top image
VIII международный
фестиваль здорового
образа жизни и спорта
Москва,
Сокольники
03.09.2020

ДНК – уникальное изобретение эволюции

3 сентября считается Днем открытия уникальности ДНК и в честь этого праздника мы решили разузнать все об этой уникальной молекуле у Алины Альшевской, иммунолога, к.м.н., специалиста по научно-методологической работе Basis Genomic Group и участницы Международного фестиваля ЗОЖ и спорта SN PRO EXPO FORUM.

ДНК – это одна, но очень длинная молекула, которая одновременно содержит весь генеральный план построения и функционирования нашего организма внутри каждой отдельно взятой клетки, и при этом каким-то таинственным образом сама же контролирует воплощение этого плана в жизнь. То есть это совершенно уникальное изобретение эволюции, когда каждая наша клеточка, содержащая ДНК, имеет в себе не просто информацию о том, как должны выглядеть наши руки и ноги, и сколько должно быть пальцев, но также и о том, что «выращивание» тех или иных органов (в нужном количестве и размерах) должно происходить в строго определенные, и очень узкие периоды времени. Другими словами, ДНК – это огромная библиотека с целым архивом данных. Скажем, если представить, что одна пара нуклеотидов (структурная единица ДНК) – это аналог простой буквы в тексте, то длина информации в одной молекуле в одной клетке будет равна 3,2 млрд. букв или примерно 880 млн страниц текста. При этом такой колоссальный объем данных содержит не только записи обо всем, что может потребоваться нашему физическому телу для его работы в течение жизни, но еще и команду архивариусов, строго следящих за тем, какие библиотечные тома (или ген), кому и когда будут выдаваться для снятия копий и строительства объектов.


Исходя из столь красивой и сложной системы, проблемы, как правило, возникают в трех ситуациях.
Во-первых, под действием внешних неблагоприятных факторов может произойти намеренное или случайное искажение записанной информации. Под действием так называемых мутагенных факторов, которые проникают внутрь библиотеки как затопление со стиранием или искажением букв, или как тайный лазутчик, намеренно переписывающий фрагменты текста (так, кстати, ведут себя некоторые вирусы).
Во-вторых, ошибка может возникнуть при переносе информации с конкретного тома подрядчика и проведении строительных работ. То есть в плане всё написано правильно, но при дальнейшей работе кто-то ошибся, и, например, неправильно подключили проводку в итоге свет включается на выключение рубильника. Такое ошибки в нашем теле аналогичны тому, когда организм неправильно реагирует на внешние раздражители, и вместо того, чтобы иммунная система «включалась» и атаковала внешнего врага (бактерии, вирусы), она начинает в мирное время атаковать совершенно нормальные собственные клетки организма, что приводит к развитию аутоиммунных заболеваний. Причем проблемы могут возникать на фоне абсолютно нормальной ДНК и не будут связаны с ошибками в ней.
Наконец, в-третьих, при любом делении клетки вся эта библиотека целиком должна быть скопирована в неизмененном виде – а шутка ли, при фактически «ручном» переносе информации безошибочно продублировать 880 млн страниц текста?!

Именно поэтому существенная часть всех защитных систем организма (и в том числе иммунной системы) направлена на контроль этого процесса и уничтожение некорректных копий, которые в самых печальных случаях приводят к образованию «новых» неправильно работающих органов – раковых опухолей. Тем не менее, часть ошибок все-таки будет пропущена системами контролеров, и ошибки будут записаны в новые клетки, в том числе и половые (в таком случае «ошибка» или мутация будет передана потомству и закреплена в их ДНК).
Любой из трех вариантов означает, что информация в конкретном фрагменте ДНК, которая изначально должна была быть использована на пользу организма в текущей ситуации, либо была искажена, либо не может быть прочитана правильным способом. То есть даже имея изначально идеальный и корректный план строительства дома, никакого правильного дома не будет, если строители не смогут корректно воспользоваться планом или, особенно, если в плане есть ошибки. Методы анализа ДНК как раз и направлены на то, чтобы выяснить ошибки и особенности в нашем собственном генеральном плане строительства организма.
К счастью, серьезные ошибки в ДНК встречаются весьма редко, однако у каждого из нас есть сотни и тысячи мелких отличий в наших ДНК, благодаря которым мы все обладаем уникальными внешностью, выносливостью, способностями и склонностями. Большинство этих отличий были полезны кому-то из наших предков и потому закрепились в генофонде популяции. Например, есть ряд генов, связанных с пищевым поведением, определенные мутантные варианты которых приводят к нарушению своевременного чувства насыщения. Для наших далеких предков в условиях острого дефицита пищи тот, кто за раз мог больше съесть, имел гораздо выше шанс выжить в последующие голодные дни, в результате эти мутации широко распространены у современных людей. Но современным офисным работникам они сильно мешают.

Резюмируя, изучение ДНК дает возможность понять, почему мы именно так, а не иначе, реагируем на физические нагрузки, стресс, изменением гормонального фона и прием витаминов. Знать особенности своей ДНК означает жить в гармонии со своим телом и со своими генами.
Тем не менее, понимание человеческой ДНК, увы, еще очень далеко от своего завершения. Дело в том, что этот 880 млн страничный текст написан на языке, в которым мы успешно разгадали значение лишь отдельных слов, точное значение записанной информации мы на данный момент знаем всего лишь для нескольких процентов ДНК. Тем не менее, это уже огромный прорыв, благодаря только этим кусочкам информации мы разгадали тайны очень многих наследственных заболеваний, а некоторые из них даже способны лечить (например, некоторые формы врожденной слепоты). Возник новый раздел науки, изучающий индивидуальный подбор терапии в зависимости от генетических особенностей пациента - фармакогенетика, предоставляющий данные о сотнях препаратов, которые наиболее эффективно и безопасно действуют при определенных генетических особенностях людей. Мы узнали очень много о связи нашей ДНК с рисками развития болезней цивилизации (ожирения, сахарного диабета, метаболического синдрома), а также о механизмах развития возраст-зависимых заболеваний - все это можно уже сейчас узнать о себе, пройдя генетическое тестирование.
Сейчас существует три способа узнать свою генетическую информацию, выбор между ними зависит от того, что именно мы хотим узнать. Это можно сравнить с тем, как мы смотрим на картину – сложное и красивое произведение искусства – и анализируем ее.
Если наша цель, скажем, понять, в каком жанре писал художник, то мы будет анализировать общие особенности расположения объектов, стиль подачи информации, насколько изображенные объекты реалистичны. Такой способ изучения подобен исследованию хромосом. Наши 46 хромосом – это 46 фрагментов ДНК, которые упакованы в крошечные компактные полки нашей библиотеки внутри клеток, и мы видим только эти полки. Когда мы смотрим на них вот так, сверху (а хромосомы видно через микроскоп), то мы может увидеть серьезные аномалии строения или количества хромосом. Как правило, это серьезные заболевания, приводящие к существенному нарушению функционирования организма или качества жизни (например, синдром Дауна). Однако при таком рассмотрении мы не узнаём, что же написано в самих книгах, расставленных на полках – то есть не получаем информации об отдельных генах.
Если же наша цель при анализе картины – выявить объекты, которые расположены на ней, то мы можем пойти двумя путями. Первый подобен сложному компьютерному анализу красок – проанализировать всю цветовую гамму, выделить цветовые пики и фрагменты и по сочетанию цветов сделать вывод о том, что на этой картине по всей видимости есть изображения коней, людей, неба и деревьев. Такой анализ тем точнее будет, чем больше входных данных мы вводим в компьютер, и чем совершеннее система анализа. Исследование миллиона фрагментов, скорее всего, даст очень точную информацию, но и проанализировать ее будет гораздо сложнее. По такому принципу работает современное секвенирование: не зная заранее, какие именно объекты мы ищем, мы полностью разбираем анализируемый фрагмент ДНК на составляющие и пытаемся восстановить первоначальную картину. Это очень трудоемкий, сложный дорогой, но и весьма информативный метод анализа.
Если мы заранее знаем, что именно ищем, например, конкретного белого коня на картине (или какой-то конкретный мутантный вариант гена в ДНК), то мы можем применить метод сравнения изображения с определенным образцом. Это гораздо более быстрый и простой метод, при этом он не менее точен, чем трудоемкое секвенирование, поскольку сравнение и сопоставление контрольного и опытного образца происходит не на глаз, а в химических реакциях. На таком принципе основана работа ПЦР – полимеразной цепной реакции.
Каждый метод имеет свои преимущества, недостатки и область применения, в зависимости от цели исследователя. Анализ хромосом не покажет их содержания. Высокоточное секвенирование может не сработать, например, если анализируемый образец поврежден, а поиск конкретного гена (белого коня) может не сработать, если в ДНК (на картине) присутствует много идентичных копий этот гена (стадо абсолютно одинаковых лошадей). Тогда исследователи обращаются к двум методам одновременно: один - для анализа, другой - для подтверждения результата. Для того, чтобы узнать свои генетические особенности и склонности хорошо как секвенирование, так и ПЦР – всё зависит от качества лаборатории и исследователей, интерпретирующих полученную информацию. На данный момент, только около 1% заболеваний и состояний контролируются каким-то одним конкретным геном, в то время как остальные зависят от целого пула связанных между собой по функции генов, от внешних факторов и особенностей образа жизни. Например, чтобы оценить генетический риск развития атеросклероза, нужно одновременно учитывать особенности в как минимум четырех группах генах. Именно поэтому по отдельности интерпретировать каждую мутацию – некорректно, а при выборе лаборатории лучше отдавать предпочтение той, что проводит комплексный анализ генных сетей с учетом (особенностей и факторов образа жизни человека, выявленных на анкетировании. Такая комплексная интерпретация позволит вынести максимальную пользу из анализа и применить полученные знания на практике для коррекции образа жизни, питания и привычек.