Náš svet obývajú rôzne organizmy: od mikroskopických, ktoré sú viditeľné iba cez výkonný mikroskop, až po obrovské, vážiace niekoľko ton. Napriek takejto druhovej rozmanitosti majú všetky organizmy na Zemi veľmi podobnú štruktúru. Každá z nich pozostáva z buniek a táto skutočnosť spája všetky živé bytosti. Zároveň je nemožné stretnúť dva rovnaké organizmy. Jedinou výnimkou sú jednovaječné dvojčatá. Čím je každý organizmus žijúci na našej planéte taký jedinečný?
V každej bunke je centrálny orgán – toto je jadro. Obsahuje určité materiálne jednotky – gény umiestnené v chromozómoch. Z chemického hľadiska sú gény deoxyribonukleová kyselina alebo DNA. Táto makromolekula s dvojitou špirálou je zodpovedná za dedičnosť mnohých vlastností. Zmyslom DNA je teda prenos genetickej informácie z rodičov na potomkov. Aby bolo možné odvodiť túto pravdu, učenci zo všetkýchsvet po dve storočia robil neuveriteľné experimenty, predkladal odvážne hypotézy, zlyhal a zažil triumf veľkých objavov. Je to vďaka práci skvelých výskumníkov a vedcov, že teraz vieme, čo znamená DNA.
Koncom 19. storočia Mendel stanovil základné zákony prenosu vlastností z generácie na generáciu. Začiatok 20. storočia a Thomas Hunt Morgan odhalil ľudstvu skutočnosť, že dedičné znaky sú prenášané génmi, ktoré sú umiestnené na chromozómoch v špeciálnej sekvencii. Vedci odhadovali ich chemickú štruktúru v štyridsiatych rokoch dvadsiateho storočia. V polovici päťdesiatych rokov bola odhalená dvojitá špirála molekuly DNA, princíp komplementarity a replikácie. V štyridsiatych rokoch minulého storočia vedci Boris Ephrussi, Edward Tatum a George Beadle vyslovili odvážnu hypotézu, že gény produkujú proteíny, teda uchovávajú špecifické informácie o tom, ako syntetizovať špecifický enzým pre určité reakcie v bunke. Táto hypotéza bola potvrdená v prácach Nirenberga, ktorý zaviedol koncept genetického kódu a odvodil vzorec medzi proteínmi a DNA.
štruktúra DNA
V jadrách buniek všetkých živých organizmov sa nachádzajú nukleové kyseliny, ktorých molekulová hmotnosť je väčšia ako molekulová hmotnosť bielkovín. Tieto molekuly sú polymérne, ich monoméry sú nukleotidy. Proteíny sa skladajú z 20 aminokyselín a 4 nukleotidov.
Existujú dva typy nukleových kyselín: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Ich štruktúra je podobná v tom, že obe látky obsahujú nukleotid: dusíkatú bázu, zvyšok kyseliny fosforečnej asacharidov. Rozdiel je však v tom, že DNA má deoxyribózu a RNA má ribózu. Dusíkaté bázy sú purín a pyrimidín. DNA obsahuje puríny adenín a guanín a pyrimidíny tymín a cytozín. RNA zahŕňa vo svojej štruktúre rovnaké puríny a pyrimidín cytozín a uracil. Spojením zvyšku kyseliny fosforečnej jedného nukleotidu a uhľohydrátu druhého vzniká polynukleotidová kostra, ku ktorej priľnú dusíkaté bázy. Takto môže vzniknúť pomerne veľa rôznych zlúčenín, ktoré určujú druhovú diverzitu.
Molekula DNA je dvojitá špirála dvoch veľkých polynukleotidových reťazcov. Sú spojené purínom jedného reťazca a pyrimidínom druhého. Tieto spojenia nie sú náhodné. Riadia sa zákonom komplementarity: väzby sú schopné tvoriť medzi sebou adenylový nukleotid s tymylovým a guanylový s cytosylovým, pretože sa navzájom dopĺňajú. Tento princíp dáva molekule DNA jedinečnú vlastnosť sebareplikácie. Špeciálne bielkoviny – enzýmy – pohybujú a rušia vodíkové väzby medzi dusíkatými bázami oboch reťazcov. V dôsledku toho sa vytvoria dva voľné nukleotidové reťazce, ktoré sú podľa princípu komplementarity doplnené voľnými nukleotidmi dostupnými v cytoplazme a jadre bunky. To vedie k vytvoreniu dvoch reťazcov DNA od jedného rodiča.
Genetický kód a jeho tajomstvá
Výskum DNA nám umožňuje pochopiť individualitu každého organizmu. To možno ľahko vidieť na príklade tkanivovej inkompatibility pri transplantácii orgánov zdarcu príjemcovi. „Cudzí“orgán, napríklad koža darcu, je vnímaný telom príjemcu ako nepriateľský. Tým sa spustí reťazec imunitných reakcií, vytvoria sa protilátky a orgán sa nezakorení. Výnimkou v tejto situácii môže byť skutočnosť, že darcom a príjemcom sú jednovaječné dvojčatá. Tieto dva organizmy pochádzajú z rovnakej bunky a majú rovnaký súbor dedičných faktorov. Počas transplantácie orgánu sa v tomto prípade protilátky netvoria a takmer vždy sa orgán úplne zakorení.
Definícia DNA ako hlavného nosiča genetickej informácie bola stanovená empiricky. Bakteriológ F. Griffiths uskutočnil zaujímavý experiment s pneumokokmi. Injikoval dávku patogénu myšiam. Vakcíny boli dvoch typov: forma A s kapsulou z polysacharidov a forma B bez kapsuly, obe sú dedičné. Prvý druh bol tepelne zničený, zatiaľ čo druhý nepredstavoval žiadne nebezpečenstvo pre myši. Aké bolo prekvapenie bakteriológa, keď všetky myši zomreli na pneumokoky formy A. Potom sa v hlave vedca vynorila rozumná otázka, ako sa genetický materiál preniesol – cez proteín, polysacharid alebo DNA? Takmer o dvadsať rokov neskôr sa americkému vedcovi Oswaldovi Theodorovi Averymu podarilo odpovedať na túto otázku. Zaviedol sériu experimentov exkluzívnej povahy a zistil, že po zničení proteínu a polysacharidu dedičnosť pokračuje. Prenos dedičnej informácie bol ukončený až po zničení štruktúry DNA. To viedlo k postulátu: molekula nesúca dedičnú informáciu je zodpovedná za prenos dedičnej informácie.
Štruktúra DNA odhalenáa genetický kód umožnil ľudstvu urobiť obrovský krok vpred vo vývoji takých oblastí, ako je medicína, súdnictvo, priemysel a poľnohospodárstvo.
Analýza DNA pri forenznom skúmaní
V súčasnosti progresívne vedenie záznamov o trestných a občianskych procesoch nie je úplné bez použitia genetickej analýzy. Vyšetrenie DNA sa vykonáva v súdnom lekárstve na štúdium biologického materiálu. Pomocou tejto štúdie môže forenzná expertíza odhaliť stopy votrelca alebo obete na predmetoch alebo telách.
Genetická expertíza je založená na porovnávacej analýze markerov v biologických vzorkách ľudí, ktorá nám poskytuje informácie o prítomnosti alebo neprítomnosti vzťahu medzi nimi. Každý človek má jedinečný „genetický pas“– toto je jeho DNA, v ktorej sú uložené kompletné informácie.
Forenzné lekárske vyšetrenie používa vysoko presnú metódu nazývanú odtlačky prstov. Bol vynájdený v Spojenom kráľovstve v roku 1984 a ide o štúdium vzoriek biologických vzoriek: slín, semena, vlasov, epitelu alebo telesných tekutín s cieľom identifikovať v nich stopy zločinca. Forenzné skúmanie DNA je teda určené na vyšetrenie viny alebo neviny určitej osoby v nezákonných činoch, na objasnenie prípadov pochybného materstva alebo otcovstva.
V šesťdesiatych rokoch minulého storočia nemeckí špecialisti zorganizovali spoločnosť na podporu výskumu genómu v súdnej a právnej sfére. Začiatkom deväťdesiatych rokov vytvorenýosobitná komisia, ktorá zverejňuje významné práce a objavy v tejto oblasti, je zákonodarcom noriem v práci súdnoznaleckého skúmania. V roku 1991 dostala táto organizácia názov „Medzinárodná spoločnosť forenzných genetikov“. Dnes ju tvorí viac ako tisíc zamestnancov a 60 svetových spoločností, ktoré sa zaoberajú výskumom v oblasti súdneho konania: sérológia, molekulárna genetika, matematika, biostatika. To prinieslo do svetovej forenznej praxe jednotné vysoké štandardy, ktoré zlepšujú odhaľovanie trestných činov. Forenzné vyšetrenie DNA sa vykonáva v špecializovaných laboratóriách, ktoré sú súčasťou komplexu súdneho a právneho systému štátu.
Problémy forenznej genomickej analýzy
Hlavnou úlohou súdnych znalcov je preskúmať zaslané vzorky a urobiť DNA záver, podľa ktorého je možné určiť biologické „odtlačky“človeka alebo nadviazať pokrvný príbuzenský vzťah.
Vzorky DNA môžu obsahovať nasledujúce biologické materiály:
- značky potu;
- kúsky biologických tkanív (koža, nechty, svaly, kosti);
- telesné tekutiny (pot, krv, sperma, transcelulárna tekutina atď.);
- vlasy (musia mať vlasové folikuly).
Na forenznú lekársku prehliadku dostane špecialista fyzické dôkazy z miesta činu obsahujúce genetický materiál a dôkazy.
V súčasnosti sa v mnohých progresívnych krajinách vytvára databáza kriminálnej DNA. To zlepšuje zverejňovanietrestných činov aj po premlčacej dobe. Molekula DNA môže byť uložená na mnoho storočí bez zmeny. Informácie budú tiež veľmi užitočné pri identifikácii osoby v prípade hromadnej smrti ľudí.
Legislatívny rámec a vyhliadky forenznej analýzy DNA
V Rusku bol v roku 2009 prijatý zákon „o povinnej fixácii genómu“. Tento postup sa vykonáva pre väzňov, ako aj pre osoby, ktorých totožnosť nebola zistená. Občania, ktorí nie sú v tomto zozname, absolvujú test dobrovoľne. Čo môže dať takýto genetický základ:
- znížiť zverstvá a znížiť kriminalitu;
- sa môže stať hlavnou dôkaznou skutočnosťou pri objasňovaní trestného činu;
- vyriešiť problém dedenia v kontroverzných prípadoch;
- preukázať pravdu vo veciach otcovstva a materstva.
Záver DNA môže poskytnúť aj zaujímavé informácie o osobnosti človeka: genetickú predispozíciu k chorobám a závislostiam, ako aj sklony k páchaniu trestnej činnosti. Úžasný fakt: vedci objavili istý gén, ktorý je zodpovedný za sklon človeka páchať zverstvá.
Odborné znalosti DNA v oblasti forenznej vedy pomohli vyriešiť viac ako 15 000 zločinov na celom svete. Fascinujúce je najmä to, že kriminálny prípad je možné vyriešiť len vlasom či kúskom zločincovej kože. Vytvorenie takejto základne prorokuje veľké vyhliadky nielen v súdnej sfére, ale aj v takých odvetviach, ako je medicína a farmácia. Výskum DNA pomáha vyrovnať sa s nevyliečiteľnými chorobami, ktoré sú dedičné.
Postupvykonávanie analýzy DNA. Stanovenie otcovstva (materstvo)
V súčasnosti existuje mnoho súkromných a verejných akreditovaných laboratórií, kde je možné vykonať analýzu DNA. Toto vyšetrenie je založené na porovnaní fragmentov DNA (lokusov) v dvoch vzorkách: zamýšľaný rodič a dieťa. Logicky, dieťa dostáva 50 % génov od svojich rodičov. To vysvetľuje podobnosť s mamou a otcom. Ak porovnáme určitý úsek DNA dieťaťa s podobným úsekom DNA zamýšľaného rodiča, potom budú rovnaké s pravdepodobnosťou 50 %, to znamená, že z 12 lokusov sa bude zhodovať 6. %. Ak sa zhoduje iba jeden z dvanástich lokusov, táto pravdepodobnosť je minimalizovaná. Existuje mnoho akreditovaných laboratórií, kde je možné testovanie DNA vykonať súkromne.
Presnosť analýzy je ovplyvnená povahou a počtom lokusov použitých pre štúdiu. Štúdie DNA ukázali, že genetický materiál všetkých ľudí na planéte sa zhoduje na 99%. Ak vezmeme tieto podobné úseky DNA na analýzu, môže sa ukázať, že napríklad austrálsky domorodec a Angličanka budú absolútne identické osobnosti. Preto sa pre presnú štúdiu berú oblasti jedinečné pre každého jednotlivca. Čím viac takýchto oblastí bude predmetom výskumu, tým vyššia je pravdepodobnosť presnosti analýzy. Napríklad pri najdôkladnejšej a najkvalitnejšej štúdii 16 STR záverDNA bude získaná s presnosťou 99,9999 % pri potvrdení pravdepodobnosti materstva / otcovstva a 100 % pri vyvrátení skutočnosti.
Nadviazanie blízkeho vzťahu (stará mama, starý otec, neter, synovec, teta, strýko)
Analýza DNA pre vzťah sa zásadne nelíši od testu otcovstva a materstva. Rozdiel je v tom, že množstvo zdieľanej genetickej informácie bude polovičné v porovnaní s testom otcovstva a bude približne 25 %, ak sa 3 z 12 lokusov presne zhodujú. Okrem toho je potrebné dodržať aj podmienku, že príbuzní, medzi ktorými sa vytvorí príbuzenský vzťah, patrili do rovnakej línie (po matke alebo otcovi). Je dôležité, aby bol prepis analýzy DNA čo najspoľahlivejší.
Stanovenie podobnosti DNA medzi súrodencami a nevlastnými súrodencami
Súrodenci a bratia dostávajú jednu sadu génov od svojich rodičov, takže testovanie DNA odhalí 75 – 99 % rovnakých génov (v prípade identických dvojčiat - 100 %). Nevlastní súrodenci môžu mať maximálne 50 % rovnakých génov a iba tie, ktoré sa prenášajú cez materskú líniu. Test DNA dokáže so 100% presnosťou ukázať, či sú súrodenci súrodenci alebo nevlastní bratia.
Test DNA pre dvojčatá
Dvojčatá sú svojou povahou biologického pôvodu identické (homozygotné) alebo dizygotné (heterozygotné). Homozygotné dvojčatá sa vyvíjajú z jednej oplodnenej bunky, sú len jedného pohlavia a sú úplne identické v genotype. Heterozygot sa tvorí z rôznych oplodnenýchvajíčka, sú rôzneho pohlavia a majú malé rozdiely v DNA. Genetické testovanie dokáže so 100% presnosťou určiť, či sú dvojčatá monozygotné alebo heterozygotné.
Testovanie DNA chromozómu Y
Prenos Y-chromozómu prebieha z otca na syna. Pomocou tohto typu analýzy je možné s vysokou presnosťou určiť, či sú muži členmi jednej rodiny a nakoľko sú príbuzní. Určenie DNA chromozómu Y sa často používa na vytvorenie rodokmeňa.
Analýza mitochondriálnej DNA
MtDNA sa dedí po materskej línii. Preto je tento typ vyšetrenia veľmi informatívny na sledovanie príbuzenstva cez matkinu stranu. Vedci používajú analýzu mtDNA na kontrolu evolučných a migračných procesov, ako aj na identifikáciu ľudí. Štruktúra mtDNA je taká, že v nej možno rozlíšiť dve hypervariabilné oblasti HRV1 a HRV2. Vykonaním výskumu lokusu HRV1 a jeho porovnaním so štandardnou Cambridge Sequence môžete získať záver o DNA o tom, či sú skúmaní ľudia príbuzní, či patria k rovnakej etnickej skupine, rovnakej národnosti, rovnakej materskej línii.
Dešifrovanie genetickej informácie
Celkovo má človek asi stotisíc génov. Sú zakódované do sekvencie, ktorá pozostáva z troch miliárd písmen. Ako už bolo spomenuté, DNA má štruktúru dvojitej špirály, ktorá je prepojená chemickou väzbou. Genetický kód pozostáva z mnohých variácií piatich nukleotidov, označených: A (adenín), C(cytozín), T (tymín), G (guanín) a U (uracil). Poradie lokalizácie nukleotidov v DNA určuje sekvenciu aminokyselín v molekule proteínu.
Vedci zistili zvláštny fakt, že asi 90 % reťazca DNA je druh genetickej trosky, ktorá nenesie dôležité informácie o ľudskom genóme. Zvyšných 10 % je rozdelených na svoje vlastné gény a regulačné oblasti.
Sú chvíle, keď zdvojenie reťazca DNA (replikácia) zlyhá. Takéto procesy vedú k objaveniu sa mutácií. Aj minimálna chyba jedného nukleotidu môže spôsobiť rozvoj dedičného ochorenia, ktoré môže byť pre človeka smrteľné. Celkovo vedci poznajú asi 4000 takýchto porúch. Nebezpečenstvo ochorenia závisí od toho, ktorú časť reťazca DNA mutácia zasiahne. Ak ide o oblasť genetickej trosky, chyba môže zostať nepovšimnutá. Toto neovplyvní normálnu prevádzku. Ak dôjde k zlyhaniu replikácie na dôležitom genetickom segmente, takáto chyba môže človeka stáť život. Výskum DNA z tejto pozície pomôže genetikom nájsť spôsob, ako zabrániť génovej mutácii a poraziť dedičné choroby.
Tabuľka genetického kódu DNA pomáha genetickým vedcom sčítať úplné informácie o ľudskom genóme.
| Aminokyselina | kodóny mRNA |
|
Kyselina arginová Lyzín Isoleucín Alanine Arginín Leucín Glycín Tryptofán Metionín Glutamín Valine Cysteín Proline Kyselina asparágová Serine Histidín Asparagín Treonín Tyrozín |
TsGU, TsGTS, TsGG, TsGA AAG, AAA CUG, UCA, AUU, AUA, UAC GCC, GCG, GCU, GCA AGG, AHA UUG, CUU, UUA, CUU CAG, CAA UGG AUG GAG, GAA GUTS, GUG, GUU, GUA UHC, UGU CC, CCG, CCU, CCA GAC, GAU UCC, UCG, UCU, UCA CAC, CAU AAC, AAU ACC, ACG, ACC, ACA UAV, UAU |
Genetický skríning počas plánovania a počas tehotenstva
Genetici odporúčajú, aby páry podstúpili genetický výskum vo fáze plánovania potomstva. V tomto prípade sa môžete vopred dozvedieť o možných zmenách v tele, posúdiť riziká vzniku detí s patológiami a určiť prítomnosť geneticky dedičných chorôb. Prax však ukazuje, že testy DNA žien sa najčastejšie vykonávajú, keď sú tehotné. Za takýchto okolností sa získajú aj informácie o pravdepodobnosti malformácií plodu.
Genetický skríning je dobrovoľný. Existuje však niekoľko dôvodov, prečo žena musí podstúpiť takúto štúdiu. Tieto hodnoty zahŕňajú:
- biologický vek nad 35 rokov;
- dedičné choroby matky;
- história potratov a mŕtvo narodených detídeti;
- prítomnosť mutagénnych faktorov počas počatia: rádioaktívne a röntgenové žiarenie, prítomnosť alkoholu a drogovej závislosti u rodičov;
- predtým narodené deti s vývojovými patológiami;
- vírusové ochorenia prenášané tehotnou ženou (najmä rubeola, toxoplazmóza a chrípka);
- ultrazvukové indikácie.
Krvný test na DNA s najväčšou pravdepodobnosťou určí predispozíciu nenarodeného dieťaťa k ochoreniam srdca a krvných ciev, kostí, pľúc, gastrointestinálneho traktu a endokrinného systému. Táto štúdia tiež ukazuje riziko mať dieťa s Downovým a Edwardsovým syndrómom. Správa DNA poskytne lekárovi úplný obraz o stave ženy a dieťaťa a umožní im predpísať správnu nápravnú liečbu.
Metódy genetického výskumu počas tehotenstva
Tradičné metódy výskumu zahŕňajú ultrazvuk a biochemický krvný test, nepredstavujú žiadne nebezpečenstvo pre ženu a plod. Ide o takzvaný skríning tehotných žien, ktorý sa vykonáva v dvoch etapách. Prvý sa vykonáva v gestačnom veku 12-14 týždňov a umožňuje vám identifikovať vážne poruchy plodu. Druhá fáza sa vykonáva v 20-24 týždňoch a poskytuje informácie o menších patológiách, ktoré sa môžu u dieťaťa vyskytnúť. Ak existujú dôkazy alebo pochybnosti, lekári môžu predpísať invazívne metódy analýzy:
- Amniocentéza alebo odber vzoriek plodovej vody na výskum. Špeciálnou ihlou sa urobí punkcia v maternici, odoberie sa potrebné množstvo plodovej vodyanalýza. Táto manipulácia sa vykonáva pod ultrazvukovou kontrolou, aby sa predišlo zraneniu.
- Chorionová biopsia – odber vzoriek placentárnych buniek.
- Tehotným ženám, ktoré mali infekciu, je predpísaná placentogenéza. Ide o pomerne vážnu operáciu a vykonáva sa od dvadsiateho týždňa tehotenstva v celkovej anestézii;
- Odber a analýza pupočníkovej krvi alebo kordocentéza. Dá sa to urobiť až po 18. týždni tehotenstva
Na základe genetickej analýzy je teda možné zistiť, aké bude vaše dieťa, dlho pred jeho narodením.
Náklady na testovanie DNA
Jednoduchému laikovi, ktorý sa s týmto zákrokom nestretne, po prečítaní tohto článku vyvstáva rozumná otázka: „Koľko stojí vyšetrenie DNA?“. Stojí za zmienku, že cena tohto postupu závisí od zvoleného profilu štúdie. Tu je približná cena testu DNA:
- otcovstvo (materstvo) – 23 000 rubľov;
- úzky vzťah – 39 000 rubľov;
- bratranec – 41 000 rubľov;
- založenie súrodenca/nevlastného brata (sestry) – 36 000 rubľov;
- test dvojčiat – 21 000 rubľov;
- pre Y-chromozóm – 14 000 rubľov;
- pre mtDNA – 15 000 rubľov;
- konzultácie o nadviazaní príbuzenstva: ústne - 700 rubľov, písomné - 1400 rubľov
V posledných rokoch vedci urobili veľa skvelých objavov, ktoré nanovo definujú postuláty vedeckého sveta. Výskum DNA pokračuje. Vedcov ženie veľká túžba objaviť tajomstvo ľudského genetického kódu. Veľa už bolo objavených a preskúmaných, ale koľko neznámeho je pred nami! Pokrok za to nestojína mieste a technológia DNA je pevne zakotvená v živote každého človeka. Ďalší výskum tejto záhadnej a jedinečnej štruktúry, ktorá je opradená mnohými tajomstvami, odhalí ľudstvu obrovské množstvo nových faktov.
