Гены вирусов внутри нас и исчезновение мужской хромосомы: 10 интересных фактов о ДНК

Зачем нам нужны клетки древних вирусов, как хромосомы длиной 10 млрд километров помещаются в клетки одного организма, почему гены грибов, червей и дрожжей схожи с нашими, почему разрушение Y-хромосомы не приведет к исчезновению мужчин и как ДНК можно использовать для решения математических задач – самые интересные факта о ДНК. Подробности – в материале Агентства новостей «Доступ».

ДНК есть во всех клетках организма, кроме эритроцитов

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это огромная молекула, имеющая форму двойной спирали, которая хранит всю генетическую информацию об организме. Она находится в ядре каждой клетки, где упакована в хромосомы, у человека их всего 46. Единственным исключением являются красные кровяные тельца или эритроциты. Они нужны, чтобы разносить кислород из легких по всему телу, а обратно забирать углекислый газ.

«В процессе созревания эритроциты специально выталкивают свое ядро, чтобы освободить место для максимального количества гемоглобина – белка, который как раз захватывает и удерживает кислород во время транспортировки. Без гемоглобина кислород просто растворялся бы в плазме, и его катастрофически не хватало бы для жизни. Отсутствие ядра с ДНК делает эритроциты неспособными к делению, поэтому они живут всего около 120 дней и постоянно должны заменяться новыми клетками из костного мозга. Этот нюанс нашего организма можно назвать гениальной эволюционной адаптацией», – отвечает кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Валерий Литвинов.

Более половины ДНК составляют гены вирусов

Более 50% нашей ДНК действительно состоит из остатков древних вирусов. Они появились там миллионы лет назад, когда наши предки заразились ретровирусами, и те случайно встроили свою генетическую информацию в ДНК половых клеток. Эти вирусные структуры стали передаваться по наследству – со временем большинство их копий утратили способность к размножению и теперь просто «спят» в наших клетках.

«Вирусные остатки не только не опасны, но и очень полезны. Некоторые из них кодируют белки, которые тренируют иммунную систему, помогая ей распознавать современные вирусы, другие участвуют в формировании плаценты. Также эти элементы работают как регуляторы: они могут включать или выключать наши собственные гены, контролируя их активность. Однако при ослаблении иммунитета вирусы могут просыпаться. Тогда они начинают вставлять себя в важные гены, нарушая их работу, что связывают с развитием некоторых видов рака, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний», – рассказывает ученый Пермского Политеха.

Как ДНК длиной 10 млрд километров помещается в клетки одного организма

Если взять всю ДНК, которая содержится в триллионах клеток одного человека, и вытянуть ее в одну непрерывную нить, ее длина составит около 10 миллиардов километров. Это в 2 раза больше расстояния от Солнца до Плутона. При этом общий объем ДНК всего населения Земли составит всего около чайной ложки (примерно 5 миллилитров).

«Это возможно благодаря невероятно плотной и многоуровневой упаковке ДНК внутри ядра клетки. Ее молекула сначала наматывается на специальные белковые катушки – гистоны, образуя структуру, похожую на бусы. Затем они скручиваются в более толстые волокна, которые, в свою очередь, многократно петляют и компактно укладываются, образуя хромосомы. В результате исходная длина ДНК сокращается в десятки тысяч раз, умещаясь в ядре размером всего несколько микрон. Ее смело можно назвать самой эффективной системой хранения информации в природе», – отметил Валерий Литвинов.

Почему наши гены схожи с ДНК гриба, червя и дрожжей

Наибольшее генетическое сходство у человека, конечно, с нашими ближайшими родственниками – приматами. Например, ДНК человека и шимпанзе совпадает на 98-99%. С домашней кошкой – на 90%, с мышью – на 85%, с курицей – на 60%. Но, кроме того наши гены сходятся с грибами, червями и дрожжами на 30-40%. Также совпадение на 40-75% варьируется с рыбами, пчелами, осьминогами, лягушками, бананами.

«Эти высокие проценты объясняются тем, что все живые организмы на Земле произошли от одного общего одноклеточного предка, который жил около 3,5 миллиардов лет назад. И для решения главных задач – получения энергии, деления клеток, починки ДНК, синтеза белков – природа давно нашла оптимальные для всех организмов гены и больше их не меняет. Преображаются лишь регуляторные участки ДНК, – именно они решают, что вырастет на конкретном участке тела – крыло, ласты или рука. Они «подсказывают» гену, как и когда работать, чтобы из одних и тех же базовых инструкций получились разные структуры», – отвечает Валерий Литвинов.

Как гены рыжих людей делают их наиболее чувствительными к боли

Рыжий цвет волос – это не просто яркая внешность, а маркер глубинных особенностей ДНК. Оказывается, тот самый ген, который дарит человеку медный оттенок локонов, напрямую влияет на то, что его мозг острее воспринимает боль.

«У рыжих людей "сломан" ген, который управляет специальным белком-рецептором на поверхности клеток. В норме он нужен, чтобы принимать сигналы от мозга и запускать выработку темного пигмента, который отвечает за цвет волос. Но из-за мутации, которая произошла у жителей Европы в условиях нехватки солнца, он работает неправильно: сигналы проходят плохо, и организм вместо темного цвета начинает вырабатывать рыжий. Однако тот же самый рецептор участвует в системе естественного обезболивания. В нашем теле есть собственные болеутоляющие вещества – эндорфины, которые должны связываться с белком, чтобы приглушить боль. У рыжих людей из-за поломки в гене вся эта система дает сбой: рецепторы хуже реагируют на них, либо самих эндорфинов вырабатывается меньше. В результате мозг рыжего человека получает болевые сигналы почти без фильтрации, а чувствительность к боли оказывается выше», – объясняет Валерий Литвинов.

Именно поэтому рыжим людям часто требуется больше анестезии во время стоматологических и хирургических процедур – стандартной дозы не хватает, чтобы «пробить» эту повышенную болевую чувствительность.

Почему генетические тесты для предсказания рисков заболеваний недостоверны

Достоверность генетического теста напрямую зависит от того, что именно вы хотите узнать. С максимальной точностью, приближающейся к 100%, тесты отвечают на вопросы о родственных связях, например, установление отцовства, и о наличии конкретных наследственных мутаций, вызывающих тяжелые заболевания типа спинально-мышечной атрофии. Однако, когда речь заходит о предсказании рисков сложных заболеваний, таких как рак, болезни сердца, индивидуальной непереносимости продуктов или ваших спортивных талантах, точность резко падает.

«Во-первых, в среднем такие генетические тесты выявляют лишь около 11% людей, которые действительно заболеют. Большинство таких состояний зависят не от одного гена, а от тысяч мелких вариаций, каждая из которых все равно вносит ничтожный вклад по сравнению с образом жизни и средой. Во-вторых, базы данных часто перекошены в сторону европейских популяций и не отражают реального генетического разнообразия. Так что эти тесты можно назвать скорее коммерческим развлечением, чем реальным методом диагностики рисков», – отвечает эксперт ПНИПУ.

Y-хромосома постепенно разрушается, но это не приведет к исчезновению мужчин

«Мужская Y-хромосома действительно постепенно утрачивает свои гены. За сотни миллионов лет эволюции она потеряла около 90% генов, которые у нее изначально были, и сейчас на ней их осталось всего около 50-60 – для сравнения: на X-хромосоме их примерно 1500. Причина в том, у женщин есть две X-хромосомы, которые могут обмениваться генетическим материалом и "чинить" друг друга. Это сохраняет и поддерживает их в первозданном виде. У мужчин же есть одна X и одна Y. Из-за того, что у Y-хромосомы нет пары, она остается один на один со своими накопленными мутациями и ошибками и происходит постепенная деградация», – рассказывает Валерий Литвинов.

Однако это совсем не значит, что мужчины исчезнут. «Во-первых, процесс идет очень медленно – по разным оценкам, у человечества есть еще от 5 до 11 миллионов лет. Во-вторых, природа уже показала, что существует "план Б". Есть некоторые виды грызунов, например, иглистые мыши, которые полностью потеряли Y-хромосому, но при этом у них до сих пор рождаются самцы и самки. У них функцию "включения" мужского пола взял на себя другой ген, находящийся в Х-хромосоме. Так что даже если она когда-нибудь исчезнет, мужской пол почти наверняка сохранится – просто механизм его определения переключится на другие гены», – считает ученый Пермского Политеха.

Депрессия и тревожность укорачивают хромосомы и ускоряют старение

На концах хромосом находятся теломеры – это защитные колпачки, состоящие из повторяющихся участков ДНК и специальных белков. С каждым делением клетки теломеры становятся чуть короче, из-за чего она стареет. Это естественный механизм, и в норме он проходит очень медленно, но есть факторы, которые ускоряют этот процесс.

«Когда человек испытывает длительный стресс, его организм вырабатывает гормоны кортизол и адреналин, а также повышается уровень активных форм кислорода – агрессивных молекул, повреждающих клетки. Из-за этого они начинают делиться чаще, чем нужно, чтобы восстанавливать нанесенный ущерб, а значит, теломеры изнашиваются быстрее. В итоге в клетках людей, долгое время живущих в состоянии тревоги или депрессии, хромосомы оказываются значительно короче, чем у их сверстников без стресса. Это связывают с более ранним старением, повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний и ухудшением иммунитета», – отмечает Валерий Литвинов.

Хорошая новость в том, что снижение уровня стресса, медитация, спорт, полноценный сон помогают замедлить потерю теломер, а иногда и частично восстанавливать их.

Наша ДНК меняется после обильного приема пищи

«Когда вы съели много сладкого или жирного, внутри ДНК специальные белки перемещаются к определенным генам, например, к гену инсулина, и прилипают к ним. Из-за этого форма ДНК слегка меняется – она расплетается или сгибается – и ген начинает активно работать, производя ферменты для расщепления жиров. Через несколько часов, когда пища переварилась, белки уходят, и ДНК возвращается в исходное состояние», – говорит эксперт ПНИПУ.

Разовый обильный обед не страшен, но, если переедать постоянно, некоторые белки могут задержаться на ДНК слишком надолго. В результате гены, отвечающие за чувствительность к инсулину или контроль аппетита, перестают нормально включаться и выключаться. Это уже не временное изменение – оно может закрепиться и привести к диабету или ожирению.

ДНК-компьютер поможет диагностировать и лечить рак

ДНК-компьютер – это устройство, которое использует молекулы ДНК в пробирках для хранения информации и выполнения вычислений вместо традиционных кремниевых чипов. В классическом компьютере данные закодированы в виде нулей и единиц (битов), а в ДНК-компьютере – в виде последовательности четырех элементов (А – аденин, Т – тимин, Г – гуанин, Ц – цитозин). После того как молекулы ДНК в пробирке провзаимодействовали и нашли решение, порядок, в который выстроились эти элементы считывают специальным прибором. И уже после этого полученную последовательность букв переводят в понятный человеку вид с помощью обычного компьютера. Главное преимущество в том, что вычисления происходят параллельно: одна пробирка с ДНК может выполнять миллиарды операций одновременно, потому что каждая молекула работает сама по себе. Это делает такие компьютеры невероятно эффективными для решения сложных задач, требующих колоссального объема данных, решать которые обычные устройства пока не умеют.

«В будущем они могут стать частью медицинских нанороботов. ДНК-компьютер, помещенный внутрь клетки с помощью наночастиц, введенных в кровоток, будет анализировать состояние организма, например, обнаруживать маркеры рака, и на месте решать, нужно ли выпускать лекарство в определенной зоне», – поделился Валерий Литвинов.