cas9 можно использовать для редактирования ДНК в культуре клеток мышей и человека. Более того. выяснилось, что технология позволяет не только удалять ненужные гены, но и вставлять на их место другие. Для этого достаточно добавить ферменты, восстанавливающие ДНК.
Ученые быстро поняли огромные перспективы CRISPR. Если в 2011 году было опубликовано всего 100 работ о ней, то к 2017 году эта цифра достигла более 14 000.
Помимо прочего, в них описывались аналоги белков Cas9. Например, Cas13 может редактировать не ДНК, а РНК.
Идея генной модификации не нова, и различные ее методики существуют уже много лет. Однако CRISPR превосходит все известные до сих пор технологии благодаря доступности и точности. Редактирование одного гена обойдется всего в $75 и займет несколько часов. И, что немаловажно, технология работает с любым организмом на Земле.
Существует почти бесконечное множество потенциальных применений технологии. Во-первых, CRISPR позволяет ученым выяснить функцию различных генов. Достаточно просто вырезать изучаемый ген из ДНК и увидеть, какие функции организма оказались затронуты.
Однако общественность намного сильнее интересуют практические применения. Их можно разделить на несколько пунктов:
1) Изменения в сельском хозяйстве
CRISPR позволяет сделать сельскохозяйственные культуры более питательными, более вкусными и устойчивыми к жаре и стрессу. Можно придать растениям и другие свойства: например, вырезать из арахиса ген аллергена, а в бананы внедрить устойчивость к смертельному грибку. Технологию можно применить и для редактирования генома домашних животных — например, коров.
2) Борьба с наследственными заболеваниями
Ученые намерены использовать CRISPR, чтобы вырезать из человеческого генома мутации, ответственные за целый ряд заболеваний, например, серповидноклеточную анемию. Технология также позволят вырезать гены хореи Хантингтона или мутаций BRCA-1 и 2, связанных с раком молочной железы и яичников. Теоретически CRISPR-атака даже может остановить развитие ВИЧ.
Однако специалистам предстоит убедиться в безопасности методики, прежде чем ее начнут применять в больницах. Ферменты Cas9 иногда ошибаются и редактируют ДНК в неожиданных местах, что может вызвать серьезные последствия для здоровья.
3) Новые антибиотики и противовирусные препараты
Бактерии развивают устойчивость к антибиотикам, а разрабатывать новые дорого и сложно. Технология CRISPR дает возможность с высокой точностью уничтожать опредленные виды бактерий, хотя конкретную методику еще предстоит разработать. Ряд исследователей также работает над CRISPR-системами, нацеленными на вирусы.
4) Генетический драйв
С помощью CRISPR можно изменить не просто геном отдельного животного и растения, но и генофонд целого вида. Эта концепция известна как «генетический драйв». Обычно любой организм передает потомству половину своих генов. Однако использование CRISPR позволяет повысить вероятность передачи генов по наследству почти до 100%. Это позволит нужному признаку быстро распространиться по всей популяции.
Используя эту технологию, можно, например, модифицировать комаров так, чтобы в их популяции рождались только самки.
Через какое-то время популяция исчезнет.В более щадящем варианте можно сделать комаров устойчивыми к заражению малярийным плазмодием. Они не смогут передавать паразита людям, и малярии будет положен конец. Однако для осуществления таких проектов нужно преодолеть сомнения скептиков, которые протестуют против столь масштабного вторжения в природу.
5) Создание «дизайнерских младенцев»
Этот пункт привлекает больше всего общественного внимания. Однако, по словам ученых, пока наши технологические возможности не позволяют создавать детей с заданными качествами. Например, за уровень интеллекта отвечают тысячи генов, и скорректировать их всех пока невозможно. Возможно, в будущем технологии достигнут нужного уровня, но пока беспокоиться не о чем.
Не все ученые считают CRISPR безопасной технологией. Например, согласно недавним исследованиям, генное редактирование может вызвать обширные нецелевые мутации. Авторы другой работы отмечают, что CRISPR ошибается в 15% случаев.
CRISPR для чайников, или Краткая справка по быстрому редактированию ДНК
Возможность изменять фрагменты ДНК всегда была святым Граалем биотехнологии и медицины. CRISPR позволяет делать это с невиданной ранее скоростью и эффективностью. Считайте, что биологи раньше работали на пишущей машинке, а благодаря CRISPR в одночасье пересели на MacBook. Не зря открытие этого метода в 2020 году удостоилось Нобелевской премии по химии.
Под катом — рассказ о появлении CRISPR, принципах работы и применении в настоящем и будущем. Да, вы все верно поняли, это про редактирование коров, синюю клубнику и арбузы размером со сливу с Aliexpress.
Эта статья — переработанная версия лекции Бориса Климовича, научного сотрудника Университетской клиники Тюбингена и Немецкого центра исследований рака (DKFZ), которая прошла в конце ноября при поддержке Точки кипения ЯрГУ.
Признание к CRISPR пришло в 2012 году — после публикации нобелевской работы. Но, как это обычно бывает в науке, открытие — не личная заслуга пары авторов.
В этот раз участников событий было много, и началось все вовсе не с генетики.
Все началось с «грязекопателя»
Аббревиатура CRISPR появилась в конце 80-х в ходе исследований солончаков рядом с испанским городом Аликанте. Аспирант Франсиско Мохика изучал архебактерий, живущих в соленой воде, и наткнулся на странные палиндромные последовательности в их геноме.
Упрощенно обнаруженная структура выглядела так
Фрагменты длиной около 30 нуклеотидов повторялись много раз и отделялись друг от друга уникальными участками ДНК примерно такой же длины.
На тот момент никто не понимал, зачем нужны эти структуры. Сошлись на том, что они необходимы для некой регуляции (стандартное «объяснение» в биологии, когда ничего не понятно). Структурам сначала дали название SRSR (Short Regularly Spaced Repeats), а потом переименовали в CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats).
Продолжив работу в том же направлении, Мохика нашел похожие повторы у многих других бактерий. И эта закономерность привлекла внимание.
В 2002 году рядом с CRISPR-массивами у всех бактерий выявили похожие на них структуры — группу белок-кодирующих генов, которую назвали «очень оригинально» — CAS (CRISPR-Associated Genes).
Продвинуться дальше помог своего рода «генетический Google»: GenBank, куда ученые складируют все прочитанные последовательности ДНК. К началу 2000-х годов там накопилось уже достаточно информации, чтобы при помощи алгоритмов BLAST найти, в каких организмах встречаются похожие CRISPR-последовательности.
GenBank — открытая аннотированная база генетической информации. На июнь 2019 года в ней содержалась информация о 329 млрд пар оснований и 213 млн последовательностей. Источник — American Health Information Management Association
Поиск выявил интересную вещь: фрагменты CRISPR встречаются в ДНК бактериофагов — вирусов, которые инфицируют бактерии и убивают их. Получается, что бактерии хранят внутри себя фрагменты ДНК своих злейших врагов.
Так возникла ключевая догадка о том, что CRISPR — это иммунная память бактерий, сохраняющих информацию о вирусах, которыми болели.
Сформулировав эту теорию, Мохика сел писать статью, которую отправил в самый престижный биологический журнал — Nature. Статью отклонили. Затем он пытался ее пристроить в четыре других журнала, но успеха добился лишь через 18 месяцев.
Кстати, в этом он далеко не рекордсмен. В свое время работу Линн Маргулис, предложившую популярную нынче гипотезу симбиогенеза, отклоняли 15 раз! Можно сказать, что Мохика повезло. Его работу опубликовали быстрее, а идея нашла своих сторонников.
Основная функция CRISPR
Следующий шаг в развитии технологии сделал микробиолог Филипп Хорват. В своей докторской работе он исследовал закваски к эльзасской квашеной капусте, а если точнее — молочнокислые бактерии, которые ее квасят.
С появлением CRISPR закваска капусты стала беспроблемным делом (нет, саму капусту не трогали)
После докторской он ушел в молочную промышленность, где столкнулся с проблемой бактериофагов. Они сильно вредили заквасочным культурам, производители молочных продуктов несли огромные убытки. Ховарт искал способы сделать закваски устойчивыми к бактериофагам и наткнулся на работы о CRISPR. Исследуя эту тему, он доказал, что устойчивые к вирусам бактерии перенимают часть их ДНК.
Бактериальная клетка, которая перенесла инфекцию бактериофагом и не умерла, нарезает его геном на мелкую «вермишель», встраивает в CRISPR-массивы и передает эту информацию своим потомкам, которые становятся устойчивыми к бактериофагу.
Позже компанию, в которой работал Хорват, купила корпорация DuPont. А поскольку она производит примерно 40% заквасок для современной молочной промышленности, вы практически наверняка сталкивались с CRISPR в составе йогуртов, пиццы или сыра.
Работы Хорвата показали, что CRISPR-массивы — это действительно иммунная система бактерий. Это работает так: кусочки ДНК бактериофагов сохраняются в ДНК бактерий в виде CRISPR-массивов.
Затем они превращаются в РНК. В этом же куске генома у бактерий кодируется так называемая тракр-РНК (tracrRNA). Вместе они формируют guideRNA, или наводящую РНК, которая затем объединяется с белком Cas9.
Cas9 — это нуклеаза, фермент, который умеет резать ДНК. При помощи guideRNA этот фермент наводится на специфический сегмент в ДНК бактериофага, садится на него и разрезает, как ножницами, чем нарушает размножение вируса.
Нобелевская статья по редактированию генов
Когда две замечательные женщины-ученые Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна встретились на конференции в Коста-Рике, предназначение CRISPR уже было известно. Им пришла в голову смелая идея: приспособить эту систему для резки любой ДНК. Они объединили силы своих лабораторий и в 2012 году в журнале Science опубликовали результаты работы.
Иллюстрация из оригинальной статьи
Им удалось объединить две РНК в одну single guide RNA и показать, что механизм резки работает.
Тут надо пояснить, что резка — это и есть основной этап редактирования ДНК. А CRISPR — генетические ножницы. Все детали ниже.
За эту работу в 2020 году они получили Нобелевскую премию по химии.
Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна
Это событие уникально по двум параметрам.
Во-первых, это первая премия, которую получили две женщины без сопровождающей мужской компании.
Во-вторых, эта премия очень «быстрая». С момента публикации до ее присуждения прошло всего восемь лет.
Влияние технологии CRISPR проще всего проиллюстрировать, показав частоту упоминаний этой аббревиатуры в научной литературе, которая после 2012 года растет как на дрожжах.
Число упоминаний CRISPR в научной литературе
Второй показатель — количество патентов.
Эта статистика показывает, насколько все изменилось. Технологии редактирования генома предлагались и ранее, но ни одна из них не достигла такого успеха.
Как происходит редактирование ДНК
Первая нобелевская статья демонстрировала редактирование ДНК в пробирке.
Перед учеными стояла амбициозная задача — повторить процесс в клетках человека. Фэн Чжан из MIT оптимизировал процесс, сделав его совместимым с живыми клетками, у которых есть ядра.
Фэн Чжан перенес технологию из пробирки в живые клетки
В 2013 году после публикации работы Чжана эта тема стала доминирующей. Появились сообщения о том, что отредактировали геном человека, мыши, дрожжей, ниматод, дрозофилы, резуховидки Таля, рыбки данио-рерио — всех имеющихся у биологов модельных объектов.
Важно понимать, что ДНК — это очень стабильная молекула. Ее можно кипятить или оставлять лежать в земле на сотни тысяч лет.
Самая старая секвенированная ДНК на сегодняшний день имеет возраст 1,7 млн лет.
Однако молекула ДНК очень чувствительна к разрывам. Если это случается, клетка запускает процесс починки ДНК. Он может идти двумя путями:
- Не гомологичный вариант — когда место разрыва устраняется с дефектами. В результате в ДНК может появиться маленькая вставка или произойти потеря фрагмента. Генетический код — это типлеты, то есть три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Если вы вырезали два или вставили четыре нуклеотида, нарушится последовательность, кодирующая белок. Возникнет сдвиг рамки считывания, в результате которого ген фактически перестанет выполнять свою функцию, так как клетка не сможет использовать его информацию, чтобы синтезировать функциональный белок.
Сломать ген можно было и раньше, просто это довольно трудоемко: надо облучать гены радиацией, месяцами искать мутации. Благодаря CRISPR процесс стал гораздо проще.
- Гомологичная рекомбинация. У всех животных в клетках как минимум две копии каждой хромосомы. Если возникает разрыв, клетка может использовать вторую хромосому и на ее основании достроить поврежденный участок — скопировать его в поврежденную хромосому. В этой ситуации клетку можно обмануть и подсунуть ей вместо второй хромосомы похожий фрагмент ДНК, но с мутацией. Тогда клетка починит разрыв, встроив в него то, что мы подсунули, — так называемую матрицу.
За счет прицельно вносимого разрыва, который делает CRISPR, появилась возможность очень просто и эффективно заменять фрагменты в геноме — вносить строго определенные мутации и чинить сломанные гены. Но есть проблема: репарация чаще всего проходит по не гомологичному пути. Существуют разные методы, позволяющие сдвинуть процесс в сторону гомологичной репликации, но пока они работают не очень хорошо.
Левая ветвь — не гомологичный вариант замены, приводящий к разрушению гена, правая — успешная починка подходящим фрагментом
Технологии редактирования генома существовали и ранее. Но они требовали сборки так называемых кастомных белков — под заказ. Для каждой операции нужно было собирать новый белок. Это занимало несколько недель и даже месяцев. Стоил каждый такой белок несколько тысяч евро. А CRISPR-реагенты стоят 10‒20 евро — в сотни раз меньше. Стало возможным проводить эксперименты гораздо быстрее и в огромных масштабах. Если вам в воскресенье пришла хорошая идея, то через неделю у вас уже будет клеточная линия с готовой мутацией, — и идею можно будет проверить.
Естественно, это подтолкнуло развитие биотехнологий и промышленности. Появились тысячи компаний, которые пытаются коммерциализировать CRISPR. Параллельно идет патентная война между MIT и Университетом Беркли, где работает Дженнифер Даудна.
Применение CRISPR-Cas9
Что можно сделать с помощью CRISPR? Можно сломать, починить, заменить практически любой ген в геноме. Факт: биологи любят ломать гены, чтобы выяснить, как они работают.
Можно сделать хромосомную перестройку. Это очень важно в онкологии, где ряд заболеваний вызывают хромосомные перестройки. На следующем этапе технологию улучшили, лишив Cas-нуклеазу активности — сделали ее не режущей. Одновременно «пристегнули» к ней другие ферменты. В итоге она просто садится на строго определенный фрагмент ДНК и может его редактировать, не вызывая повреждений. Например, менять азотистые основания без внесения разрывов в ДНК, что очень важно для биомедицинских задач.
Ученые уже научились активировать или репрессировать работу гена — редактировать эпигеном. Известно, что некоторые гены в организме метилированные, кроме того, существуют специальные белки — гистоны, которые связаны с ДНК. Все это определяет, как ведет себя клетка. CRISPR позволяет влиять и на это.
При помощи CRISPR можно производить высокоточную микроскопию участков генома. Это создает огромные возможности для изучения и настоящий взрыв технологий, который до 2012 года невозможно было себе представить.
Редактируем коров, собак и помидоры
Для чего еще используется подобное редактирование? Например, пятна у породы коров сделали из черно-белых серо-белыми. Считается, что так они лучше переносят жару.
Собакам породы бигль добавили мышц. Практический смысл этой, несомненно, большой работы мне неясен. Но работу выполняли китайцы. Возможно, у них свое представление о прекрасном.
Человеческих органов для пересадки всегда не хватает, поэтому пересаживают органы свиней. Но тут есть проблема: у них в геноме присутствует много спящих ретровирусов, которые после пересадки могут активироваться и угрожать здоровью пациента. У свинок на фото эти фрагменты в геноме инактивировали.
Еще пример: с помощью CRISPR отредактировали количество ветвлений на томатной ветке. А также размеры плодов. Все это на фото выше. Отредактированных растений уже очень много. О масштабах можно судить по количеству публикаций в научных журналах.
Теперь вы знаете, откуда на Aliexpress семена синей клубники, черных помидоров и арбузов размером со сливу
Но в магазинах (по крайней мере в Европе) CRISPR-модифицированных продуктов нет. Это связано исключительно с осторожностью регулятора, на мой взгляд, излишней.
Раньше генетически модифицированные продукты в Европе запрещали, потому что не знали, что произойдет, если эти модифицированные растения попадут в дикую природу. Может быть, если генно-модифицированная кукуруза «ворвется» в леса, там вымрут все березы.
Также не знали, как они повлияют на здоровье человека в долгосрочной перспективе, потому что при модификации использовали генетические элементы из других организмов.
CRISPR позволяет вносить мутации, не оставляя следов, поскольку внедряемые РНК и белок в клетке деградируют. От них ничего не остается, сохраняется только сама мутация. Фактически CRISPR делает то же самое, что происходит при селекции. Несмотря на это, суперосторожные регуляторы решили, что разрешать CRISPR пока не стоит.
Я, как ученый, считаю, что нужно разрешать, и тогда нас ждет настоящий взрыв технологического развития. С помощью CRISPR мы сможем решить очень многие проблемы, в том числе связанные с глобальным потеплением.
Например, вывести засухоустойчивые или более продуктивные сорта растений, которые позволят использовать меньше пахотных земель, не применять пестициды или удобрения.
CRISPR в биомедицине
Самый волнующий вопрос — применение CRISPR в биомедицинских исследованиях для улучшения жизни больных людей (а может, и здоровых — в перспективе). Главная сложность тут — в доставке «генетических ножниц» в клетки человека. Допустим, нам нужно починить неработающий ген, который вызывает болезнь. Но чинить его надо в целом органе или даже во всем теле.
К примеру, мутацию, вызывающую диабет, надо чинить во всей поджелудочной железе. Это непросто, потому что клетки прекрасно себя защищают от вторжения чужеродной ДНК. Поэтому исследователи начали с тех вещей, которые можно из человека вынуть, отредактировать в пробирке, затем размножить и вернуть обратно, — с костного мозга и крови.
Здесь показано, как с помощью CRISPR лечат бета-талассемию и серповидноклеточную анемию.
Эти болезни вызваны двумя разными мутациями в гене бета-гемоглобина.
Больным бета-талассемией нужны частые переливания крови. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты забивают сосуды. Качество жизни у них низкое, и есть риск ранней смерти.
Что в такой ситуации позволяет сделать CRISPR? У человека есть третий ген гемоглобина — фетальный гемоглобин, который активен только у эмбрионов до рождения. После рождения он выключается, работают взрослые альфа- и бета-гемоглобины. CRISPR позволяет включить ген фетального гемоглобина — выключив ген, который его контролирует.
У двух больных женщин забрали клетки костного мозга и при помощи вируса внедрили в них CRISPR-конструкцию, которая инактивировала ген BCL11A. В этих клетках заработал фетальный гемоглобин. Правильно отредактированные, отселектированные и размноженные клетки вернули пациентам обратно — пересадили им их же костный мозг. После этого пациентке с бета-талассемией, которой нужно было в среднем 16 переливаний крови в год, в течение года не понадобилось ни одной процедуры. То же произошло и с больной серповидноклеточной анемией — их реально вылечили.
Эти работы перешли на следующую стадию клинических испытаний — в ближайшее время этот метод может войти в повсеместную практику.
Следующее направление работы — терапия ВИЧ. Есть люди, которые не заражаются вирусом иммунодефицита человека за счет мутации в гене CCR5 — делеции в 32 нуклеотида. Если у человека обе копии гена мутированы, вирус просто не может проникнуть в их клетки.
У части пациентов на фоне ВИЧ развивается лимфобластный лейкоз (рак крови). Если другие методы терапии не помогают, больным лимфобластным лейкозом часто пересаживают костный мозг. В этом случае взяли костный мозг у донора, который подходил для лечения лейкемии.
Перед пересадкой клетки отредактировали с помощью CRISPR, выключив в них ген CCR5, — повторили мутацию, которая существует в природе. Пересадка вылечила пациента и от лейкоза, и от ВИЧ.
На мой взгляд, это одна из самых ярких демонстраций возможностей CRISPR.
CRISPR и этика
Говоря о ВИЧ, нельзя не вспомнить о самом нашумевшем случае использования CRISPR. Это история 2018 года. Виновник событий — Цзянькуй Хэ, китайский ученый, который провел эксперимент с редактированием человеческих эмбрионов.
За редактирование ДНК человека Цзянькуй Хэ получил три года тюрьмы
Он занимается ЭКО. Получив эмбрионы от пар, где отцы были инфицированы ВИЧ, он попытался с помощью CRISPR выключить в них ген CCR5. В результате эксперимента родилось трое внешне здоровых детей.
Однако произошло лишь частичное редактирование. У одной девочки первая копия гена получилась с 15-нуклеотидной делецией, чего оказалось недостаточно, чтобы ген перестал функционировать. А вторая копия гена — без изменений. В итоге никакой защиты девочка не получила. Со второй девочкой получилось лучше, но ген все равно остался частично функциональным.
Проблема этого эксперимента — в нарушении этических норм и законов. Как выяснилось, Цзянькуй Хэ фальсифицировал разрешение этической комиссии, которая не одобрила это исследование. Во всех странах у нормальных ученых это означает полный запрет, но он его проигнорировал. Кроме того, эксперимент был плохо подготовлен, исследователь не взвесил возможные риски. Редактирование толком не получилось, а последствия этих экспериментов могут проявить себя позже. CRISPR не обладает стопроцентной точностью, он может вносить мутации где-то еще в геноме. И где он их внесет, предсказать сложно.
Если бы все дети с ВИЧ умирали, это меняло бы дело. Но с современными препаратами ВИЧ-инфицированные матери рожают ВИЧ-негативных детей более чем в 90% случаев. Поэтому эксперимент был еще и бессмысленный.
Ни один ученый в мире не сомневался, что технически метод CRISPR позволяет редактировать эмбрионы, то есть научной новизны в этом эксперименте тоже не было. Но это надо было делать с соблюдением всех норм и другим уровнем подготовки. А главное, технология еще недостаточно созрела, чтобы со стопроцентной гарантией отредактировать только нужное место в геноме и ничего не сломать в остальных. Гражданин Хэ подорвал веру в ученых, получив вал критики, почти полмиллиона долларов штрафа и три года лишения свободы.
Я думаю, до широкой практики редактирования человеческих эмбрионов нам далеко.
Но, безусловно, когда-то мы к этому придем, и при помощи CRISPR будут лечить тяжелые наследственные заболевания.
Кому сейчас доступен CRISPR
Поработать с CRISPR могут «не только лишь все»©. В интернете за небольшие деньги можно купить набор, где есть все необходимое.
Некоторые экспериментируют прямо на собственной кухне
Если у вас есть мало-мальски оборудованная лаборатория для простейших молекулярно-биологических экспериментов, начать работать с CRISPR будет легко. И это действительно фантастический инструмент, который невероятно ускорил прогресс биомедицинской науки.
Вся эта история учит нас тому, что даже ковыряясь — буквально — в грязи, можно сделать невероятные открытия. Ну и еще тому, что наука интернациональна.
Нет никакой российской науки, немецкой науки, есть интернациональная наука.
Та же Эммануэль Шарпантье работала сначала в Нью-Йорке, потом в Мемфисе, в Вене, в Швеции, в Ганновере, а прямо сейчас работает в Берлине. Поэтому задача ученого — знать хотя бы один международный язык и пытаться развивать собственную мобильность — двигаться, искать связи и сотрудников, новых коллег. Шарпантье и Даудна встретились на конференции, заинтересовались общей проблемой и в итоге получили Нобелевскую премию. Кто знает, как бы сложилась история CRISPR, не будь этой встречи.
Автор: Светлана Болгова
ВЕК ДНК | Наука и жизнь
Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните, будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев… Неужели во всём окружающем нас мире есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или не видимый глазом микроб? Эти вопросы стары как мир, но только во второй половине XX века удалось впервые получить на них ответы. В сущности, ответы оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно красивыми.
О том, какие секреты удалось раскрыть учёным и в чём, собственно, они состоят, рассказывает книжка «Век ДНК». Её написал известный учёный, доктор физико-математических наук Максим Давидович Франк-Каменецкий. Это необычные, но правдивые истории о жизни клеток, о том, как живые клетки «учатся» у мёртвых клеток, о том, почему некоторые клетки держат при себе чужие гены, подобно тому, как люди держат собак или кошек, и о том, как гены могут быть завязаны в узел. Книга помогает понять, что же такое молекула ДНК — основа основ зарождения жизни? Предлагаем прочитать в сокращённом варианте одну из глав книги.ДНК выделяют из бактерий, выращенных в стерильных условиях в специальных круглых пластиковых чашках.
Рис. 1a. ДНК можно представить в виде верёвочной лестницы, завитой в правую спираль.
Рис. 1б. Модель ДНК, в которой атомы изображены в виде цветных шариков.
Рис. 2. Так плавится ДНК.
Рис. 3. Фермент РНК-полимер аз а ползёт по молекуле ДНК, расплетая ее и синтезируя РНК. Рибосома считывает генетическую информацию с РНК, синтезируя по ней белковую молекулу.
Рис. 3. Фермент РНК-полимер аз а ползёт по молекуле ДНК, расплетая ее и синтезируя РНК. Рибосома считывает генетическую информацию с РНК, синтезируя по ней белковую молекулу.
‹
›
ЗНАКОМЬТЕСЬ: САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА
План того, каким получится каждый из нас, готов в тот момент, когда половые клетки наших родителей, мамы и папы, сливаются в одно целое, называемое зиготой или оплодотворённой яйцеклеткой. План заключён в ядре этой одной-единственной клетки, в её молекуле ДНК, и в нём значится очень многое: то, каким будет цвет наших глаз и волос, насколько высоким будет рост, какой формы нос, насколько тонким музыкальный слух и ещё много чего. Конечно, наше будущее зависит не только от ДНК, но и от превратностей судьбы. Но в очень большой степени оно определяется качествами, заложенными от рождения нашими генами.
Каждая клетка несёт в себе информацию о строении всего организма. Это как если бы в каждом кирпичике здания хранился миниатюрный план всего сооружения. Вот бы архитекторы с давних времен так поступали! Тогда реставраторам не пришлось бы ломать себе голову, скажем, над тем, как выглядел когда-то Пергамский алтарь, даже если бы от него сохранился один-единственный камень…
То, что одна клетка целого организма на самом деле знает, как устроен весь организм, впервые обнаружил и продемонстрировал британский биолог Дж. Гердон. Он брал ядро клетки из кишечника взрослой лягушки и, используя тончайшую микрохирургическую технику, пересаживал его в лягушачью икринку, из которой было удалено её собственное ядро. Из гибридной икринки вырастали нормальный головастик или даже лягушка — абсолютно идентичная той, чьё клеточное ядро было взято. Природа сама иногда создаёт таких двойников. Это получается, когда после первого деления зиготы дочерние клетки не остаются вместе, а расходятся и из каждой получается свой организм. Так рождаются однояйцевые, или идентичные, близнецы. У близнецов совершенно одинаковые молекулы ДНК, поэтому близнецы так похожи…
ОНА ПОХОЖА НА… ШТОПОР
Как же устроена молекула ДНК, эта королева живой клетки? Она похожа на верёвочную лестницу, и эта лестница завита в правую спираль. Она напоминает штопор, но штопор двойной. Каждая из нитей ДНК образует правую винтовую линию, точь-в-точь как на штопоре (рис. 1 а, б).
ДНК состоит из чередующихся молекулярных звеньев. Её длина зависит от того, какому организму она принадлежит. ДНК простейших вирусов содержит всего несколько тысяч звеньев, бактерий — несколько миллионов, а высших организмов — миллиарды. Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключённые лишь в одной клетке человека, то получится нить длиной около 2 м и длина этой нити окажется в миллиард раз больше её толщины.
ОНА ПОХОЖА НА ОКОННОЕ СТЕКЛО
Физики занялись изучением ДНК потому, что понимали важность проверки всех деталей её структуры.
Они открыли, что ДНК похожа на твёрдое тело, а звенья уложены в ней, как в кристалле.
Одномерный кристалл ДНК (он похож на нитку) страшно заинтриговал учёных. Не полупроводник ли он? А может быть, сверхпроводник, да ещё при комнатной температуре? ДНК была подвергнута очередному обследованию. Нет, она не полупроводник и уж подавно не сверхпроводник. Она оказалась обыкновенным изолятором, вроде оконного стекла. Да она и прозрачна, как стекло. Водный раствор ДНК (а в воде она растворяется очень хорошо) просто прозрачная жидкость. Этим сходство со стеклом не заканчивается. Обычное стекло, в том числе и оконное, прозрачно для видимого света и очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. ДНК тоже поглощает ультрафиолет. Но, в отличие от стекла, которому такие лучи не вредны, ДНК к ним очень чувствительна. Ультрафиолетовые лучи настолько губительны для молекулы ДНК, что клетка в ходе эволюции научилась самостоятельно сопротивляться их воздействию и оберегать от повреждений заключённую в ней информацию.
ОНА ПЛАВИТСЯ, НО НЕ ТАК, КАК ЛЁД
Во что может превратиться одномерный кристалл ДНК при плавлении? Чтобы разобраться в этом, вспомним, почему плавится лёд.
Лёд представляет собой кристалл, построенный из молекул воды. В нём царит строгий порядок, при котором молекулы воды связаны друг с другом максимально возможным числом межмолекулярных связей. Некоторые из этих связей рвутся, другие деформируются при переходе в жидкое состояние. Что же заставляет воду быть жидкой при температуре выше 0°С? Потеряв часть из связей, ослабив другие, молекулы воды приобретают возможность гораздо свободнее двигаться (перемещаться и вращаться). При ещё большем нагревании молекулы воды ради полной свободы жертвуют последними связями друг с другом — происходит переход из жидкого в газообразное состояние.
Всё это в полной мере относится и к ДНК — с ростом температуры сущест-вование двойной спирали становится невыгодным. Межмолекулярные связи, удерживающие две цепи друг около друга, рвутся, и из одной двухнитевой молекулы образуются две однонитевые цепи (рис.
2). При этом каждая цепь чувствует себя гораздо свободнее, может приобретать намного больше различных конфигураций в пространстве.
Несмотря на аналогию, плавление ДНК принципиально отличается от плавления льда. Отличие состоит в том, что плавление ДНК происходит в широком интервале температур (он равен нескольким градусам), а плавление льда — строго в одной точке шкалы температур. Это так называемый фазовый переход. При таком переходе скачкообразно изменяется фазовое состояние вещества — из твёрдого оно становится жидким, из жидкого — газообразным.
Мы каждый день сталкиваемся с фазовым переходом, когда кипятим чайник. В процессе кипения система «вода — пар» находится в точке фазового перехода — температура воды в чайнике ни на йоту не превысит 100°С, пока вся она не выкипит. То же самое будет происходить при нагревании льда или снега. Температура растёт до 0°С, потом рост прекращается, пока весь лёд полностью не растает, а затем температура вновь пойдёт вверх.
При нагревании ДНК температура растёт непрерывно, с её повышением всё новые участки молекул переходят из спирального состояния в расплавленное, когда две её нити разведены.
Как же разводятся нити? Что играет роль утюга, способного расплавить участок ДНК? Расплетают и расправляют их специальные ферменты. Фермент прочно связывается с ДНК и начинает двигаться вдоль неё, расплетая на своём пути всё новые участки. На этих участках начинается синтез молекулы РНК. Участки гена, с которых фермент «съехал», вновь «захлопываются» в двойную спираль, а образовавшаяся молекула РНК поступает в раствор. К ней подплывает внутриклеточная структура — рибосома и по генетической информации, записанной в РНК, на рибосоме запускается синтез белка. Схематически это показано на рис. 3.
ОНА ПОХОЖА НА ПУТЬ ЧЕЛОВЕКА, ЗАБЛУДИВШЕГОСЯ В ЛЕСУ
Почему человек, старающийся идти в лесу только вперёд, может заблудиться в пасмурную погоду, когда нельзя ориентироваться по солнцу? Почему он вновь и вновь будет возвращаться на место, где уже побывал? Существуют разные поверья на этот счёт. Одни говорят, что человек ходит по кругу потому, что у него одна нога чуть короче другой. Другие видят причину в том, что шаги у нас разные — один длиннее, другой короче. На самом деле причина в ином. Человек старается идти прямо, но, не имея перед собой удалённых ориентиров, постоянно сбивается с прямой линии. Эта потеря памяти о первоначальном направлении происходит тем быстрее, чем гуще и однообразнее лес. Путь человека при этом носит случайный характер и вовсе не выглядит движением по кругу.
Блуждают не только люди. Блуждают и молекулы — они стараются двигаться прямо, но из-за столкновений друг с другом их путь искривляется. Так возникает знаменитое броуновское движение…
Но какое отношение имеет всё это к ДНК? Поверьте, самое непосредственное. Подобно пути человека в лесу и движению частицы в среде, молекула ДНК стремится вытянуться в одну прямую линию… Но тепловое движение портит всё дело. Молекулу ДНК бомбардируют окружающие молекулы воды, и она начинает извиваться, подобно червяку, сворачивается в полимерный клубок, постоянно меняющий форму.
Тот факт, что двойная спираль способна изгибаться, имеет немалое биологическое значение. Дело в том, что если бы молекула ДНК была очень жёсткой, вроде спицы для вязания, то она никак не могла бы уместиться внутри клетки, не говоря уже о клеточном ядре. Мы уже знаем, что длина ДНК в клетке человека составляет около 2 м. Если позволить ей свернуться в клубок, его диаметр будет около 0,5 мм — это в тысячу раз больше диаметра ядра. Как же она всё-таки там умещается?
Дело в том, что в клетках высших организмов предусмотрен специальный механизм насильственного изгибания двойной спирали. Молекула навивается, как нитка на катушку, на особый комплекс ядерных белков (гистонов). На каждой «катушке» молекула делает около двух оборотов, затем переходит на следующую «катушку» и так далее. «Катушка» с намотанной на неё ДНК называется нуклеосомой, так что ДНК в ядре высших организмов — это ожерелье из нуклеосом. Конечно, и это ожерелье не вытянуто в одну линию, а очень сложным образом компактно уложено в особые тельца, называемые хромосомами. Именно таким хитрым способом клетка умудряется проделать трюк, который по плечу лишь искусному магу, — вместить полимерный клубок в ядро, диаметр которого меньше микрометра.
Открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как открытие атомного ядра в физике. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК — к рождению новой, молекулярной биологии. Но на этом параллель не заканчивается. Теоретические, фундаментальные исследования атома позволили человеку овладеть практически неисчерпаемым источником энергии и радикально изменили нашу повседневную жизнь благодаря компьютеру, Интернету, мобильному телефону. Развитие молекулярной биологии открыло возможность неслыханным образом вмешиваться в свойства живой клетки, направленно изменять наследственность. И это уже начинает воздействовать на жизнь людей не менее радикально, чем овладение энергией атомного ядра. Наступил век ДНК.
Словарик
Ген — основное понятие классической генетики. Этим термином называют участок ДНК, на котором в виде последовательности нуклеотидов записана информация об аминокислотной последовательности одного белка. Но в одних случаях имеется в виду непрерывный участок, лишь часть которого отвечает белковой цепи, а в других — совокупность участков, отвечающих целой белковой молекуле. А может быть и так, что один и тот же участок ДНК принадлежит сразу двум и даже трём генам.
Генетика — наука о наследственности.
Геном — вся генетическая информация организма.
Гистоны — белки, входящие в состав хромосом. Образуют белковую сердцевину нуклеосом.
ДНК — дезоксирибонукле-иновая кислота. Молекула, в которой содержится генетическая информация. Состоит из двух полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль.
Зигота — оплодотворённая яйцеклетка, из которой вырастает целый организм.
Нуклеосома — основной структурный элемент хромосомы. Представляет собой белковую (гистоновую) сердцевину, на которую намотана ДНК.
Нуклеотид — мономерное звено ДНК и РНК.
Половые клетки — клетки, служащие для продолжения рода (сперматозоиды и яйцеклетки).
Рибосома — сложный комплекс РНК и белков, осуществляющий в клетке процесс синтеза белка.
РНК — рибонуклеиновая кислота. Биологический полимер, очень близкий к ДНК по своему химическому строению. Способен образовывать двойную спираль, но в природе, как правило, существует в виде одиночной цепи.
Спираль — так часто называют винтовую линию, форму которой имеет молекула ДНК.
Ультрафиолетовые лучи — не видимое глазом излучение электромагнитной природы с длиной волны меньше 400 нм.
Фермент — молекула белка, катализирующая одну из химических реакций в клетке. Будучи биологическими катализаторами, ферменты сами не изменяются в ходе реакции, но их присутствие очень сильно ускоряет протекание реакции.
Хромосома — находящийся в клеточном ядре сложно организованный комплекс ДНК с белками, в котором хранится генетическая информация.
Понимание ДНК за 10 минут
Новое тестирование ДНК по делу об убийстве в Хьюстоне в 2010 году привело к реабилитации одного человека после девяти лет за решеткой и аресту другого.
Лиделл Грант, 43 года, был признан виновным в убийстве 28-летнего Аарона Шерхорна в районе ночного клуба на основании показаний под присягой нескольких свидетелей, согласно сообщениям. В прошлом месяце он был освобожден из тюрьмы после того, как ДНК, полученная из ногтей Ширхорна, была протестирована с использованием новой технологии.Он отбывал пожизненное заключение.
В четверг 41-летний Джермарико Картер был обвинен в убийстве после того, как тот же ДНК связал его с преступлением. Следователи нашли совпадение с его ДНК, используя базу данных ФБР, содержащую ДНК осужденных преступников, сообщает Fox 26 Houston в воскресенье.
«От имени Департамента полиции Хьюстона я хочу принести извинения г-ну Гранту и его семье, поскольку они ждали правосудия все эти годы», – заявил в пятницу в Twitter начальник полиции Хьюстона Арт Асеведо.Асеведо сказал, что Картер «недавно признался в своей роли в убийстве г-на Шерхорна». По словам шефа, Картер находился под стражей в Джорджии по не связанным с этим обвинениям.
Грант сказал в субботу, что он не злился на Гранта за то, что он сидел в тюрьме за преступление, которое он совершил, сообщает Fox 26. «Я совсем не злюсь на него», – сказал он, сообщает радиостанция. «Я прощаю его, потому что теперь он знает, что сделал».
Радиостанция сообщила, что по состоянию на субботу Гранту больше не приходилось носить лодыжки и соблюдать комендантский час.Прокуроры Хьюстона заявили, что они будут ходатайствовать об официальном оправдании Гранта в Апелляционном уголовном суде Техаса. Ассошиэйтед пресс процитировало адвоката Гранта Майка Уэра из Техасского проекта «Невинность», который заявил, что, по его мнению, ошибочные опознания свидетелей, основанные на устаревших и устрашающих методах, используемых детективами, помогли ошибочно осудить его клиента.
Ошибочные опознания свидетелей привели к более чем 70 процентам из более чем 360 обвинительных приговоров в США.которые были опровергнуты доказательствами ДНК, полученными после вынесения приговора, согласно проекту «Невинность».
Что такое ДНК? – наука в простой форме
Зои Гэмбл
ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту . Именно генетический код определяет все характеристики живого существа. По сути, ваша ДНК – это то, что делает вас вами!
Вы получили ДНК от родителей, мы называем это «наследственным материалом» (информация, которая передается следующему поколению).Ни у кого в мире не будет ДНК такой же, как у вас, если только у вас нет однояйцевого близнеца.
Дезоксирибонуклеиновая кислота – большая молекула в форме двойной спирали. Это немного похоже на лестницу, которую много раз перекручивали.
Структура ДНК – двойная спираль. Изображение: Кэролайн Дэвис 2010 (CC-BY)
Он состоит из повторяющихся звеньев, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит сахар и молекулу фосфата, которые составляют «основу» ДНК, и одно из четырех органических оснований.Основания – аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Это особый порядок A, G, C и T в молекуле ДНК, который уникален для вас и дает вам ваши характеристики.
Сделайте свою собственную модель ДНК из конфет
Что вам понадобится:- Две длинные гибкие конфеты, например, клубничные карандаши или
- Около 20 ярких мягких сладостей меньшего размера, таких как мармелад, винные жевательные резинки или лакричное ассорти.(вам понадобится не менее 4 конфет разных цветов.)
- Коктейльные палочки
Сделайте свою модель ДНК. Изображение: наука стала простой (CC-BY-NC)
Что делать:1. Разложите конфеты в группы по 4 разных цвета и съешьте все, что осталось.
Они представляют 4 органических основания, A, C, T и G
2. Соедините конфеты так, чтобы один цвет всегда сочетался с другим. Здесь мы соединили красный с черным, а желтый с оранжевым.
При формировании пары оснований C всегда будет соединяться с G, а T будет соединяться с A.
3. Наколите пары конфет встык с помощью коктейльных палочек в любом порядке.
Это представляет собой водородную связь между парами оснований. В реальной ДНК точный порядок пар оснований уникален для вас и дает вам ваши характеристики – что-то вроде штрих-кода.
4. Прикрепите свои шашлычки к длинным гибким конфетам, чтобы получилась лестница (мы использовали палочки для коктейлей, чтобы прикрепить два клубничных карандаша, чтобы сделать их длиннее)
Это показывает, как нуклеотиды прикреплены к сахарно-фосфатному остову
5.Возьмите молекулу ДНК и аккуратно поверните ее, чтобы сформировать двойную спираль
.И вуаля! Ваша собственная модель ДНК. Достаточно хорошо, чтобы поесть!
Хромосомы и гены
Внутри ядра клетки ДНК организована в структуры, называемые хромосомами. Клетки человека содержат 23 пары хромосом, то есть 46 на клетку. 22 пары представляют собой аутосомы , которые содержат большую часть наследственной информации, а одна пара – пол хромосомы , которые могут быть «X» или «Y» и определять пол.
Кариотип мужчины-человека – Изображение: Национальный исследовательский институт генома человека (общественное достояние)
Самки имеют две Х-хромосомы, их половые хромосомы – «ХХ». У мужчин есть один X и один Y, как и XY. Поскольку женщины XX, они могут передавать только Х-хромосому своему потомству. На самом деле пол определяется мужской хромосомой. Если мужчина передаст свою Х-хромосому, ребенок будет девочкой, если он передаст свою Y-хромосому, ребенок будет мальчиком.
Количество, тип и внешний вид хромосом человека называется их кариотипом.
В Королевском институте есть несколько отличных клипов из Рождественских лекций 2013 года «Фантастическая жизнь» о ДНК – материале жизни и предложения о том, как их можно использовать на уроках здесь.
Ссылки на учебные программы:
Ключевой этап 3: Биология (генетика и эволюция)
- наследственность как процесс, посредством которого генетическая информация передается от одного поколения к другому.
- простая модель хромосом, генов и ДНК по наследственности.
GCSE: Биология
- Ядро клетки содержит хромосомы.
- Хромосомы несут гены, контролирующие характеристики тела.
- Различные гены контролируют развитие различных характеристик организма.
Уровень: Биология
Структура ДНК Двойная спиральная структура ДНК, позволяющая ей действовать как стабильная несущая информацию молекула, с точки зрения
• компонентов нуклеотидов ДНК: дезоксирибозы, фосфата и оснований
аденина, цитозина, гуанина и тимина.
• два сахарно-фосфатных скелета, удерживаемые вместе водородными связями между
парами оснований.
• определенная пара оснований.
________________________________________________________________________
Мы – Наука в простом виде – общественная организация, которая продвигает науку, математику и инженерное дело в школах и среди населения. Вы можете узнать больше о том, чем мы занимаемся, заказать нас вживую с одним из наших захватывающих шоу или подписаться на нашу рассылку и узнать, чем мы занимаемся!Что такое ДНК? | Живая наука
ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту, которая представляет собой молекулу, которая содержит инструкции, необходимые организму для развития, жизни и размножения.Эти инструкции находятся внутри каждой клетки и передаются от родителей к потомкам.
Из чего состоит ДНК?
ДНК состоит из молекул, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит фосфатную группу, сахарную группу и азотистое основание. Четыре типа азотистых оснований – это аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C).
Нуклеотиды соединяются вместе, образуя две длинные нити, которые закручиваются по спирали, образуя структуру, называемую двойной спиралью. Если представить структуру двойной спирали как лестницу, молекулы фосфата и сахара будут сторонами, а пары оснований – ступеньками.Основания одной цепи соединяются с основаниями другой цепи: пары аденина с тимином (A-T) и пары гуанина с цитозином (G-C).
ДНК человека состоит примерно из 3 миллиардов пар оснований, и более 99% этих оснований одинаковы у всех людей, согласно данным Национальной медицинской библиотеки США (NLM).
Подобно тому, как порядок букв в алфавите может использоваться для образования слов, порядок азотистых оснований в последовательности ДНК формирует гены, которые на языке клетки сообщают клеткам, как производить белки.Сокращение этого процесса состоит в том, что гены «кодируют» белки. Но ДНК не является прямым шаблоном для производства белка. Чтобы создать белок, клетка делает копию гена, используя не ДНК, а рибонуклеиновую кислоту или РНК. Эта копия РНК, называемая информационной РНК, сообщает аппарату клеточного производства белков, какие аминокислоты соединить в белок, согласно « Biochemistry » (W. H. Freeman and Company, 2002).
Молекулы ДНК длинные – настолько длинные, что они не могут поместиться в клетки без правильной упаковки.Чтобы поместиться внутри клетки, ДНК плотно скручена, образуя структуры, называемые хромосомами. Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. У человека 23 пары хромосом, которые находятся внутри ядра каждой клетки.
Кто открыл ДНК?
(Изображение предоставлено архивом Universal History Archive / Universal Images Group через Getty Images)ДНК была впервые обнаружена швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, согласно статье, опубликованной в 2005 году в журнале Developmental Biology .Мишер использовал биохимические методы для выделения ДНК, которую он назвал нуклеином, из лейкоцитов и сперматозоидов и определил, что она сильно отличается от белка. (Термин «нуклеиновая кислота» происходит от «нуклеин».) Но в течение многих лет исследователи не осознавали важность этой молекулы.
В 1952 году химик Розалинд Франклин , которая работала в лаборатории биофизика Мориса Уилкинса, использовала дифракцию рентгеновских лучей – способ определения структуры молекулы по тому, как от нее отражаются рентгеновские лучи, – чтобы узнать, что ДНК имела спиралевидную структуру.Франклин задокументировал эту структуру в том, что стало известно как Photo 51 .
В 1953 году Уилкинс показал фотографию биологам Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик – без ведома Франклина. Вооруженные информацией о том, что ДНК представляет собой двойную спираль, и предыдущими сообщениями о том, что аденин и тимин присутствуют в ДНК в равных количествах, как и гуанин и цитозин, Уотсон и Крик опубликовали знаменательную статью 1953 года в журнале Nature . В этой статье они предложили модель ДНК в том виде, в каком мы ее теперь знаем: двойная спиральная лестница с сахарно-фосфатными сторонами и ступеньками, состоящими из пар оснований A-T и G-C.Они также предположили, что на основе предложенной ими структуры ДНК можно скопировать и, следовательно, передать.
Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по медицине в 1962 году «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живом материале». Франклин не была включена в награду, хотя ее работа была неотъемлемой частью исследования.
Как функционирует ДНК?
Гены кодируют белки, которые выполняют всевозможные функции для человека (и других живых существ).Например, человеческий ген HBA1 содержит инструкции по созданию белка альфа-глобина, который является компонентом гемоглобина, белка, переносящего кислород в красных кровяных тельцах, в соответствии с NLM . Другой пример: ген OR6A2 кодирует обонятельный рецептор, белок, который обнаруживает запахи в носу, сообщили ученые в 2021 году в журнале «» в журнале «Gene ». Согласно исследованию, опубликованному в 2012 году в журнале Flavor , в зависимости от того, какая у вас версия OR6A2, вы можете любить кинзу или думать, что она на вкус как мыло.
Как секвенируется ДНК?
Секвенирование ДНК включает технологию, которая позволяет исследователям определять порядок оснований в последовательности ДНК. Технология может использоваться для определения порядка оснований в генах, хромосомах или во всем геноме. По данным Национального исследовательского института генома человека, в 2000 году исследователи завершили «рабочий проект» последовательности человеческого генома и завершили проект в 2003 году.
(Изображение предоставлено BSIP / UIG через Getty Images)Тестирование ДНК
ДНК человека содержит информацию об его наследии и иногда может показать, подвержены ли они повышенному риску определенных заболеваний.ДНК-тесты или генетические тесты используются по разным причинам, в том числе для диагностики генетических нарушений, для определения того, является ли человек носителем генетической мутации, которую он может передать своим детям, и для проверки того, находится ли человек в группе риска. за генетическое заболевание. Например, известно, что определенные мутации в генах BRCA1 и BRCA2 увеличивают риск рака груди и яичников, и анализ этих генов с помощью генетического теста может выявить, есть ли у человека эти мутации.
Результаты генетических тестов могут иметь значение для здоровья человека, и тесты часто предоставляются вместе с генетическим консультированием, чтобы помочь людям понять результаты и последствия.
Люди также используют результаты генетического тестирования , чтобы найти родственников и узнать об их родословных через такие компании, как Ancestry и MyHeritage.
Дополнительная информация от Алины Брэдфорд и Эшли П. Тейлор, соавторов Live Science.
Дополнительные ресурсы
ДНК, гены и хромосомы – Университет Лестера
Ваши гены являются частью того, что делает вас тем человеком, которым вы являетесь.Вы отличаетесь от всех, кто сейчас жив, и от всех, кто когда-либо жил.
ДНК
Но ваши гены также означают, что вы, вероятно, немного похожи на других членов вашей семьи. Например, вам говорили, что у вас «глаза матери» или «нос бабушки»?
Гены влияют на то, как мы выглядим снаружи и как мы работаем внутри. Они содержат информацию, необходимую нашему организму для производства химических веществ, называемых белками. Белки формируют структуру нашего тела, а также играют важную роль в процессах, которые поддерживают нашу жизнь.
Гены состоят из химического вещества, называемого ДНК, что сокращенно от «дезоксирибонуклеиновая кислота». Молекула ДНК представляет собой двойную спираль: две длинные тонкие нити, закрученные друг вокруг друга, как винтовая лестница.
Двойная спираль ДНК, показывающая пары оснований
Стороны – молекулы сахара и фосфата. Ступеньки представляют собой пары химических веществ, которые называются азотистыми основаниями, или, для краткости, основаниями.
Существует четыре типа оснований: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C).Эти основания связаны очень специфическим образом: A всегда соединяется с T, а C всегда соединяется с G.
Молекула ДНК имеет два важных свойства.
- Может делать копии самого себя . Если вы разделите две нити, каждая из них может быть использована для создания другой (и новой молекулы ДНК).
- Может нести информацию . Порядок оснований в цепи – это код, код для создания белков.
Гены
Ген – это участок ДНК, который кодирует определенный белок.Так, например, один ген будет кодировать белок инсулин, который играет важную роль в помощи вашему организму в контроле количества сахара в крови.
Гены – основная единица генетики. У людей есть от 20 000 до 25 000 генов. Эти гены составляют всего около 3 процентов нашей ДНК. Функция остальных 97% до сих пор не ясна, хотя ученые считают, что это может иметь какое-то отношение к контролю над генами.
Хромосомы
Если вы возьмете ДНК из всех клеток своего тела и выстроите ее в ряд, то получится нить длиной 6000 миллионов миль (но очень, очень тонкая)! Для хранения этого важного материала молекулы ДНК плотно упаковываются вокруг белков, называемых гистонами, и образуют структуры, называемые хромосомами .
Упаковка ДНК в хромосомы
В каждой клетке человека есть 23 пары хромосом, что в сумме составляет 46 хромосом. Фотография хромосом человека, расположенная по размеру, называется кариотипом.
половых хромосом определяют, мальчик вы (XY) или девочка (XX). Остальные хромосомы называются аутосомами .
Кариотип человека мужского пола
Самая большая хромосома, хромосома 1, содержит около 8000 генов.Самая маленькая хромосома, хромосома 21, содержит около 300 генов. (Хромосома 22 должна быть самой маленькой, но ученые ошиблись, когда их впервые пронумеровали!).
ДНК, содержащая ваши гены, хранится в ваших клетках в структуре, называемой ядром.
Схема животной клетки, показывающая ядро
К началу
Это произведение находится под лицензией Creative Commons License.
ДНК против РНК – 5 ключевых отличий и сравнение
Listicle 18 декабря 2020 г. | Руайри Дж. Маккензи, редактор журнала Technology Networks
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), возможно, являются наиболее важными молекулами в клеточной биологии, ответственными за хранение и считывание генетической информации, лежащей в основе всей жизни. Оба они представляют собой линейные полимеры, состоящие из сахаров, фосфатов и оснований, но есть некоторые ключевые различия, которые разделяют два 1 .Эти различия позволяют двум молекулам работать вместе и выполнять свои основные роли. Здесь мы рассмотрим 5 ключевых различий между ДНК и РНК. Прежде чем мы углубимся в различия, мы рассмотрим эти две нуклеиновые кислоты бок о бок.
A Сравнение спирали и основной структуры РНК и ДНК
ДНК против РНК – Сравнительная таблица
Сравнение | ДНК | | RNA Полное название | Дезоксирибонуклеиновая кислота | Рибонуклеиновая кислота | |
Функция | ДНК реплицирует и хранит генетическую информацию.Это план всей генетической информации, содержащейся в организме. | РНК преобразует генетическую информацию, содержащуюся в ДНК, в формат, используемый для создания белков, а затем перемещает ее на фабрики рибосомных белков. | |||
Структура | ДНК состоит из двух цепей, расположенных двойной спиралью. Эти нити состоят из субъединиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит фосфат, молекулу сахара с 5 атомами углерода и азотистое основание. | РНК имеет только одну цепь, но, как и ДНК, состоит из нуклеотидов. Нити РНК короче цепей ДНК. РНК иногда образует вторичную двойную спиральную структуру, но только периодически. | |||
Длина | ДНК – намного более длинный полимер, чем РНК. Хромосома, например, представляет собой одну длинную молекулу ДНК, длина которой в распакованном виде составляет несколько сантиметров. | Молекулы РНК разной длины, но намного короче, чем длинные полимеры ДНК.Большая молекула РНК может состоять всего из нескольких тысяч пар оснований. | |||
Сахар | Сахар в ДНК представляет собой дезоксирибозу, которая содержит на одну гидроксильную группу меньше, чем рибоза РНК. | РНК содержит молекулы сахара рибозы без гидроксильных модификаций дезоксирибозы. | |||
Основания | Основания в ДНК – это аденин («A»), тимин («T»), гуанин («G») и цитозин («C»). | РНК разделяет аденин («A»), гуанин («G») и цитозин («C») с ДНК, но содержит урацил («U»), а не тимин. | |||
Базовые пары | Пара аденина и тимина (AT)Пара цитозина и гуанина (CG) | Пара аденина и урацила (AU)Пара цитозина и гуанина ) | |||
Местоположение | ДНК находится в ядре, небольшое количество ДНК также присутствует в митохондриях. | РНК образуется в ядрышке, а затем перемещается в специализированные области цитоплазмы в зависимости от типа образованной РНК. | |||
| Реакционная способность | Из-за дезоксирибозного сахара, который содержит на одну кислородсодержащую гидроксильную группу меньше, ДНК является более стабильной молекулой, чем РНК, что полезно для молекулы, которая должна обеспечивать безопасность генетической информации. | РНК, содержащая сахар рибозы, более реактивна, чем ДНК, и нестабильна в щелочных условиях.Более крупные спиральные канавки РНК означают, что она легче подвергается атаке ферментов. | |||
| Чувствительность к ультрафиолету (УФ) | ДНК уязвима для повреждения ультрафиолетом. | РНК более устойчива к повреждению УФ-светом, чем ДНК. |
Каковы основные различия между ДНК и РНК?
Функция
Какие три типа РНК?
- Информационная РНК ( мРНК ) копирует части генетического кода, процесс, называемый транскрипцией, и переносит эти копии в рибосомы, являющиеся клеточными фабриками, которые способствуют производству белков из этого кода.
- Трансферная РНК ( тРНК ) отвечает за доставку аминокислот, основных строительных блоков белка, на эти белковые фабрики в ответ на закодированные инструкции, вводимые мРНК. Этот процесс построения белка называется трансляцией.
- Наконец, рибосомная РНК ( рРНК ) является компонентом самой фабрики рибосом, без которой производство белка не могло бы происходить 3 .
Сахар
И ДНК, и РНК построены на основе сахара, но в то время как сахар в ДНК называется дезоксирибозой (слева на изображении), сахар в РНК называется просто рибозой (справа на изображении).Префикс «дезокси» означает, что, в то время как РНК имеет две гидроксильные (-ОН) группы, присоединенные к ее углеродной основной цепи, ДНК имеет только одну и вместо нее присоединен одинокий атом водорода. Дополнительная гидроксильная группа РНК оказывается полезной в процессе преобразования генетического кода в мРНК, которые могут быть превращены в белки, в то время как сахар дезоксирибозы придает ДНК большую стабильность 4 .
Химическая структура дезоксирибозы (слева) и рибозы (справа) Сахаров
Основания
Азотистые основания в ДНК являются основными единицами генетического кода, и их правильное упорядочение и сочетание имеют важное значение для биологического функция.Четыре основания, составляющие этот код, – это аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Основания соединяются вместе в структуру двойной спирали, причем эти пары представляют собой A и T, а также C и G. РНК не содержит тиминовых оснований, заменяя их основаниями урацила (U), которые соединяются с аденином 1 .
Структура
В то время как повсеместное распространение двойной спирали ДНК Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона (или Розалинды Франклин?) Означает, что двухцепочечная структура структуры ДНК общеизвестна, одноцепочечный формат РНК не так хорошо известен.РНК может образовывать двухцепочечные структуры, например, во время трансляции, когда молекулы мРНК и тРНК образуют пару. Полимеры ДНК также намного длиннее полимеров РНК; Геном человека длиной 2,3 м состоит из 46 хромосом, каждая из которых представляет собой одну длинную молекулу ДНК. Для сравнения, молекулы РНК намного короче 4 .Расположение
Эукариотические клетки, включая все клетки животных и растений, содержат большую часть своей ДНК в ядре, где она существует в сильно сжатой форме, называемой хромосомой 5 .Этот сжатый формат означает, что ДНК можно легко хранить и переносить. Помимо ядерной ДНК, часть ДНК присутствует в митохондриях, производящих энергию, небольших органеллах, свободно плавающих в цитоплазме, области клетки за пределами ядра.
Три типа РНК находятся в разных местах. мРНК образуется в ядре, причем каждый фрагмент мРНК копируется из соответствующего участка ДНК перед тем, как покинуть ядро и попасть в цитоплазму. Затем фрагменты перемещаются по клетке по мере необходимости, перемещаясь с помощью внутренней транспортной системы клетки, цитоскелета.тРНК, как и мРНК, представляет собой свободно перемещающуюся молекулу, которая перемещается по цитоплазме. Если он получает правильный сигнал от рибосомы, он затем будет выслеживать аминокислотные субъединицы в цитоплазме и переносить их на рибосому для встраивания в белки 5 . рРНК, как упоминалось ранее, находится в составе рибосом. Рибосомы образуются в области ядра, называемой ядрышком, перед тем, как экспортироваться в цитоплазму, где некоторые рибосомы свободно плавают. Другие цитоплазматические рибосомы связаны с эндоплазматическим ретикулумом, мембранной структурой, которая помогает обрабатывать белки и экспортировать их из клетки 6 .
Ссылки
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21154/
- https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/dna
- https: // www.rnasociety.org/about/what-is-rna/
- https://www.nature.com/scitable/topicpage/chemical-structure-of-rna-348
- https://www.genome.gov / 25520880 / deoxyribonucleic-acid-dna-fact-sheet / # al-2
- http://jcs.biologies.org/content/126/21/4815
Чтобы персонализировать контент, который вы видите на главной странице Technology Networks, войдите в систему или подпишитесь бесплатно
АВТОРИЗОВАТЬСЯ ПОДПИСАТЬСЯ БЕСПЛАТНОгенов – это просто | East London Genes & Health
Простые объяснения генов и науки
Что такое клетки?
Прежде чем мы сможем понять гены, нам нужно поговорить о клетках! Клетки – это основные строительные блоки всего живого.Человеческие клетки слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, но ваше тело состоит из 1 000 000 000 000 из них. Ваши клетки работают вместе, чтобы заставить ваше тело работать. В теле есть сотни различных типов клеток, каждая из которых специально приспособлена для выполнения различных задач. Например, красные кровяные тельца переносят кислород, которым вы дышите, по всему телу.
ЛЮБОПЫТНЫЙ ФАКТ : Самая большая клетка в мире – это страусиное яйцо, его можно увидеть невооруженным глазом.
Что такое ген?
Ваши гены – это инструкция для вашего тела.Почти в каждой клетке вашего тела скрыто химическое вещество под названием ДНК. Ген – это короткий участок ДНК.
Ваши гены содержат инструкции, которые говорят вашим клеткам производить молекулы, называемые белками. Белки выполняют в вашем организме различные функции, чтобы поддерживать ваше здоровье. Каждый ген несет в себе инструкции, определяющие ваши особенности, такие как цвет глаз, цвет волос и рост. Для каждой функции существуют разные версии генов. Например, одна версия (вариант) гена цвета глаз содержит инструкции для голубых глаз, другой тип содержит инструкции для карих глаз.
Из чего состоят гены? Почти в каждой клетке вашего тела скрыто химическое вещество под названием ДНК. Ген – это короткий участок ДНК. ДНК состоит из миллионов небольших химических веществ, называемых основаниями. Химические вещества бывают четырех типов: A, C, T и G. Ген – это участок ДНК, состоящий из последовательности As, Cs, Ts и G. Ваши гены настолько крошечные, что в каждой клетке вашего тела их около 20 000! Человеческие гены различаются по размеру от нескольких сотен оснований до более миллиона оснований.
У каждого человека около 20 000 генов и 3 000 000 000 оснований. Вся ваша последовательность генов и основ называется вашим геномом.
ЛЮБОПЫТНЫЙ ФАКТ : последовательность вашего генома точно помещается на DVD.
Что такое хромосомы? Хромосома – это плотно намотанная спираль ДНК. Хромосомы находятся внутри ваших клеток. Такая плотная упаковка позволяет ДНК поместиться внутри крошечной клетки. У вас есть 23 пары хромосом в каждой клетке, разных типов, так что 46 на клетку – магическое число!
Что делают ваши гены? Ваши гены находятся почти в каждой клетке вашего тела.Каждый ген содержит инструкции, которые говорят вашим клеткам производить белки. Белки выполняют в ваших клетках самые разные задачи, такие как создание пигментов для глаз, питание мышц и борьба с вторгающимися бактериями. Например, некоторые клетки используют гены, содержащие инструкции по производству белка, называемого кератином. Белки кератина соединяются в вашем теле, образуя такие вещи, как волосы и ногти.
Играйте в Genes and Your Cells, чтобы узнать, как разные клетки используют разные гены для работы вашего тела.
Итак: гены состоят из ДНК, гены создают белки, белки создают клетки, а клетки делают вас …
Посмотрите видео о YourGenome от ДНК к белку, чтобы узнать, как все это работает
Откуда берутся ваши гены? Вы когда-нибудь задумывались, почему у вас такой же цвет глаз, как у вашего отца, или такой же цвет волос, как у вашей мамы? Это потому, что вы наследуете свои гены от родителей. Половину вы получаете от мамы, а половину – от отца.Когда вы наследуете гены от родителей, вы получаете по две версии каждого гена, одну от мамы и одну от отца. Например, вы получите две версии генов, которые содержат инструкции по цвету глаз. Некоторые версии генов более доминирующие, чем другие; если вы получите гены голубых глаз от мамы и гены карих глаз от отца, у вас будут карие глаза, потому что гены карих глаз являются доминирующими. Итак, если вы унаследовали все гены от родителей, почему вы не совсем такие, как ваши братья и сестры?
Чем вы отличаетесь от своих братьев и сестер? Причина, по которой вы и ваши братья и сестры не идентичны, заключается в том, что у ваших мамы и папы есть две версии каждого гена, по одной от каждого из родителей.Когда они передают вам свои гены, они передают только одну из этих версий, и совершенно случайно, какая именно из них будет. Например, если у вашей мамы есть гены карих глаз и голубых глаз, она может передать синие гены вам, а коричневые – вашему брату или сестре.
Как гены влияют на ваше здоровье? Ваши гены – это инструкция, которая заставляет ваше тело работать. Иногда одно или несколько оснований ДНК в гене могут различаться у разных людей. Это называется вариантом. Вариант означает, что ген имеет несколько отличные от обычной версии инструкции.Иногда это может привести к тому, что ген дает клеткам разные инструкции для производства белка, поэтому белок работает по-другому. К счастью, большинство вариантов генов не влияют на здоровье. Но некоторые варианты действительно влияют на белки, которые делают действительно важные вещи в вашем теле, и тогда вы можете заболеть.
Сыграйте в нашу игру «Поиск генов», чтобы увидеть, сможете ли вы определить вариантные гены.
ЛЮБОПЫТНЫЙ ФАКТ : Группа крови O, которая полезна, поскольку ее можно перелить любому человеку в чрезвычайной ситуации, вызвана вариантом гена ABO, который останавливает его работу (нокаут).
Geneti c Условиями: Генетические состояния – это заболевания, которые развиваются, когда вы наследуете вариант гена от своих родителей. В результате генетические заболевания обычно передаются по наследству. Ученые выявили более 10 000 генетических заболеваний. Одно генетическое заболевание называется серповидно-клеточной анемией. У людей с этим заболеванием есть вариант генов, содержащих инструкции по выработке белков гемолглобина. Гемоглобин помогает эритроцитам переносить кислород по телу.Эти гены серповидно-клеточного гемоглобина приводят к тому, что эритроциты принимают неправильную форму, что затрудняет перенос кислорода по телу. Не все варианты генов вызывают генетическое заболевание. Многие варианты вообще не имеют никакого эффекта, другие могут увеличить риск развития болезни.
Гены и общие состояния Ученые ищут варианты генов, которые могут повысить риск развития таких заболеваний, как диабет, болезнь Альцгеймера и рак. Это тяжелая работа, поскольку многие болезни могут развиваться очень сложным образом с участием множества различных генов, и на них также влияют факторы окружающей среды, такие как количество упражнений, ваш вес или курение.Редко есть женщины, которые особенно подвержены риску развития рака груди, потому что они несут некоторые варианты генов. Некоторые из этих генов были идентифицированы, и теперь можно посмотреть на гены людей, чтобы определить, подвержены ли они риску развития рака груди. Это может спасти жизни.
Как ваше окружение влияет на вас? На ваши характеристики влияет ваше окружение, а также ваши гены. Например, вы можете унаследовать от родителей гены, которые должны сделать вас высоким, но если у вас плохое питание, ваш рост может замедлиться.Чтобы попытаться понять, какое влияние на вас может оказать окружающая среда, ученые изучают однояйцевых близнецов. Однояйцевые близнецы имеют одинаковые гены, поэтому любые различия в личности, здоровье и способностях вызваны различиями в их среде обитания.
Сыграйте в «Беспокойный близнец», чтобы узнать, насколько сильно ваше окружение может повлиять на вас.
Почему ученые изучают гены? Ученые сделали огромный прорыв в генетических исследованиях за последние несколько лет, узнавая все больше и больше о наших генах и о том, как они заставляют наше тело работать.Ученые исследуют наши гены, чтобы определить семейные отношения, проследить наших предков и найти гены, участвующие в заболеваниях. Это дает им инструменты, чтобы придумать лучшие способы сохранить наше здоровье. Большой прорыв в генетических исследованиях произошел в 2003 году с результатами проекта «Геном человека».
Посмотрите видео о вашем геноме в увеличенном масштабе
Что такое проект “Геном человека”? Проект «Геном человека» был международным исследованием, целью которого было попытаться понять весь наш генетический код – полное руководство о том, как работают наши тела.Тысячи ученых по всему миру работали более десяти лет, чтобы прочитать каждую инструкцию в каждом гене группы добровольцев и составить картину среднего генома человека. Они обнаружили, что почти в каждой клетке нашего тела содержится около 20 000 генов. Большинство генов одинаковы у всех людей, но небольшое количество генов, менее 1%, немного различается у разных людей. Эти небольшие различия вносят свой вклад в наши уникальные особенности. Наше новое понимание генома человека ведет к многим достижениям в том, как мы лечим болезни и недуги.
Как насчет персонализированной медицины? Скоро каждый сможет прочитать свои гены. В 2015 году это стоит около 5000 фунтов стерлингов, поэтому доступно не всем. Врач может использовать эту информацию, чтобы дать вам конкретные лекарства, адаптированные к вашим генам. В настоящее время многие лекарства подходят для всех, но не для всех одинаково. Некоторые люди действительно хорошо реагируют на лекарство, некоторые могут вообще не реагировать, а у других возникают серьезные побочные эффекты. Ученые изучают, как различия в ваших генах влияют на вашу реакцию на лекарства.Эти генетические различия помогут врачам предсказать, какие лекарства подействуют на вас, и назначить индивидуальное лечение.
Гены могут многое рассказать нам о том, как лечить и предотвращать болезни, но это еще не все … Изучение генов людей по всему миру также может рассказать нам о наших предках.
А как насчет генетики больших популяций? Изучение ваших генов может показать, откуда произошли ваши предки. Факты свидетельствуют о том, что люди изначально прибыли из Африки и расселились по всему остальному миру.По мере того как люди мигрировали по миру, в их генах развивались крошечные вариации. Со временем это происходит естественным образом, чтобы помочь людям пережить изменения. Затем эти варианты передавались из поколения в поколение. Ученые изучают гены разных популяций людей по всему миру, чтобы обнаружить эти вариации, проследить их во времени и составить карту, как передвигались наши предки.
Генетика захватывающая, вот где можно узнать больше
Авторы Элис Маллис, Дэвид ван Хил, Фрэн Балквилл и Кам Ислам.
ДНК для чайников | Действительно полезное шоу
Использование снимков экрана или поднятие иллюстраций в этой презентации запрещено.
Если вы хотите использовать любую предоставленную информацию в личных целях и для исследования, вы можете это сделать.
Не загружайте запись ни в каких целях. Записи этого выступления будут храниться на сайте Шоу до 23:59 17.04.2021
Федерация семейной истории не владеет и не разделяет авторские права, а также не может разрешить использование любого содержания в презентации.
Цель этого выступления – познакомить вас с тестированием ДНК в связи с генеалогическими исследованиями. Мы рассмотрим различные доступные тесты и рассмотрим, почему вы можете захотеть их протестировать, а также как интерпретировать эти результаты, когда они вернутся. Это для абсолютных новичков, поэтому, если вы еще не тестировали свою ДНК или только что получили результаты и у вас есть тысяча вопросов, это для вас! Мы упростим всю сбивающую с толку терминологию, чтобы узнать, как тестирование ДНК может помочь вам в ваших исследованиях, а также рассмотрим результаты этнической принадлежности и их значение.Используя практические примеры, вы узнаете, что означают все эти совпадения и числа, и как решить, что с ними делать. Просмотр других веб-сайтов и инструментов позволит вам убедиться, что вы используете результаты своей ДНК наилучшим образом для продвижения своих исследований.