Как обещала, запускаю регулярную рубрику «Генетик за рулем». Для начала хочу рассказать о формате, который предполагается. Я еду за рулем, рассказываю об интересных вещах в генетике и конечно это не может считаться медицинской консультацией, когда я предполагаю конкретный диагноз и даю вам план обследования и личный прогноз.
И, если вам нужен генетик, можете обратиться ко мне. Контакты указаны внизу главной страницы. А общение за рулем это, скажем так, просто интересные разговоры о генетике.
Сегодня я хочу начать с основ генетики, потому что многие из моих друзей не врачи и немножко нужно освежить знания, которые были получены еще на биологии в школе.
Давайте начнем с базовых вещей – с ДНК. Молекула ДНК - это вся наша генетическая информация и находится во всех клетках нашего организма. Это очень упрощенное понятие «во всех клетках». Конечно есть клетки, которые не содержат ядра и, соответственно, они не содержат и ДНК. Это, например, красные клетки крови – эритроциты, в них нет ДНК, в них нет ядра. Затем тромбоциты, которые образуют тромбы, в них тоже нет ядра и в них тоже нет ДНК. И есть половые клетки, там содержится ровно половинный набор нашего генетического материала. Если быть краткой, то 50% вашей ДНК содержится в половых клетках - яйцеклетках или сперматозоидах. Но в целом, если абстрагироваться от этих выше перечисленных клеток, то молекулы ДНК абсолютно одинаковы во всех наших тканях и органах. Соответственно, если мы возьмем клетки кожи, или, например, клетки головного мозга, у нас будет абсолютно одинаковая ДНК и там будут записаны одни и те же гены. Но обо всем по порядку.
У нас ДНК состоит из нуклеотидов. Что это такое? ДНК записана четырьмя «буквами»: A, T, G, C. И сочетание этих букв дает нам разнообразный генетический код. Генетический код — это то, по какому принципу у нас зашифрованы аминокислоты, которые потом будут образовывать белки. Есть специальные механизмы, которые позволяют считывать информацию с генов - участков молекулы ДНК, для формирования «инструкции» для той самой сборки белка в клетках из аминокислот. Четыре буквы нашего генетического алфавита формируют около трех миллиардов пар оснований. То есть длина нашего генома – три миллиарда букв – и это очень много. Известный биоинформатик Федор Коновалов в своем докладе на конференции показывает слайд с грузовым морским контейнером и говорит, что это величина нашего генома, напечатанного на листах А4 12 шрифтом со стандартным межстрочным интервалом. На данный момент описано более 25 000 генов человека. В то время как наследственных заболеваний где-то 7 000. Из этого становится понятно, что повреждение далеко не каждого гена связано с каким-то наследственным заболеванием и что далеко не все гены изучены в отношении болезней человека.
И, если мы знаем, что у нас есть три миллиарда пар букв в геноме, то не все эти миллиарды кодируют/шифруют какие-то гены и выполняют какую-то важную роль в нашем геноме, в нашем организме. Из 100% нашей ДНК около 1-2% является кодирующей частью – генами, которые выполняют у нас важные функции, без которых мы жить и развиваться не сможем. А остальное это так называемый генетический груз, «генетический мусор», «junk DNA".
То есть наша клетка, когда делится, копирует всю ДНК и каждый раз она копирует в том числе и «ненужный» этот хвост из ДНК, которая нам уже не очень сильно нужна. Но есть сейчас различные теории, почему все-таки это происходит, почему у нас есть этот большой генетический груз. И он во многом нас защищает от возникновения каких-то ошибок, которые могли бы возникнуть в генах при делении клеток. Тем не менее иногда это происходит. Когда наши клетки делятся, они делают это не совсем идеально.
Может быть вы помните, как в первом классе учительница заставляла переписывать с доски какой-то простой текст. Вот, собственно говоря, этим занимаются у нас клетки, когда делятся. Они переписывают изначальную ДНК в новую клетку и делают это с определенными ошибками, которые у нас могут исправляться. У нас есть для этого специальные белки, которые работают как учителя в школе, и все исправляют. Но иногда остаются какие-то ошибки в клетках, которые уже поделились. И большая часть этих ошибок возникает в некодирующей части нашего генома. Но нам все равно, ошибка и ошибка, главное, чтобы не было никаких последствий. Поэтому считается, что неплохо, что у нас кодирующая часть генома это 1-2%, которая «размазана» среди этих трех миллиардов пар оснований. И шанс того, что какая-то случайная ошибка возникнет в кодирующей части, все-таки небольшой.
Поэтому мы с вами достаточно биологически неплохие организмы, живем долго и не болеем какими-то серьезными болезнями в молодом возрасте, которые возникают из-за накопления определенных ошибок в нашем геноме.
Соответственно, мы поняли, что есть ДНК, она записана 4 буквами генетического кода и среди всей этой ДНК только 2% это наши гены.
Теперь, наверное, следует поговорить о генах. Что это такое вообще? Это такая последовательность ДНК, из тех же самых букв (A, T, G, C), которая кодирует какой-то белок.
Что это значит? Это значит, что вот этими буквами записана инструкция о сборке какого-то белка. И у нас так устроен наш генетический код, что каждые три буквы этих нуклеотидов – триплеты – кодируют какую-то одну аминокислоту. Например, ATC, CGT, каждая из этих трех букв будет кодировать аминокислоту. Когда происходит считывание информации из ДНК в ядре клетки, по заготовке с гена образуется матричная РНК и уходит из ядра в клетку, где в специальных органеллах - рибосомах - по указаниям мт РНК друг на друга нанизываются аминокислоты, как жемчужное ожерелье, и формируется первичная структура белка. То есть это просто аминокислоты, которые с собой соединились в такую линейную последовательность. Затем под действием химических связей этих аминокислот (они по свойствам разные бывают) они сворачиваются в определенную структуру белка и затем подвергаются различному «тюнингу» внутри клеточных структур. Внутри клетки есть специальные органеллы, которые белки уже доводят до идеала.
Белки в организме – по большей части, конечно, структурные белки, которые составляют нашу соединительную и мышечную ткань. В килограммах это, наверное, больше, чем все остальное. Но немаловажные белки – ферменты, они способны поддерживать порядок внутри клеток, избавляясь от продуктов жизнедеятельности клетки, перерабатывая их. Либо это белки, которые способствуют превращению одного вещества в другое. Таких белков очень много у нас, например, в печени. Потому что мы перерабатываем кучу всего, что в нас поступает – всякие лекарства, токсины и так далее. И третьи белки – рецепторы, такие поры в клеточной стенке, которые контролируют поступление и выведение отдельных молекул внутрь и из клетки. Это такие, условно, чувствительные датчики на наших клетках, которые позволяют понимать много или мало какого-то вещества. Если его мало, то нужно его добавить, если много – то надо от него избавиться. И практически для всех веществ в нашем организме, ну кроме каких-то токсинов, которые не естественны для организма, у нас есть рецепторы, ко всему абсолютно. Это всё белки и все они кодируются генами. Соответственно, если вдруг с каким-то важным геном произошла мутация – изменение ДНК, которое приводит к чему-то плохому по смыслу – то белок либо будет плохим по качеству, то есть он плохо будет выполнять свою функцию, либо его вообще почти не будет. Может возникать такая мутация, которая прервет этот ген, то есть он как-будто не будет «дописан до конца» и белок с такого гена будет синтезирован очень короткий и не будет выполнять тех функций, которые в него изначально заложены. Поэтому, если возникает серьезная мутация, мы видим серьезные последствия в виде каких-то наследственных заболеваний – моногенных или даже хромосомных, когда сразу отсутствует множество генов. Это все серьезная клиническая картина заболевания.
Чуть позже мы тему отдельных синдромов затронем, поскольку хочется, чтобы многие понимали, о чем будет идти речь.
Кроме генов хочется объяснить что такое хромосомы.
Если мы распакуем всю нашу ДНК, она будет в одной клетке, это будет где-то два метра. И клеток у нас с вами тоже достаточно много и, если в каждой клетке будет такой большой клубок ниток, то это будет просто неудобно для нашего организма. Лучше все это компактно запаковать и распаковывать по мере надобности. Для этого в ядре клеток молекула ДНК очень плотно намотана на специальные белки, как нитка на катушку, и формирует структуры для максимально компактного хранения генетической информации, которые называются хромосомами. Помните из биологии крестиками рисовали эти самые хромосомы? Но выглядят они примерно как палочки и это важно, так как часто неверное графическое отображение хромосом путает людей. Ведь «крестик» – это уже на минуточку ДВЕ хромосомы.
И когда нужно считать информацию с какого-то гена, то хромосома немножко распутывается и тот участок, на котором записана эта информация, становится доступным для чтения. Это, грубо говоря, такой «ограниченный доступ» и в разных тканях разные гены доступны к считыванию. То есть в коже это одни гены, который формируют эпидермис, например. А в головном мозге это другие гены, которые нам позволяют думать, как минимум.
Всего у нас 23 пары хромосом, это значит, что у нас две первые хромосомы, две вторые, две третьи и так далее, двадцать третья пара – это половые хромосомы - XY у мужчин и ХХ у женщин.
Бывают изменения в самих хромосомах, в этих достаточно компактных структурах, когда часть хромосомы или вся хромосома, например, может быть изменена: часть хромосомы может измениться, например перейти на другую хромосому, или появиться какая-то лишняя быть хромосома.
Такие хромосомные перестройки часто влияют на внешний вид человека, у которого есть эти перестройки. Самый яркий пример - это синдром Дауна, люди даже без медицинского образования могут по внешним признакам понять, что скорее всего перед вами человек с синдромом Дауна, потому что очень характерная внешность. И она возникает из-за того, что у человека лишняя или избыточная двадцать первая хромосома.
Есть еще такое понятие как эпигенетика. Я говорила, что в разных клетках и тканях работают разные гены, это как раз называется эпигенетика – регуляция работы генов. И эта регуляция закладывается еще во время нашего внутриутробного развития. Пока мы сами были еще эмбрионами, формировался определенный «контроль доступа» к генам в различных тканях, чтобы они не сбивали свою программу и работали так, как нужно. То есть, чтоб в головном мозге работали гены, которые важны для головного мозга,а в печени те, что важны в печени. И по-другому это к сожалению, или к счастью не работает. Но, например, для опухолевого генома характерно то, что там начинают «включаться» те гены, которые там работать не совсем должны. Поэтому до сих пор есть сложность с терапией опухолевых заболеваний, потому что поведение опухолей не всегда просто предсказать. То есть как она с точки зрения биологических процессов будет развиваться.
Но это тема для отдельных лекций!