Genoma DNS: uzbūve un funkcijas

Cilvēka kodola genomu veido aptuveni trīs miljardi bāzu pāru, sadalīti 22 autosomu pāros un divās dzimumhromosomās. Olbaltumvielas kodējošu gēnu tajā ir ap divdesmit tūkstošiem, un tie aizņem tikai nelielu daļu no kopējā garuma.

• Olbaltumvielas kodējošie gēni ar izteiktām un neizteiktām daļām jeb eksoniem un introniem.
• Gēni, kuru gala produkts ir pati RNS, piemēram, ribosomu un transporta RNS.
• Regulējošie posmi: promotori, pastiprinātāji un nomācēji, kas nosaka nolasīšanas intensitāti.
• Atkārtojumu apgabali, tostarp pārvietojamu elementu paliekas.
• Centromēras un telomēras, kas nodrošina hromosomas mehānisko stabilitāti.

Cilvēkam ir divi atsevišķi genomi ar pilnīgi atšķirīgu uzvedību. Atšķirības ir svarīgas praksē, jo tās nosaka, kā slimība tiek mantota un kā to meklē laboratorijā.

Pati DNS no kodola neiziet. Lai informāciju izmantotu, no vajadzīgā gēna tiek izgatavota pagaidu kopija informācijas RNS veidā, kas tiek apstrādāta un nogādāta citoplazmā pie ribosomām. Tur nukleotīdu secība tiek pārtulkota aminoskābju secībā.

1. Regulējošie proteīni atpazīst gēna promotoru un piesaista RNS polimerāzi.
2. Polimerāze pārraksta gēnu informācijas RNS molekulā.
3. Kodolā no jaunizveidotās RNS tiek izgriezti introni un savienoti eksoni.
4. Gatavā RNS iziet no kodola uz citoplazmu.
5. Ribosoma nolasa RNS pa trim nukleotīdiem un veido aminoskābju ķēdi.
6. Izveidotā ķēde salokās telpiskā formā un kļūst par darbspējīgu olbaltumvielu.

Pirms šūnas dalīšanās visam genomam jātiek nokopētam. Spirāle tiek atritināta, un uz katras atsevišķās ķēdes tiek uzbūvēta jauna papildinoša ķēde. Katra meitas šūna tādējādi saņem vienu veco un vienu jaunu ķēdi, un šāda kopēšana ir daudz precīzāka nekā pilnīgi jaunas molekulas veidošana.

Kopēšana nav nekļūdīga, bet blakus strādā vairākas labošanas sistēmas: polimerāze pati pārbauda tikko ievietoto nukleotīdu, bet īpaši fermenti izgriež nepareizi savienotas bāzes un aizvieto tās. Šūnā katru dienu notiek liels skaits DNS bojājumu no vielmaiņas starpproduktiem, ultravioletā starojuma un citiem cēloņiem, un tieši labošanas sistēmu darbs nosaka, cik daudz kļūdu paliek.

Ja labošanas gēni paši ir bojāti, kļūdas uzkrājas daudz ātrāk. Tas ir viens no galvenajiem ceļiem, pa kuriem veidojas ļaundabīgs audzējs, un arī pamats vairākām iedzimtām audzēju predispozīcijas sindromu formām.

Genoma teksts pamatā paliek nemainīgs, bet tā lietojums mainās nepārtraukti. Embrija attīstības gaitā uz DNS un histoniem tiek uzlikti ķīmiski apzīmējumi, kas noteiktus gēnus aizver un citus atver, un tieši tā no vienas apaugļotas olšūnas rodas simtiem dažādu šūnu tipu. Šo uzraksta slāni sauc par epiģenētisko regulāciju, un uzturs, stress un vide to var ietekmēt.

Ar gadiem hromosomu galos esošās telomēras katrā dalīšanās reizē saīsinās, un šūna pakāpeniski zaudē dalīšanās spēju. Vienlaikus audos uzkrājas somatiskas mutācijas, kas pastāv tikai atsevišķās šūnu līnijās un netiek nodotas pēcnācējiem. Dzimumšūnās izmaiņas notiek retāk, taču tieši tās ir tās, kas nonāk nākamajā paaudzē.

Izmaiņas var būt dažāda mēroga. Viena nukleotīda maiņa spēj izjaukt vienas olbaltumvielas darbu, kā tas notiek cistiskās fibrozes vai fenilketonūrijas gadījumā. Lielāki zudumi vai pievienojumi skar veselus gēnu blokus. Hromosomu līmeņa kļūdas, piemēram, papildu 21. hromosoma, maina veselu gēnu grupu devu.

Ne katra izmaiņa ir slimība. Liela daļa atšķirību starp cilvēkiem ir nekaitīgi varianti, un tieši tāpēc ģenētisko testu atbildēs bieži parādās formulējums par variantu ar nezināmu klīnisko nozīmi. Tā nav ne apstiprināta, ne izslēgta diagnoze, un šāds rezultāts vienmēr jāinterpretē speciālistam kopā ar klīnisko ainu.

Ar iedzimtām slimībām nodarbojas medicīnas ģenētiķis, bērnu gadījumā sadarbībā ar pediatru un attiecīgās jomas speciālistu, bet grūtniecības laikā ar ginekologu. Pie ģenētiķa ieteicams vērsties, ja ģimenē atkārtojas viena un tā pati slimība, ja bērnam ir vairākas attīstības īpatnības vienlaikus, ja ir bijuši vairāki spontāni grūtniecības pārtraukumi vai ja tuviem radiniekiem audzējs atklāts neparasti agrā vecumā.

Metodes izvēle ir atkarīga no tā, cik lielas izmaiņas tiek meklētas. Mazai punktveida izmaiņai un veselas hromosomas trūkumam nepieciešamas pilnīgi atšķirīgas tehnikas, tāpēc ģenētiķis izmeklējumu izvēlas pēc klīniskās aizdomas.

• Kariotipēšana parāda hromosomu skaitu un lielas struktūras izmaiņas.
• Hromosomu mikromatrica atklāj nelielus izkritumus un pavairojumus, ko mikroskopā nevar saskatīt.
• Mērķtiecīga sekvencēšana pārbauda konkrētu gēnu vai gēnu paneli.
• Eksoma vai visa genoma sekvencēšana izmanto, ja slimības cēlonis nav skaidrs.
• Brīvās augļa DNS tests mātes asinīs izmanto kā skrīningu grūtniecības laikā, tā rezultāts jāapstiprina ar citu izmeklējumu.

Biežākā jēdzienu sajaukšana ir starp gēnu un genomu: gēns ir viens teksta fragments ar noteiktu uzdevumu, bet genoms ir viss teksts kopā. Otra ir starp genotipu un fenotipu: genotips ir pieraksts, fenotips ir tas, kā cilvēks izskatās un funkcionē, un starp abiem stāv vide un nejaušība.

Trešā sajaukšana ir starp DNS un RNS. DNS satur dezoksiribozi un timīnu, ir divkārša un ilgstoši noturīga, bet RNS satur ribozi un uracilu, parasti ir vienkārša un daudz īslaicīgāka. Ceturtā, biežāk laboratorijas kontekstā, ir starp genoma DNS un no RNS iegūto kopiju DNS: pirmajā ir arī introni un regulējošie apgabali, otrajā tikai izteiktās daļas.

Ilgu laiku genoma daļu, kas nekodē olbaltumvielas, mēdza dēvēt par lieku. Mūsdienās ir skaidrs, ka liela šīs daļas daļa satur slēdžus, kas nosaka, cik daudz un kur attiecīgais gēns tiks nolasīts. Tieši tāpēc daudzas ar bieži sastopamām slimībām saistītās ģenētiskās atšķirības atrodas nevis gēnos, bet starp tiem.

Otra praktiskā nianse: DNS telpiskais izvietojums kodolā nav nejaušs. Regulējošais posms var atrasties tālu no gēna pa ķēdes garumu, bet telpā izliekties tam blakus un tikai tad sākt darboties. Tāpēc izmaiņa, kas atrodas tālu no gēna, dažkārt to ietekmē vairāk nekā izmaiņa pašā gēnā, un tikai secības nolasīšana vien ne vienmēr izskaidro, kāpēc cilvēkam ir slimība.