Сколько у нас генов?

Обнаружены участки генома, связанные с тяжелым течением Covid-19

Мария Азарова, Naked Science

На протяжении коронавирусной пандемии ученых преследует вопрос: почему одни люди, заболевшие Covid-19, вовсе не испытывают симптомов и почти незаметно переносят инфекцию, а другим требуется скорая медпомощь, вплоть до реанимации и ИВЛ? Исследователи предложили достаточно гипотез, выявив десятки факторов, ответственных за тяжелое течение болезни, среди которых – принадлежность к мужскому полу, наличие хронических заболеваний, лишний вес, пожилой возраст и так далее. Теперь подтвердились давние догадки: за уязвимость к SARS-CoV-2 отвечают еще и гены.

Сотрудники Института молекулярной медицины Финляндии при Хельсинкском университете, Массачусетского технологического института и Гарварда представили некоторые выводы стартовавшего прошлой весной масштабного проекта Covid-19 Host Genomics Initiative, изучающего геном человека в контексте пандемии коронавируса и объединившего свыше трех тысяч специалистов из 25 стран. Предварительные результаты опубликованы в журнале Nature (Mapping the human genetic architecture of COVID-19).

Ученые проанализировали генетический материал 49 562 жителей 19 разных государств с подтвержденным Covid-19 и двух миллионов здоровых людей, данные о которых брали из многочисленных биобанков, клинических исследований и от генетических компаний, таких как 23andMe. Целью было определить, какие фрагменты ДНК человека коррелируют с тяжелой формой коронавирусной инфекции.

В итоге удалось выявить 13 значимых для всего генома локусов – местоположений определенного гена на спирали ДНК, – которые связаны с инфекцией или тяжелыми проявлениями COVID-19. Некоторые из них соответствуют легочным или аутоиммунным и воспалительным заболеваниям, для которых ученые ранее показали связь с Covid-19. Из 13 локусов два чаще встречались среди пациентов восточноазиатского или южноазиатского происхождения, нежели среди населения Европы.

Исследователи обращают внимание на локус гена FOXP4, вариации которого связаны как с раком легких, так и с тяжелой формой Covid-19. Следовательно, его ингибирование может быть частью лечения

Варианты генов ABO, SLC6A20, TYK2 и DPP9 тоже коррелировали с течением инфекции. Другие гены, по словам ученых, находятся на пока не исследованных локусах третьей и других хромосом, их роль еще не определили.

Конечно, не каждый идентифицированный локус отвечал за уязвимость к коронавирусу. Поэтому потребуется время, чтобы найти окончательное объяснение тому, как соотносятся вирус и ДНК человека. По мере поступления новой информации авторы проекта планируют обновлять результаты, а в итоге Covid-19 Host Genomics Initiative должно помочь определить цели для будущих методов лечения и продемонстрировать силу генетических исследований в изучении инфекционных заболеваний.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

Факторы, влияющие на старение человека

Скорость старения примерно на 20% зависит от генетики человека и более чем на 80% — от эпигенетических факторов (сон, питание, физическая активность, экология и т.д.). По сути, это совокупность механизмов, которые постепенно снижают функции органов и систем. Выделим основные.

• Окислительный (оксидативный) стресс. В процессе жизнедеятельности происходят различные метаболические реакции, и в результате “сгорания” энергии образуются свободные радикалы. Они окисляют ткани и являются одной из причин возникновения заболеваний, ассоциированных с возрастом. При стрессе, гипоксии, под воздействием радиации, а также при дефиците аминокислот и витаминов в организме накапливается избыточное количество свободных радикалов.

• Ухудшение качества белков. С возрастом все более интенсивным становится процесс соединения белков с молекулами глюкозы — гликация. Это делает ткани организма менее эластичными и более жесткими, а питание клеток при этом замедляется. К тому же, с годами могут производиться белки ненормальной формы, которые быстро выходят из строя. А поскольку белки — главный строительный материал организма, снижение их качества заметно сказывается на здоровье.

• Снижение митохондриальной функции. Митохондрии “отвечают” за клеточное дыхание и синтез АТФ — главного источника энергии. Их работу можно сравнить с котлами, которые сжигают кислород и питательные вещества. А в результате образуется колоссальное количество свободных радикалов, которые нарушают связь между клеткой и митохондрией. Из-за окисления клетка вынуждена либо самоуничтожиться, либо происходит старение клеток, что мешает нормальной работе тканей.

• Ошибки репликации клеток и репарации ДНК. Факторы окружающей среды каждый день разрушительно воздействуют на ДНК. В ее восстановлении задействованы гены, от которых зависит продолжительность жизни человека. Так, “система исправления ошибок” уже встроена в наши клетки. Но если их накапливается чересчур много, это в конце концов приводит к дегенерации и гибели клеток.

• Нарушение метилирования. От этого важнейшего биохимического процесса зависит обмен веществ и детоксикация, а также то, насколько корректно происходит синтез ДНК и включатся ли “плохие” гены, запустив наследственные заболевания. Метилирование помогает организму избавляться от отравляющих его тяжелых металлов (ртути, свинца, мышьяка). Исследователи считают, что снижение метилирования напрямую связано со старением и дегенеративными заболеваниями.

• Истощение стволовых клеток. Стволовые клетки присутствуют в тканях нашего организма и обладают способностью делиться, давая жизнь новым клеткам. С возрастом их число сокращается. Отсюда замедление клеточного обновления и менее эффективная работа органов.

• Накопление токсинов. Помимо вредных веществ, попадающих в организм извне, в наших клетках накапливаются остатки метаболизма, препятствующие их нормальному функционированию. Один из виновников процессов дегенерации — липофусцин, белковый продукт распада. Клетки не могут переварить его до конца и долгое время его не удается “обезвредить”. Липофусцин откладывается в межклеточном пространстве, и со временем его становится все больше. Этот белок токсичен и замедляет усвоение питательных веществ, а также процессы детоксикации.

• Дефицит витаминов и микроэлементов. Их нехватка становится спусковым крючком для развития «возрастных» заболеваний. Но, к счастью, их можно скорректировать и, тем самым, починить механизмы, ломающиеся со временем.

История создания генофонда человека

Расшифровка генома человека не была бы успешной и её невозможно было бы осуществить в рамках отдельной страны и без общей координации ученых. Поэтому в 1996 году руководители проекта «геном человека» встретились на Бермудских островах, и решили, что данные о последовательности генома должны находиться в свободном открытом доступе.

Известное соглашение как «Бермудские принципы», было разработано, чтобы гарантировать, что информационные последовательности приведут как можно быстрее к достижениям в области здравоохранения и научных исследований.

Для того, чтобы координировать процесс, было также решено, что крупные центры секвенирования информируют организацию генома человека о каких-либо намерениях о последовательности расшифровки генома человека.

Декодирование первой хромосомы человека

В 1999 году Международная команда исследователей достигла важной вехи, когда они изучали в первый раз полный генетический код хромосом у человека. Хромосома содержит 33,5 миллиона «букв» или химических компонентов

В то время непрерывный участок ДНК не был расшифрована и собран. Однако, это была только первая глава расшифровки генетического кода человека — остальное было еще впереди.

Генофонд  определен

История расшифровки генома человека завершилась в 2003 году, когда проект был завершен. Международный научно-исследовательский проект может быть описан как величайшее путешествие когда-либо сделанное – хоть и вовнутрь человека.

Ученые добились высокого качества последовательность всего генома человека. В 2001 году проект «геном человека» был опубликован в ‘черновике’, который включал последовательности 90% всех трех миллиардов пар оснований.

После этого ученые проводили второй этап проекта – завершающий этап. В течение этого времени, исследователи заполнили пробелы и устранили особенности ДНК в неоднозначных местах, пока они не завершили 99% описания ДНК в окончательной форме. Длина молекулы ДНК составляет 340 нанометров.

Эта окончательная форма содержит 2,85 миллиарда нуклеотидов, с прогнозируемыми темпами погрешность всего в 1 случае из 100 000 виртуализированных баз. Неоднозначности включают относительно небольшое количество белок-кодирующих генов (между 20 000 и 25 000) и там были похожие структуры с теми же функциями, представленные в разных видах.

Если учесть, что меньше чем за 200 лет назад, первооткрыватели, такие как Чарльз Дарвин только начинают подозревать, что характеристики могут передаваться по наследству, это же уму непостижимо, что ученым удалось найти методы секвенирования ДНК.

Виды наследственных заболеваний

Наследственные заболевания разделяются на хромосомные, генные и митохондриальные.

Хромосомные заболевания

В настоящее время описано около 1000 форм хромосомных заболеваний. Хромосомные заболевания возникают в результате изменения числа или структуры хромосом. Они характеризуются общими признаками: маленькая масса и длина тела при рождении, отставание в умственном и физическом развитии, задержка и аномалии полового развития и прочее.

Хромосомные заболевания наследуются редко. И более чем в 95% случаев риск повторного рождения в семье ребенка с хромосомной патологией не превышает общепопуляционного уровня. Хромосомные заболевания с аномалиями числа хромосом включают: синдром Патау, синдром Эдвардса, синдром трисомии хромосомы 8. А хромосомные заболевания с аномалиями структуры хромосом — синдром Ди Джорджи, синдром Вольфа-Хиршхорна, синдром «кошачьего крика», синдром Альфи, синдром Орбели.

Моногенные заболевания

Моногенные заболевания возникают в результате повреждения ДНК на уровне гена. Количество моногенных заболеваний по некоторым оценкам достигает 5000.

Среди признаков моногенных болезней можно выделить: различные формы умственной отсталости, дефекты органов слуха, зрения, скелетные дисплазии, болезни нервной, эндокринной, иммунной и других систем. К числу наиболее известных моногенных болезней относятся муковисцидоз, гемофилия А и В, болезнь Гоше, миодистрофия Дюшенна/Беккера, спинальная мышечная атрофия, дальтонизм.

Выявить тяжелые моногенные заболевания можно с помощью пренатальной диагностики, а также, определив наличие мутаций у родителей с помощью генетического теста.

Интереснее всего мне было узнать об особенностях метаболизма. Именно поэтому я выбрала Атлас: только тут есть достаточно объемный раздел на эту тему. Например, всю жизнь я борюсь с весом, мигренью, болями в шее и спине, анемией.

Митохондриальные заболевания

Митохондриальные заболевания обусловлены генетическими, структурными, биохимическими дефектами в функционировании митохондрий, которые приводят к нарушению тканевого дыхания.

Митохондрии содержат свою собственную ДНК. А болезни, вызванные мутациями в митохондриальной ДНК, наследуются исключительно по материнской линии. Если именно таким образом было унаследовано митохондриальное заболевание, существует 100% вероятность того, что каждый ребенок в семье его унаследует.

Симптомы могут включать в себя: нарушение роста, слабость мышц, аутизм, ментальные расстройства, проблемы с дыханием, слухом и зрением. Примеры митохондриальных заболеваний: синдром Лея, синдром Вольфа-Паркинсона-Уайта, наследственная оптическая нейропатия Лебера и другие.

Полигенные или мультифакториальные заболевания

Существуют также болезни с наследственной предрасположенностью, которые называют мультифакториальными или полигенными заболеваниями.

Мультифакториальные заболевания обусловлены наследственными факторами риска, и в значительной степени — неблагоприятным воздействием среды. К мультифакториальным заболеваниям относятся большинство хронических заболеваний, включая сердечно-сосудистые, эндокринные, иммунные, нервно-психические, онкологические и др. Например, бронхиальная астма, сахарный диабет, ревматоидный артрит, гипертоническая болезнь сердца и т.д.

Кто такие неандертальцы и чем они отличались

Неандертальцы, как и наши предки кроманьонцы, относились к роду людей. Они отделились примерно 700 тысяч лет назад и ушли осваивать территорию современной Европы, Западной и Южной Азии. Их останки находили также на Алтае.

Последние примерно 5 тысяч лет своего существования (40-35 тысяч лет назад) неандертальцы делили территорию с людьми, которые в то время только начинали расселение по Евразии.

Неандертальцы были невысокими, коренастыми и мускулистыми. Такое телосложение помогало лучше сохранять тепло. У них был вытянутый череп, большие губы и широкий нос. Если посмотреть на современные популяции, носы жителей северных стран уже, чем у жителей экваториальных. Антропологи утверждают, что у неандертальцев могла быть иная система теплорегуляции.

Мозг неандертальца был больше, чем у современного человека. Но нельзя сказать, что это давало преимущество. Умственные способности скорее зависят от устройства мозга, а не его размера. У людей, к примеру, крупнее мозжечок. Это зона мозга, которая связана с когнитивными способностями: мыслительными и языковыми, запоминанием информации и социальными навыками.

Однако в чем-то превосходство все-таки было. У неандертальцев больше места занимала затылочная доля и зрительная кора. Есть предположение, что видели они лучше современных людей.

Модификация людей одобрена законом

Официальное разрешение от вневедомственного органа Министерства здравоохранения Соединенного Королевства — HFEA (Human fertilisation and embryology authority) — на редактирование человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR/Cas9 в 2016 году получила исследовательская группа из Института Фрэнсиса Крика в Великобритании под руководством биолога Кэти Ниакан. В качестве объекта исследования будут использоваться лишние эмбрионы, которые получают при ЭКО, — те, что оказались не нужны семьям ввиду свершившегося успешного подсаживания других зародышей. Раньше такой материал просто утилизировали за ненадобностью.

Это первое разрешение на подобную деятельность в Великобритании, и ученых не ждет полная свобода действий. Эмбрионы могут быть использованы лишь для определенных целей, которые будут оценены экспертной комиссией (рис. 4). Применять можно семидневные эмбрионы. Срок жизни объектов исследования после начала эксперимента — 14 дней. После этого они должны быть утилизированы. Подсаживание их к суррогатной матери исключено. Пролонгировать беременность генномодифицированными эмбрионами запрещено .

Рисунок 4. Человеческому эмбриону вводят отредактированную ДНК в лондонской лаборатории Института Фрэнсиса Крика.

От познания к созиданию

Главная цель геномики — уже не медитативное составление описей генома вместе с секвенированием и анализом. Теперь человечество переходит к активной фазе: с помощью химического синтеза мы можем создавать жизнь. JCVI-syn3.0, например, — это универсальная платформа для изучения основных функций жизни клетки и для изучения работы всего генома. Хотя это радует не всех — как с экономически-политической, так и с этической точек зрения. Но не будем об этом: лучше продолжим следить за цепью интереснейших открытий, которые делают биологи из исследовательского института Крейга Вентера.

Почему неандертальцы вымерли

Когда кроманьонцы начали заселять Европу, у них не было тех эволюционных приспособлений для холодного климата, которые были у неандертальцев. Однако, почему один вид выжил и существует по сей день, а другой исчез — до сих пор загадка. Есть несколько основных предположений.

Расселение людейОдна теория предполагает, что неандертальцы могли не пережить конкуренции с нашими предками. Судя по останкам у них не было метательного оружия: во время охоты неандертальцы поджидали добычу и набрасывались на нее с копьями. Возможно, это связано со строением тела. Плечевой сустав неандертальца не был адаптирован к метанию предметов.

У ранних людей тело было менее тучным и более гибким. Это помогало бегать и кидать предметы на дальние расстояния. Физически у кроманьонцев было много преимуществ для выживания. К тому же их популяция была значительно больше.

ЗаболеванияВо время расселения по Евразии люди могли принести с собой болезни, к которым организм неандертальцев готов не был. Неандертальцы долго жили обособленно и, скорее всего, не сталкивались с теми патогенами, которые были распространены среди людей.

Снижение репродуктивной способностиНебольшое, но постоянное снижение фертильности среди неандертальцев могло привести их к полному исчезновению. Одна из возможных причин проблем с размножением — питание.

Для воспроизведения потомства в организме женщины должен быть определенный запас жира. В периоды голодания он расходуется, что затрудняет оплодотворение и вынашивание ребенка. У неандертальцев, скорее всего, были проблемы с питанием из-за изменений климата и конкуренции с людьми, что и привело в итоге к снижению фертильности и медленному вымиранию.

Низкое разнообразиеДругая возможная причина — низкое разнообразие генов среди неандертальцев. Ученые университета Макса Планки проанализировали останки двух представителей. Их разделяло 6 000 километров и 70 000 лет. Несмотря на это, геномы образцов содержали меньше отличий, чем геномы двух разных людей.

Генетическое разнообразие дает нам преимущество: если случится катастрофа или пандемия, то с большей вероятностью какая-то часть популяции выживет. А когда геном вида имеет минимальное отличие, то неблагоприятные условия или заболевания могут привести к полному его вымиранию.

Судя по всему, неандертальцы жили небольшими группами, где между собой вступали в сексуальные связи. Ранние люди скорее формировали большие племена, которые обменивались друг с другом идеями, технологиями и генами.

Есть еще множество других теорий вымирания неандертальцев. Скорее всего, неандертальцы растворились на фоне обширной популяции ранних людей, оставив небольшой генетический след — те самые 2–4%.

Экология генома: молекулярные паразиты и эндосимбионты

До 80-х — 90-х годов прошлого столетия тезис о том, что внутри человеческого генома могут находиться последовательности, собственно к человеку не имеющие никакого отношения, звучал бы дико. Однако сейчас мы сталкиваемся с тем, что геномы едва ли не всех эукариот кишат молекулярными паразитами! Известно, что подавляющее большинство вирусов могут встраивать свои ДНК в геном организма, который они заражают. При этом задача вируса очевидна — это размножение. Однако этой цели вирусы могут добиваться разными способами. С одной стороны, логично сразу же после встраивания начать синтезировать свои собственные белки, реплицировать свой генетический материал, а потом выходить из одной клетки организма и начинать заражать другие. В этой ситуации возникает небольшая проблема: клетка-хозяин погибает, а вслед за одной клеткой может погибнуть и весь организм, не дав возможности вирусу заразить другие организмы. Вступает в силу один из законов экологии: паразит, губящий своего хозяина, губит и себя самого. Поэтому возникает принципиально иная стратегия поведения молекулярных паразитов. После интеграции в геном многие вирусы начинают вести себя так, будто являются его неотъемлемой частью. Они не начинают активно копировать свой генетический материал, а остаются в сайте интеграции в виде так называемого провируса. Такой подход позволяет вирусам копировать информацию своего генома вместе с репликацией генома организма-хозяина, передаваясь по наследству потомкам этого хозяина. Британский генетик Джон Брукфилд () в своих обзорах последних лет обосновывает введенный недавно термин «экология генома» , рассматривая в том числе и геном человека, как среду обитания всевозможных эндогенных ретровирусов, транспозонов и коротких сателлитных последовательностей. Причем между организмом-хозяином и такими сожителями ведется борьба по всем законам экосистем: паразит стремится размножиться, причиняя минимум беспокойства хозяину, а хозяин стремится либо паразита нейтрализовать, либо заставить работать на себя. При этом случаи мутуалистических отношений (сожительства с обоюдной пользой) между чужеродными последовательностями и геномом не редки. Одним из красивых примеров такого симбиоза является участие белковых продуктов эндогенных ретровирусов человека в процессе образования ткани плаценты. К тому же, широко известно, что относительно безопасные «одомашненные» вирусы могут препятствовать проникновению в клетки агрессивных вирусов извне.

Разумеется, помимо пользы от мобильных генетических элементов можно вполне ожидать и проблем. В частности, они могут провоцировать хромосомные аберрации, вызывать своими перемещениями мутации и изменения в активности генов, приводить к дестабилизации структуры всего генома. Взаимодействие между МГЭ и хозяйским геномом могут приводить к самым разнообразным и любопытным последствиям: от возникновения наследственных заболеваний до провоцирования процессов видообразования и образования новых генов.

Так как это работает?

Есть множество способов редактировать гены, но настоящим прорывом в последние годы стал молекулярный инструмент Crispr-Cas9. Он использует особый участок бактериальной ДНК – CRISPR (буквально: короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) – чтобы найти специфическую область в генетическом коде организма, например, мутировавший ген. Эта область в дальнейшем отсекается с помощью фермента Cas9. В попытках восстановить повреждения клетка часто «отключает» этот ген. Этот способ очень полезен для работы с «вредоносными генами», но возможны и другие способы. Например, чтобы исправить дефектный ген, учёные могут разрезать мутировавшую ДНК и заменить здоровой цепочкой, которая доставляется вместе с молекулами Crispr-Cas9. Вместо Cas9 могут быть использованы другие ферменты, которые могут помочь редактировать ДНК более эффективно — например, Cpf1.

Напомните-ка, что такое гены?

Ген – это биологический шаблон, который организм использует для создания протеинов и ферментов, необходимых для построения и поддержания тканей и органов. Он представляет собой цепочку генетического кода, обозначаемого буквами G, C, T и A. У человека есть около 20 тысяч генов, сгруппированных в 23 пары хромосом, которые, в свою очередь, содержатся в ядре почти каждой клетки тела. Только около 1.5% нашего генетического кода, или генома, состоят из генов. Ещё 10% регулируют их, удостоверяясь, например, что гены включаются и выключаются в нужных клетках в нужное время. Остальная часть ДНК, судя по всему, бесполезна. «Бóльшая часть нашего генома не делает ничего, – говорит Джертон Лантер, генетик из Оксфордского Университета. – Это просто осколок эволюции».

Путь от цепочки к хромосоме

У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.

Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.

Состав ДНК

Если говорить о составе ДНК более подробно, то нуклеотиды – это базовый структурный элемент, кирпичики, из которых состоят обе цепи спирали. Нуклеотиды подразделяются на 4 разновидности: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И всего четыре этих нуклеотида осуществляют запись всей наследственной информации и составляют все известные гены.

Закручиваются в спираль обе цепочки генов тоже не просто так. Из всех четырех различных нуклеотидов находиться напротив друг друга в разных цепочках они могут только двумя парами: аденин-тимин и гуанин-цитозин. В науке эти пары называются комплементарными.

Между парными нуклеотидами возникает крепкая водородная связь. При этом связь аденином и тимином немного слабее, чем между гуанином и цитозином. Но закручиваются цепочки в спираль по иным причинам:

• Исследования показали, что скручивание помогает сократить длину цепочки генов в 5-6 раз. А во время суперспирализации (такое тоже бывает) длина цепочки может сократиться в целых 30 раз!

• Помимо того, что пара цепочек генов закручена в спираль, существует и суперспирализация. За это явление отвечают гистоновые белки, которые имеют форму катушек для ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нитка. Что не оставляет сомнений в том, что спиральность как таковая специально служит тому, чтобы более компактно упаковать наследственную информацию в клетку.

Вывод

Все данные будут подробно изложены в генетической карте человеческого организма. Претворение в жизнь такого сложного научного проекта дало не только колоссальные теоретические знания для фундаментальных наук, но и оказало невероятное влияние на само понимание наследственности. Это в свою очередь, не могло не отразиться на процессах предупреждения и лечения наследственных болезней.

Данные, полученные учеными, помогли ускорить другие молекулярные исследования и способствовать эффективному поиску генетической основы в заболеваниях, передающихся по наследству, и предрасположенности к ним. Результаты смогут повлиять на обнаружение соответствующих лекарств для профилактики множества заболеваний: атеросклероза, сердечной ишемии, болезней психического и онкологического характера.

Похожие записи:

Что такое код окпо, расшифрока и как его узнать Ооо на английском языке Всё о дистанционном образовании Как «накачать» свой мозг Фото для фейсбука на профиль: как загрузить себе новую аватарку? Как изменятся системы налогообложения в 2021 году для ип