Как работает геном

Изучив, что представляет геном, надо разобраться как он работает.
Рассмотрим сначала пример как геном определяет группу крови. Думаю, все видели вот такую картинку:

и многие знают, что это красные кровяные тельца - эритроциты. В крови эритроциты выполняют транспортную функцию. Переносят кислород и углекислый газ к и от  различных органов. На поверхности эритроцитов могут присутствовать молекулы - антигены, их обозначают обычно "A" и "B". Протеины (в этом случае они же ферменты они же энзимы просто разные названия) регулируют какой именно антиген находится на эритроцитах.
Отсутствие антигенов A и B на эритроцитах определяет первую группу крови. Наличие антигена A при отсутствии B определяет вторую группу крови. Если есть только B - третья группа крови, и если есть оба антигена A и B - у человека четвертая группа крови. В англоязычных источниках протеин, который регулирует какой антиген присутствует на поверхности эритроцитов и, как следствие, определяет группу крови называется ABO enzyme - я буду называть его ABO энзим, т.к. пока не нашел как принято называть этот протеин на русском.
Но причем тут геном? В случае с группой крови наш геном имеет что-то вроде рецепта, по которому организм готовит ABO энзим. Таким рецептом является последовательность нуклеотидов в участке генома. И мы плавно подошли к понятию гена. Ген это участок генома отвечающий за производство организмом чего-либо - в нашем случае протеина (ABO энзима). Можно провести аналогию, если ген это рецепт, то весь геном это книга рецептов, по которой организм готовит составляющие, определяющие наши особенности. Про гены говорят, что они являются кодирующими участками генома - кодируют протеины. В нашем геноме также есть некодирующие участки.
Ген, кодирующий ABO энзим, называется ABO. В разделе raw data 23andme вы можете детально посмотреть какими нуклеотидами представлен этот ген у вас. Вбиваем ABO в поле jump to a gene и жмем Go:

А как именно ДНК влияет на производство протеинов в организме?
В клетках нашего организма помимо ядер и митохондрий, о которых уже немного известно из предыдущего поста, содержится еще много различных составляющих. Из всех них нас сейчас будут интересовать рибосомы. Рибосомы выполняют в клетке функцию создания протеинов.

На картинке рибосомы указаны под номером 3 - небольшие кружочки. По номером 9 на картинке уже знакомые митохондрии, 2 - ядро клетки. Остальные составляющие нас тут не интересуют.

Теперь о том, как ДНК, находящееся в ядре, дает понять рибосомам какой протеин делать. ДНК хромосом никогда не покидает ядро клетки даже при делении. Чтобы передать информацию от ДНК к рибосомам используется промежуточная молекула - (рибонуклеиновая кислота) РНК, которую можно назвать младшей сестрой ДНК. Процесс переноса информации от ДНК к рибосомам происходит в результате следующих шагов:
1 В ядре создается копия интересующего клетку участка ДНК. Копия создается в виде РНК, которую мы рассмотрим подробнее позже.
2 Созданный участок РНК покидает ядро
3 Рибосомы по РНК создают протеины
Эти три процесса, вернее их последовательность (ДНК->РНК->Протеины), известны как центральная догма молекулярной биологии. Схематично процесс получения протеинов показан на картинке.

Возможно у вас появились вопросы, что-то стало не совсем понятно - не переживайте все прояснится далее, когда мы рассмотрим немного глубже РНК и гены.
В завершении поста отмечу, что участков ДНК, отвечающих за кодирование протеинов, в нашем геноме всего 1-2%. Удивлены?

О ДНК и геноме

Как известно из школьного курса биологии, наше тело состоит из клеток. Клетки отличаются по строению и функциям. Одна копия ДНК содержится в каждой клетке нашего организма в ядре в виде хромосом а также в митохондриях в виде кольца. Митохондрии находятся в клетке вне ядра. Человеческий геном это все ДНК, находящееся в одной клетке человека. Но сколько всего ДНК находится в одной клетке? Для начала надо разобраться в чем мерить ДНК. Говоря о геноме, количество ДНК оценивают либо по массе, либо по числу пар нуклеотидов. Причем единица измерения числа пар нуклеотидов это обычно Mb или Mbp - megabase равна миллиону пар нуклеотидов. В 23andme я также видел Gb - миллиард пар нуклеотидов. Всего в человеческом геноме больше 3 миллиардов пар нуклеотидов! То есть больше 3 000 000 000 пар! Точное количество ДНК в организме человека сказать сложно, т.к. наш геном это не статическая вещь, он незначительно меняется. Например на каждой хромосоме есть участки ДНК - теломеры, которые с возрастом уменьшаются.

Но что такое хромосомы? Хромосомы это длинные участки скрученной вокруг протеинов ДНК. Настолько длинные что если распрямить весь наш геном в одну линию, то линия будет длинной около метра! Скручено ДНК вокруг протеинов, называемых гистонами. Вообще, исследуя свое ДНК, вы часто будете сталкиваться с различными протеинами. Коды в ДНК это, в основном, ключ к тому какие надо делать в каком месте организма протеины.
А вот реальная картинка с электронного микроскопа, показывающая как ДНК скручено вокруг гистонов. Черными стрелками показаны гистоны, на которые навивается ДНК, белыми свободные от гистонов участки ДНК. В одном выступлении ted есть просто превосходная анимация, как ДНК скручено вокруг гистонов:

Если знаете английский посмотрите весь ролик, если не знаете, то где-то с 4:42 будет видео ДНК, которое далее будет завиваться вокруг объектов пурпурного цвета (гистонов), а дальше будет видно как вся эта структура образует хромосомы. Очень советую посмотреть картинки.

Участки скрученной вокруг гистонов ДНК также скручены. Вся эта скрученная скрученность и превращается в то, что мы называем хромосомами. В клетках здорового человека 46 хромосом. Нарушения, связанные с количеством хромосом приводят либо к неспособности организма к жизни либо к серьезным отклонениям, таким как, например, синдром Дауна, бесплодие, нарушение половых функций и другим.
Если расположить 46 хромосом в порядке убывания размера, то мы увидим, что почти у каждой хромосомы есть пара с совпадающим размером.  Вообще хромосомы удобно рассматривать именно парами. В каждой паре должны быть либо совпадающие  по размеру хромосомы либо половые хромосомы - о них дальше. Как нетрудно догадаться у здорового человека 23 пары хромосом, в каждой из которых одна хромосома от отца и одна от матери. Пара половых хромосом определяет пол человека. Такие хромосомы обозначают X или Y. От мамы мы можем получить только одну X хромосому, тогда как от папы либо одну X либо одну Y. Пара половых хромосом XX определяет женский пол их обладательницы, пара XY - мужской пол. Хромосомы в половой паре XX имеют одинаковый размер, тогда как в паре XY Y хромосома меньше X. Остальные 22 пары хромосом называются аутосомными хромосомами, и их принято обозначать номерами в порядке убывания размера от 1 до 22. Первая пара аутосомных хромосом самая большая, последняя 22я пара самая маленькая.

Полагаю, что наиболее знакомым для большинства читателей является изображение хромосом в виде фигуры, похожей на букву "X". Действительно каждая хромосома, если посмотреть на нее в микроскоп, будет похожа на что-то подобное.

В действительности, в каждой половинке такой фигуры "Х" будет одна копия одной и той же ДНК. Чтобы дальше на запутаться, следует уяснить, что на каждой из двух картинок выше в этом посте изображено 23 пары хромосом. На первой в каждой хромосоме одна копия ДНК, на второй (где хромосомы зеленые) каждая хромосома имеет по две копии одной и той же ДНК.
Немного о ДНК в митохондриях.
Митохондрии это составляющие клеток (по научному органеллы), которые отвечают за выработку энергии в клетках, а именно за производство молекулы АТФ. Считается, что когда-то митохондрии были отдельными одноклеточными бактериями, но в ходе эволюции они были захвачены другими одноклеточными организмами. Об этом свидетельствует тот факт, что у митохондрий имеется своя собственная ДНК, которой там всего лишь около 17 000 пар нуклеотидов. По сравнению с 3 миллиардами это конечно капля в море.
Хочу поскорей опубликовать этот пост и не перегружать его терминами. В конце просто интересная вещь, когда вы с помощью 23andme.com рассекретили свой геном, то
1 если вы мужчина, вы точно знаете, что ваша половая Y хромосома от отца, а половая X хромосома от матери. Следовательно, вы можете сделать какие-то выводы, например, генеалогического характера о своей ДНК.
2 если вы женщина, то все сложнее - в каждой паре аутосомных и половых хромосом нельзя определить какая от мамы какая от папы. Конечно можно сделать тест для мамы или для папы или для каких-то родственников по маминой или папиной стороны, чтобы найти какая хромосома от кого, но есть еще один способ определить какие-то особенности но только по материнской линии. Митохондриальная ДНК передается исключительно от матери. То есть любой человек, не зависимо от пола, имеет митохондриальную ДНК от своей матери. Если вы женщина и у вас нет Y хромосомы, не отчаивайтесь, вы можете найти информацию о происхождении матери по митохондриальной ДНК.

Этапы анализа 23andme

Результаты 23andme для моей мамы частично готовы. В этом посте поделюсь временем анализа слюны и вкратце расскажу что происходит на каких этапах анализа.
После покупки пробирки для сбора слюны на самом сайте 23andme вы попадаете на первую ступень из шести до достижения результатов. Зайдя в личный кабинет, вы увидите сообщение, что надо зарегистрировать пробирку:

Дальше, после получения и регистрации пробирки, начнется вторая ступень "образец в пути". Разумеется, время доставки образца зависит от места отправления. По моему опыту, после того как почта России в трекномере отправит образец на "экспорт" через 3-4 дня вы увидите образец на сортировке в Нью Йорке. Все посылки в США едут сначала в Нью Йорк. Несмотря на то, что Лос Анджелес - наша конечная точка находится на другом конце Америки от Нью Йорка, из последнего USPS доставит ее за 3-4 дня.

Когда посылка приедет в место назначения и USPS напишет, что посылка доставлена (Delivered), пройдет еще какое-то время, перед тем как вы перейдете на ступень 3. Это связано с тем, что по тому адресу, куда вы отправили посылку находится не лаборатория 23andme, а, пункт приема посылок. До самой лаборатории пробирка будет добираться от 1 дня до недели. Когда она туда приедет, и с нее считают штрих-код, вам придет e-mail о начале третьей ступени.

На третьей ступени происходит получение самой ДНК из отосланного материала. В вашей слюне 23andme сначала имеет дело разумеется не с самой ДНК, а с вашими клетками, из которых надо эту ДНК извлечь. Поэтому одной из рекомендаций перед и при сборе слюны в пробирку является массаж щек, в ходе которого клетки с внутренней стороны щек попадут в слюну. Процесс извлечения называется экстракция. Дальше, чтобы получить достаточное количество вашей ДНК, ее копируют (амплификация). Еще стадия 3 также включает визуальный осмотр слюны. Ступень 3 длится 3-4 дня. Иногда конечно дольше, но на форуме обычно такое время. После этого, наступает ступень 4 - анализ ДНК.

Во время анализа ДНК происходят следующие этапы: сперва ДНК наносят на чип, на котором находится множество различных участков, к которым ДНК может прицепиться. В зависимости от того что находится в определенном участке вашей ДНК, она присоединится к определенному участку. После присоединения, на чип светят определенным излучением и участки, к которым присоединилось именно ваше ДНК подсвечиваются и дают необходимую информацию. Это называется генотипирование. Конечно все описанные процессы значительно сложнее и включают кучу нюансов. После того, как результаты получены начинается их проверка, которая тоже проходит на четвертой ступени. Проверяют результаты во-первых насколько они полны. При анализе удается определить далеко не все интересующие части ДНК. 23andme проверяет, чтобы количество распознанных участков было не меньше 98% от всех анализируемых участков (это называется Call rate). Еще 23andme проверяет результаты на точность, это во-вторых. Как говориться на сайте 23andme среди прочего сопоставляется пол анализируемого человека, указанный в ходе регистрации пробирки, с полом определенным в ходе анализа, поэтому указывайте свой настоящий пол при регистрации - по нему будут сверять полученные данные! По данным с форума 23andme четвертая стадия идет 5-14 дней. Причем, бОльшая часть из этого времени это сам анализ ДНК. Проверка результатов занимает 1-2 дня. У некоторых на форуме проверка шла 10+ дней. Когда данные проверили, наступает пятая стадия - первые результаты.

После наступления этой стадии, можете быть спокойны, вы точно получите результаты исследования. Для некоторых людей из-за особенностей их ДНК а также из-за малого количества ДНК в их слюне 23andme иногда не может провести анализ. В этом случае 23andme либо вышлет дополнительную пробирку, либо вернет деньги. Не стоит бояться, таких людей очень мало. На пятой стадии будут доступны необработанные генетические данные, известные родственники (если есть). Например 23andme говорит, что по материнской линии я дальний родственник принца Филиппа, Наполеона, Луки Евангелиста и кого-то еще. Вам скажут процент неандертальцев в ваших генах. В будущих постах я напишу подробнее о результатах и их анализе.
Через 2-3 дня наступает шестая ступень.

На ней будут доступны данные о ДНК-родственниках и происхождении. По завершению всех стадий 23andme напишет: "Все результаты готовы, веселитесь, изучая свое ДНК". (all of your ancestry features are now available. Have fun exploring your genome!)

Прохождение генетического теста 23andme

Итак вы решили заказать генетический тест от 23andme.
Вкратце алгоритм такой
1 заказать набор (пробирка для сбора слюны) на свой домашний адрес
2 дождаться пробирку и плюнуть в нее по инструкции, предварительно вбив номер на пробирке на сайте 23andme, тем самым привязав ее к своему аккаунту
3 отправить пробирку обратно
Теперь более подробно по каждому шагу.
1 Первая неприятность: российское законодательство толи запрещает отправлять генетический материал почтой, толи не запрещает, толи хрен поймешь. Вроде и запрещает, но вроде слюна не подпадает под определение генетического материала. Вообщем надо скрупулезно читать законы, чтобы в этом разобраться, потом, ничего не найдя, со всеми ругаться. Один товарищ пробовал тут, но, видимо, наткнулся на противоречие в документах разных организаций, которые вроде это регулируют. Короче в России и, полагаю, Украине по этому вопросу никто ничего не знает, законы противоречат друг другу и концов не найти. Из-за этого 23andme не отправляет тестовые наборы в Россию, Украину, Казахстан и еще несколько стран. Но... есть способ это обойти. Сервис shipito предоставляет услугу по пересылке товара, купленного в США, практически куда угодно. Первым делом регистрируемся в shipito, где получаем виртуальный почтовый адрес в США на ваше или какое хотите имя. У shipito есть несколько складов по всей Америке и даже в Европе. Когда вы создаете аккаунт в shipito, получаете одну ячейку на таком складе. Ячейка имеет реальный зарубежный адрес.

Итак начало положено. Дальше идем на 23andme, где при заказе копируем ваш адрес в shipito. Платим 99 баксов за пробирку + около 10 долларов за пересылку. Потом, когда посылка приезжает в shipito, мы выбираем способ ее доставки на наш реальный адрес, платим денюшку и ждем ждем ждем. В shipito есть несколько тарифов по пересылке. Если хотите очень быстро и с крутой страховкой, выбирайте USPS Express Mail - за отправку одного набора таким способом сдерут 50-60 долларов. В России ее доставят к вам ems почтой. Выбирая какой-нибудь USPS Priority mail, которая незначительно дешевле, в ваше отделение придет обычная посылка. Вариант дешево и сердито - доставка boxbery - стоить за один набор будет около 35 долларов. Если в вашем городе есть отделение boxbery, то набор придет туда и вам позвонят, если нет, то из Москвы boxbery отправит набор ems почтой в ваш город. При отправке ems в boxbery вскроют набор, как было в моем случае. Мне пришел вскрытый набор - полагаю его вскрыли именно, когда отправляли из boxbery ems'ом в мой город. И вот проходит вечность (2-3 недели в зависимости от удаленности вашего города от Москвы) получаем набор.

2 Получив набор, не спешим в него плевать, сначала идем на 23andme, где регистрируем номер под штрих кодом нашей пробирки. Дальше плюем в пробирку согласно инструкции, а именно нельзя есть, пить, курить, жевать жвачку, чистить зубы - в общем нельзя ничего брать в рот как минимум за полчаса до сбора слюны.

Плюем в пробирку до отметки Fill to. Причем в пробирке должна быть именно жидкость слюны, а пузырьки не считаются. Надо собрать необходимое количество слюны за не более чем 30 минут, естественно, чем быстрее тем лучше, потом надо добавить к слюне буферную жидкость, входящую в набор. Буферная жидкость сохранит ДНК в слюне при различной температуре и на долгое время. У меня вся операция заняла меньше 10 минут. Пробирку кладем в специальный, входящий в набор пакетик с адсорбером или адсорбентом - поправьте - тряпочка или бумажка, которая будет впитывать возможный конденсат. Теперь хитрость: кладя пробирку в пакет заверните ее в эту тряпочку/бумажку адсорбер таким образом, чтобы не было видно, что в пробирке находится какая-то жидкость.
3 После всех операций идем на почту, говорим, что хотим отправить в США тестовый набор/пластмассовое изделие/салайва кит - все что угодно, только не упоминаем слюну. Отправляем все в коробке 23andme. Адрес куда отправлять есть на коробке. С нашей почты отправлять можно как ems - весьма дорого - около 1800 руб., так и простой почтой. Плюс EMS в прозрачном трекномере, который вы отследите как на сайте почты России так и на американской USPS. При отправке обычной почтой, например, трек моей посылки отслеживался только в России. Прилетев в США и пройдя сортировку, он до сих пор согласно трек-номеру не приехал в место назначения, однако 23andme уже прислали мне уведомление, что пробирка получена, хотя уже больше недели на usps об этом нет никаких данных.
Как заказать набор с картинками я написал на сайте: 22andxy.ru/order/
Дальше остается только ждать, когда пробирка приедет и ДНК расшифруют, но об этом уже в следующем посте...