Náš svět obývají různé organismy: od mikroskopických, které jsou viditelné pouze pomocí výkonného mikroskopu, až po obrovské, vážící několik tun. Navzdory takové druhové rozmanitosti mají všechny organismy na Zemi velmi podobnou strukturu. Každá z nich se skládá z buněk a tato skutečnost spojuje všechny živé bytosti. Zároveň je nemožné potkat dva stejné organismy. Jedinou výjimkou jsou jednovaječná dvojčata. Čím je každý organismus žijící na naší planetě tak jedinečný?
V každé buňce je centrální orgán – to je jádro. Obsahuje určité hmotné jednotky – geny umístěné v chromozomech. Z chemického hlediska jsou geny deoxyribonukleová kyselina neboli DNA. Tato makromolekula s dvojitou šroubovicí je zodpovědná za dědičnost mnoha vlastností. Smyslem DNA je tedy přenos genetické informace z rodičů na potomky. Aby bylo možné odvodit tuto pravdu, učenci všechsvět po dvě století prováděl neuvěřitelné experimenty, předkládal odvážné hypotézy, selhal a zažil triumf velkých objevů. Díky práci skvělých výzkumníků a vědců nyní víme, co znamená DNA.
Koncem 19. století Mendel stanovil základní zákony přenosu vlastností v generacích. Začátek 20. století a Thomas Hunt Morgan odhalil lidstvu skutečnost, že dědičné znaky jsou přenášeny geny, které jsou umístěny na chromozomech ve zvláštní sekvenci. Vědci odhadovali jejich chemickou strukturu ve čtyřicátých letech dvacátého století. V polovině padesátých let byla odhalena dvojitá šroubovice molekuly DNA, princip komplementarity a replikace. Ve čtyřicátých letech minulého století vědci Boris Ephrussi, Edward Tatum a George Beadle vyslovili odvážnou hypotézu, že geny produkují proteiny, tedy uchovávají specifické informace o tom, jak syntetizovat konkrétní enzym pro určité reakce v buňce. Tato hypotéza byla potvrzena v pracích Nirenberga, který představil koncept genetického kódu a odvodil vzorec mezi proteiny a DNA.
Struktura DNA
V jádrech buněk všech živých organismů se nacházejí nukleové kyseliny, jejichž molekulová hmotnost je větší než molekulová hmotnost proteinů. Tyto molekuly jsou polymerní, jejich monomery jsou nukleotidy. Proteiny se skládají z 20 aminokyselin a 4 nukleotidů.
Existují dva typy nukleových kyselin: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Jejich struktura je podobná v tom, že obě látky obsahují nukleotid: dusíkatou bázi, zbytek kyseliny fosforečné auhlohydrát. Rozdíl je ale v tom, že DNA má deoxyribózu a RNA má ribózu. Dusíkaté báze jsou purin a pyrimidin. DNA obsahuje puriny adenin a guanin a pyrimidiny thymin a cytosin. RNA ve své struktuře zahrnuje stejné puriny a pyrimidin, cytosin a uracil. Spojením zbytku kyseliny fosforečné jednoho nukleotidu a sacharidu druhého vzniká polynukleotidová kostra, na kterou ulpívají dusíkaté báze. Může tedy vzniknout poměrně hodně různých sloučenin, které určují druhovou diverzitu.
Molekula DNA je dvojitá šroubovice dvou velkých polynukleotidových řetězců. Jsou spojeny purinem jednoho řetězce a pyrimidinem druhého. Tato spojení nejsou náhodná. Dodržují zákon komplementarity: vazby jsou schopny tvořit mezi sebou adenylový nukleotid s thymylovým a guanylový s cytosylovým, protože se vzájemně doplňují. Tento princip dává molekule DNA jedinečnou vlastnost sebereplikace. Speciální bílkoviny – enzymy – pohybují a ruší vodíkové vazby mezi dusíkatými bázemi obou řetězců. Výsledkem jsou dva volné nukleotidové řetězce, které jsou podle principu komplementarity doplněny volnými nukleotidy dostupnými v cytoplazmě a jádře buňky. To vede k vytvoření dvou řetězců DNA od jednoho rodiče.
Genetický kód a jeho tajemství
Výzkum DNA nám umožňuje porozumět individualitě každého organismu. To lze snadno vidět na příkladu tkáňové inkompatibility při transplantaci orgánů zdárce příjemci. „Cizí“orgán, například kůže dárce, je tělem příjemce vnímán jako nepřátelský. Tím se spustí řetězec imunitních reakcí, vytvoří se protilátky a orgán se nezakoření. Výjimkou v této situaci může být skutečnost, že dárce a příjemce jsou jednovaječná dvojčata. Tyto dva organismy pocházejí ze stejné buňky a mají stejný soubor dědičných faktorů. Během transplantace orgánu se v tomto případě protilátky netvoří a téměř vždy orgán zcela zakoření.
Definice DNA jako hlavního nositele genetické informace byla stanovena empiricky. Bakteriolog F. Griffiths provedl zajímavý experiment s pneumokoky. Aplikoval dávku patogenu myším. Vakcíny byly dvou typů: forma A s kapslí z polysacharidů a forma B bez kapsle, obě dědičné. První druh byl tepelně zničen, zatímco druhý nepředstavoval pro myši žádné nebezpečí. Jaké bylo bakteriologovo překvapení, když všechny myši zemřely na pneumokoky formy A. Pak se v hlavě vědce objevila rozumná otázka, jak se genetický materiál přenesl – přes protein, polysacharid nebo DNA? Téměř o dvacet let později se na tuto otázku podařilo odpovědět americkému vědci Oswaldu Theodoru Averymu. Uspořádal řadu experimentů exkluzivní povahy a zjistil, že po zničení proteinu a polysacharidu dědičnost pokračuje. Přenos dědičné informace byl dokončen až po destrukci struktury DNA. To vedlo k postulátu: molekula nesoucí dědičnou informaci je zodpovědná za přenos dědičné informace.
Struktura DNA odhalenaa genetický kód umožnil lidstvu udělat obrovský krok vpřed ve vývoji takových oblastí, jako je medicína, soudní lékařství, průmysl a zemědělství.
Analýza DNA při forenzním zkoumání
V současné době progresivní vedení záznamů o trestních a občanskoprávních procesech není úplné bez použití genetické analýzy. Zkoumání DNA se provádí v kriminalistice pro studium biologického materiálu. S pomocí této studie může forenzní odhalit stopy vetřelce nebo oběti na předmětech nebo tělech.
Genetická expertíza je založena na srovnávací analýze markerů v biologických vzorcích lidí, která nám poskytuje informace o přítomnosti či nepřítomnosti vztahu mezi nimi. Každý člověk má jedinečný „genetický pas“– to je jeho DNA, která uchovává kompletní informace.
Forenzní lékařské vyšetření používá vysoce přesnou metodu zvanou snímání otisků prstů. Byl vynalezen ve Spojeném království v roce 1984 a jedná se o studii vzorků biologických vzorků: slin, spermatu, vlasů, epitelu nebo tělesných tekutin s cílem identifikovat v nich stopy zločince. Forenzní zkoumání DNA je tedy navrženo tak, aby prošetřilo vinu nebo nevinu určité osoby v protiprávním jednání, aby objasnilo případy pochybného mateřství nebo otcovství.
V šedesátých letech minulého století zorganizovali němečtí specialisté společnost na podporu výzkumu genomu v soudní a právní sféře. Na počátku devadesátých let vytvořenzvláštní komise, která publikuje významné práce a objevy v této oblasti, je zákonodárcem norem v práci kriminalistického zkoumání. V roce 1991 dostala tato organizace název „Mezinárodní společnost forenzních genetiků“. Dnes ji tvoří více než tisíc zaměstnanců a 60 světových společností, které se zabývají výzkumem v oblasti soudního řízení: sérologie, molekulární genetika, matematika, biostatika. To přineslo jednotné vysoké standardy do světové forenzní praxe, které zlepšují odhalování trestných činů. Forenzní zkoumání DNA se provádí ve specializovaných laboratořích, které jsou součástí komplexu soudního a právního systému státu.
Problémy forenzní genomické analýzy
Hlavním úkolem soudních znalců je prozkoumat předložené vzorky a udělat DNA závěr, podle kterého je možné určit biologické "otisky" člověka nebo navázat pokrevní příbuzenství.
Vzorky DNA mohou být obsaženy v následujících biologických materiálech:
- pocení;
- kusy biologických tkání (kůže, nehty, svaly, kosti);
- tělní tekutiny (pot, krev, sperma, transcelulární tekutina atd.);
- vlasy (musí mít vlasové folikuly).
Pro forenzní lékařské vyšetření jsou specialistovi předloženy fyzické důkazy z místa činu obsahující genetický materiál a důkazy.
V současné době se v řadě progresivních zemí vytváří databáze kriminální DNA. To zlepšuje zveřejňovánítrestných činů i po promlčení. Molekula DNA může být uložena po mnoho staletí beze změny. Informace budou také velmi užitečné pro identifikaci osoby v případě hromadné smrti lidí.
Legislativní rámec a vyhlídky forenzní analýzy DNA
V Rusku byl v roce 2009 přijat zákon „o povinné fixaci genomu“. Tento postup se provádí u vězňů i u osob, jejichž totožnost nebyla zjištěna. Občané, kteří nejsou uvedeni v tomto seznamu, absolvují test dobrovolně. Co může dát takový genetický základ:
- snížit zvěrstva a snížit kriminalitu;
- se může stát hlavním důkazním faktem při řešení trestného činu;
- vyřešit problém dědictví v kontroverzních případech;
- prokázat pravdu ve věcech otcovství a mateřství.
Závěr DNA může také poskytnout zajímavé informace o osobnosti člověka: genetické predispozice k nemocem a závislostem a také sklony k páchání trestné činnosti. Úžasný fakt: vědci objevili určitý gen, který je zodpovědný za sklon člověka páchat zvěrstva.
Odborné znalosti DNA ve forenzní vědě pomohly vyřešit více než 15 000 zločinů po celém světě. Fascinující je především to, že kriminální případ je možné vyřešit jen o vlas nebo kousek zločincovy kůže. Vytvoření takové základny prorokuje velké vyhlídky nejen v soudní sféře, ale také v odvětvích, jako je medicína a farmacie. Výzkum DNA pomáhá vyrovnat se s nevyléčitelnými nemocemi, které jsou dědičné.
Postupprovádění analýzy DNA. Stanovení otcovství (mateřství)
V současné době existuje mnoho soukromých a veřejných akreditovaných laboratoří, kde lze provádět analýzu DNA. Toto vyšetření je založeno na porovnání fragmentů DNA (lokusů) ve dvou vzorcích: zamýšlený rodič a dítě. Logicky dítě dostává 50 % genů od svých rodičů. To vysvětluje podobnost s mámou a tátou. Porovnáme-li určitý úsek DNA dítěte s podobným úsekem DNA zamýšleného rodiče, pak budou stejné s pravděpodobností 50 %, to znamená, že se 6 z 12 lokusů bude shodovat. %. Pokud se shoduje pouze jeden z dvanácti lokusů, je tato pravděpodobnost minimalizována. Existuje mnoho akreditovaných laboratoří, kde lze testy DNA provádět soukromě.
Přesnost analýzy je ovlivněna povahou a počtem lokusů odebraných pro studii. Studie DNA prokázaly, že genetický materiál všech lidí na planetě odpovídá 99 %. Pokud vezmeme tyto podobné úseky DNA na analýzu, může se ukázat, že například australský domorodec a Angličanka budou naprosto totožné osobnosti. Pro přesnou studii se proto berou oblasti jedinečné pro každého jednotlivce. Čím více takových oblastí bude zkoumáno, tím vyšší je pravděpodobnost přesnosti analýzy. Například u nejdůkladnější a nejkvalitnější studie 16 STR závěrDNA bude získána s přesností 99,9999 % při potvrzení pravděpodobnosti mateřství / otcovství a 100 % při vyvrácení skutečnosti.
Navázání blízkého vztahu (babička, dědeček, neteř, synovec, teta, strýc)
Analýza DNA pro vztah se zásadně neliší od testu otcovství a mateřství. Rozdíl je v tom, že množství sdílené genetické informace bude poloviční než u testu otcovství a bude přibližně 25 %, pokud se 3 z 12 lokusů přesně shodují. Kromě toho je třeba také dodržet podmínku, že příbuzní, mezi nimiž je navázán příbuzenský vztah, patřili ke stejné linii (podle matky nebo otce). Je důležité, aby byl přepis analýzy DNA co nejspolehlivější.
Stanovení podobnosti DNA mezi sourozenci a nevlastními sourozenci
Sourozenci a bratři dostávají jednu sadu genů od svých rodičů, takže testování DNA odhalí 75–99 % stejných genů (v případě jednovaječných dvojčat - 100 %). Nevlastní sourozenci mohou mít pouze maximálně 50 % stejných genů a pouze ty, které jsou předávány mateřskou linií. Test DNA dokáže se 100% přesností ukázat, zda jsou sourozenci sourozenci nebo nevlastní bratři.
Test DNA pro dvojčata
Dvojčata jsou svou povahou biologického původu identická (homozygotní) nebo dizygotní (heterozygotní). Homozygotní dvojčata se vyvíjejí z jedné oplodněné buňky, jsou pouze jednoho pohlaví a jsou zcela identická v genotypu. Heterozygot se tvoří z různých oplodněnýchvejce, jsou různého pohlaví a mají malé rozdíly v DNA. Genetické testování dokáže se 100% přesností určit, zda jsou dvojčata monozygotní nebo heterozygotní.
Testování DNA chromozomu Y
Přenos Y-chromozomu probíhá z otce na syna. Pomocí tohoto typu analýzy je možné s vysokou přesností určit, zda jsou muži členy stejné rodiny a jak blízcí jsou příbuzní. Určení DNA chromozomu Y se často používá k vytvoření rodokmenu.
Analýza mitochondriální DNA
MtDNA se dědí po mateřské linii. Proto je tento typ vyšetření velmi informativní pro dohledání příbuzenství přes matčinu stranu. Vědci používají analýzu mtDNA ke kontrole evolučních a migračních procesů a také k identifikaci lidí. Struktura mtDNA je taková, že v ní lze rozlišit dvě hypervariabilní oblasti HRV1 a HRV2. Provedením výzkumu lokusu HRV1 a jeho porovnáním se standardní cambridgeskou sekvencí můžete získat závěr o DNA o tom, zda jsou studovaní lidé příbuzní, zda patří ke stejné etnické skupině, stejné národnosti, stejné mateřské linii.
Dešifrování genetické informace
Celkově má člověk asi sto tisíc genů. Jsou zakódovány do sekvence, která se skládá ze tří miliard písmen. Jak již bylo zmíněno dříve, DNA má strukturu dvojité šroubovice, která je propojena chemickou vazbou. Genetický kód se skládá z mnoha variací pěti nukleotidů, označených: A (adenin), C(cytosin), T (thymin), G (guanin) a U (uracil). Pořadí lokalizace nukleotidů v DNA určuje sekvenci aminokyselin v molekule proteinu.
Vědci objevili zvláštní fakt, že asi 90 % řetězce DNA je druh genetické strusky, která nenese důležité informace o lidském genomu. Zbývajících 10 % je rozděleno na vlastní geny a regulační oblasti.
Jsou chvíle, kdy zdvojení řetězce DNA (replikace) selže. Takové procesy vedou ke vzniku mutací. I minimální chyba jednoho nukleotidu může způsobit rozvoj dědičného onemocnění, které může být pro člověka smrtelné. Celkem vědci znají asi 4000 takových poruch. Nebezpečí onemocnění závisí na tom, kterou část řetězce DNA mutace zasáhne. Pokud se jedná o oblast genetické strusky, chyba může zůstat bez povšimnutí. To neovlivní normální provoz. Pokud dojde k selhání replikace v důležitém genetickém segmentu, pak taková chyba může člověka stát život. Výzkum DNA z této pozice pomůže genetikům najít způsob, jak zabránit genové mutaci a porazit dědičné choroby.
Tabulka genetického kódu DNA pomáhá genetickým vědcům sečíst úplné informace o lidském genomu.
| Aminokyselina | kodony mRNA |
|
Kyselina arginová Lysine Isoleucin Alanin Arginin Leucin Glycin Tryptofan Methionin Glutamin Valine Cystein Proline Kyselina asparagová Serine Histidin Asparagin Threonine Tyrosin |
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 screening během plánování a během těhotenství
Genetici doporučují, aby páry podstoupily genetický výzkum ve fázi plánování potomstva. V tomto případě se můžete předem dozvědět o možných změnách v těle, posoudit rizika vzniku dětí s patologiemi a určit přítomnost geneticky zděděných onemocnění. Praxe však ukazuje, že testy DNA žen se nejčastěji provádějí, když jsou těhotné. Za takových okolností budou také získány informace o pravděpodobnosti malformací u plodu.
Genetický screening je dobrovolný. Existuje ale řada důvodů, proč musí žena takovou studii podstoupit. Tyto hodnoty zahrnují:
- biologický věk nad 35 let;
- dědičné nemoci matek;
- historie potratů a mrtvě narozených dětíděti;
- přítomnost mutagenních faktorů během početí: radioaktivní a rentgenové záření, přítomnost alkoholu a drogové závislosti u rodičů;
- dříve narozené děti s vývojovými patologiemi;
- virová onemocnění přenášená těhotnou ženou (zejména zarděnky, toxoplazmóza a chřipka);
- ultrazvukové indikace.
Test krve na DNA s největší pravděpodobností určí predispozici nenarozeného dítěte k onemocněním srdce a krevních cév, kostí, plic, gastrointestinálního traktu a endokrinního systému. Tato studie také ukazuje riziko narození dítěte s Downovým a Edwardsovým syndromem. Zpráva DNA poskytne lékaři úplný obraz o stavu ženy a dítěte a umožní jim předepsat správnou nápravnou léčbu.
Metody genetického výzkumu během těhotenství
Tradiční výzkumné metody zahrnují ultrazvuk a biochemický krevní test, nepředstavují žádné nebezpečí pro ženu a plod. Jedná se o tzv. screening těhotných žen, prováděný ve dvou fázích. První se provádí v gestačním věku 12-14 týdnů a umožňuje identifikovat vážné poruchy plodu. Druhá fáze se provádí ve 20-24 týdnech a poskytuje informace o drobných patologiích, které se mohou u dítěte vyskytnout. Pokud existují důkazy nebo pochybnosti, lékaři mohou předepsat invazivní metody analýzy:
- Amniocentéza nebo odběr plodové vody pro výzkum. Speciální jehlou se provede punkce v děloze, odebere se potřebné množství plodové vodyanalýza. Tato manipulace se provádí pod ultrazvukovou kontrolou, aby nedošlo ke zranění.
- Chorionová biopsie – odběr vzorků placentárních buněk.
- Těhotným ženám, které prodělaly infekci, je předepsána placentogeneze. Jedná se o poměrně závažnou operaci a provádí se od dvacátého týdne těhotenství v celkové anestezii;
- Odběr a analýza pupečníkové krve neboli kordocentéza. Lze to provést až po 18. týdnu těhotenství
Z genetické analýzy je tedy možné zjistit, jaké bude vaše dítě, dlouho před jeho narozením.
Náklady na testování DNA
Prostý laik, který se s tímto postupem nesetká, po přečtení tohoto článku vyvstává rozumná otázka: „Kolik stojí vyšetření DNA?“. Stojí za zmínku, že cena tohoto postupu závisí na zvoleném profilu studie. Zde je přibližná cena testu DNA:
- otcovství (mateřství) – 23 000 rublů;
- úzký vztah – 39 000 rublů;
- bratranec – 41 000 rublů;
- zřízení sourozence/nevlastního bratra (sestra) – 36 000 rublů;
- test dvojčat – 21 000 rublů;
- pro Y-chromozom – 14 000 rublů;
- pro mtDNA – 15 000 rublů;
- konzultace o navazování příbuzenství: ústní - 700 rublů, písemné - 1400 rublů
V posledních letech učinili vědci mnoho skvělých objevů, které nově definují postuláty vědeckého světa. Výzkum DNA pokračuje. Vědce žene velká touha odhalit tajemství lidského genetického kódu. Mnoho již bylo objeveno a prozkoumáno, ale kolik neznámého je před námi! Pokrok za to nestojína místě a technologie DNA je pevně zakotvena v životě každého člověka. Další výzkum této záhadné a jedinečné struktury, která je opředena mnoha tajemstvími, odhalí lidstvu obrovské množství nových skutečností.
