Дурні питання

46 хромосом — це 46 молекул ДНК?

8 хв читання

Ланцюжок дурних питань №3 · Генетика, частина 2

У попередній статті ДНК була бібліотекою креслень. Клітина відкриває потрібну ділянку, створює РНК-копію й за нею будує білок. Для пояснення роботи клітини цього було достатньо, але сама бібліотека залишилася майже без фізичної форми.

ДНК, гени й хромосоми майже завжди згадують разом, але фізичний зв’язок між ними зазвичай залишається за кадром. Незрозуміло, чи це три різні речі, чи різні назви частин однієї конструкції.

Що таке хромосома? 46 хромосом — це буквально 46 скручених молекул ДНК?

Щоб відповісти, треба спочатку спуститися ще на один рівень і з’ясувати, що фізично називається ДНК.

ДНК як молекулярна блискавка

Найпростіше почати зі звичайної розстебнутої блискавки. Вона має дві довгі половини, а вздовж кожної стоїть ряд зубців. ДНК влаштована схоже, тільки всі її деталі — молекулярного розміру.

Одна половина ДНК є довгим ланцюгом із повторюваних блоків. Кожен блок містить цукор, фосфат і одну з чотирьох азотистих основ: аденін, тимін, гуанін або цитозин. Такий блок називають нуклеотидом.

Цукор і фосфат сусідніх нуклеотидів з’єднуються й утворюють довгий гнучкий каркас. Азотисті основи виступають із нього вбік, наче зубці блискавки:

каркас:  —цукор—фосфат—цукор—фосфат—цукор—
                     |              |              |
основи:              A              G              T

Один такий каркас із рядом основ і називають ниткою ДНК. Тобто «нитка» — не ще одна деталь, яку треба знайти всередині молекули. Це одна довга половина молекулярної блискавки.

Друга нитка має таку саму будову й лежить основами до першої. Але «зубці» з’єднуються лише певними парами: аденін із тиміном, а гуанін із цитозином.

A ↔ T
G ↔ C

Тому дві нитки сходяться, наче дві половини застебнутої блискавки. Їхні цукрово-фосфатні каркаси утворюють краї, а пари основ з’єднують ці краї посередині.

На відміну від пласкої блискавки на одязі, ця молекулярна конструкція поступово повертається навколо власної осі. Уся застебнута «блискавка» виходить закрученою. Така форма називається подвійною спіраллю: подвійною — бо є дві нитки, спіраллю — бо вони разом обвивають спільну вісь.

Отже, подвійна спіраль — не окрема оболонка навколо ДНК. Це форма самої ДНК: двох з’єднаних і закручених молекулярних ланцюгів.

Де в цій конструкції записана інформація

Звичайна блискавка має однакові зубці. У ДНК в кожній позиції може стояти одна з чотирьох основ — A, T, G або C. Саме їхній порядок уздовж нитки й утворює запис.

Це нагадує цифрову пам’ять. Комп’ютер розрізняє два фізичні стани й позначає їх 0 та 1; ДНК розрізняє чотири молекулярні варіанти й позначається літерами A, T, G і C. Клітина не виконує двійкових обчислень — спільний лише принцип: інформація існує як послідовність дискретних фізичних станів.

Правила з’єднання мають важливий наслідок: знаючи послідовність однієї нитки, можна відновити другу. Навпроти A мусить стояти T, а навпроти G — C. Тому, якщо дві половини тимчасово «розстебнути», кожна зберігає вказівку, як зібрати парну половину. Як клітина використовує це для копіювання ДНК, краще розібрати окремо.

Водночас клітина використовує обидві нитки. Це схоже на дуже довгу двосторонню книгу: один розділ може бути записаний на лицьовому боці, а інший далі — на зворотному й у протилежному напрямку. Тому для одного гена клітина читає одну нитку, а для іншого гена в іншому місці тієї самої молекули — другу.

Але зворотний бік цієї «книги» не можна надрукувати довільно. Кожен знак на другій нитці визначений знаком навпроти нього: A відповідає T, а G — C. Отже, обидві нитки можуть містити ділянки, які читає клітина, хоча вони не є двома незалежно написаними текстами.

Де в молекулі ДНК розташований ген

Може здаватися, що ген — це маленький предмет, прикріплений до ДНК. Насправді він зроблений із того самого матеріалу. Ген — це певна ділянка послідовності ДНК, яку клітина може використати для створення робочої молекули.

Якщо ДНК порівняти з текстом, ген є не окремою вкладкою, а одним із фрагментів цього тексту. Наприклад, певна ділянка містить інструкцію для створення однієї з частин гемоглобіну. Клітина, з якої формується еритроцит, створює РНК-копію цієї ділянки, а не всього спадкового запису.

довга молекула ДНК
→ потрібна ділянка запису — ген
→ РНК-копія цієї ділянки
→ білок

Окреме слово ген потрібне саме тому, що клітина працює з ДНК частинами. Різні ділянки містять різні інструкції, і в конкретний момент потрібні лише деякі з них.

Чому ДНК не складається лише з генів

Якби ДНК проєктували як чисту технічну документацію, гени можна було б записати один за одним, а все зайве видалити. Реальна молекула влаштована зовсім не так.

Лише близько півтора відсотка людського спадкового запису безпосередньо задає порядок частин у білках. Це не означає, що всі інші ділянки непотрібні. Частина допомагає керувати читанням генів, підтримувати будову хромосом та виконувати іншу роботу. Як саме клітина знаходить серед цього запису потрібний ген і дозволяє його читати, буде окремою темою.

Проте в ДНК справді багато того, що в акуратно спроєктованій документації виглядало б як сміття: фрагменти повторюються тисячі разів, залишаються поламані копії старих генів, сліди давніх вірусів і послідовності, для яких не видно корисної роботи.

Причина такого безладу вже знайома з попередньої статті. Еволюція не переписує архів начисто. Вона копіює наявний запис, випадково змінює його й відбирає організми, які все ще здатні жити та залишати нащадків. Якщо зайвий фрагмент не створює достатньої шкоди, немає редактора, який обов’язково його видалить.

Тому ген схожий не на розділ в ідеально впорядкованій інструкції, а на потрібний фрагмент у старому архіві. Навколо лежать службові позначки, повтори, залишки попередніх версій і шматки з невідомим призначенням. Слово «ген» виділяє ту частину, з якої клітина може отримати конкретний робочий продукт, але воно не перетворює решту ДНК на порожнє місце.

Досі ДНК виглядала як одна дуже довга молекулярна блискавка. Але весь людський генетичний запис не з’єднаний в одну безперервну молекулу. Саме тут і з’являється поняття хромосоми.

Що саме є хромосомою

У звичайній людській клітині, яка не готується до поділу, ядерна ДНК фізично розділена на 46 окремих молекул. Вони не з’єднані кінцями між собою. Кожна має власний початок, кінець, довжину та послідовність A, T, G і C.

Це 46 окремих молекулярних «блискавок», і на кожній записана своя частина генетичного тексту.

Кожна з цих молекул дуже довга й гнучка, тому клітина складає її за допомогою білків. Кілька молекул білка з’єднуються в маленьку округлу опору. ДНК лягає на її зовнішню поверхню й обгортає її майже двічі, наче нитка навколо котушки.

Потім коротка вільна ділянка тієї самої ДНК тягнеться до наступної білкової опори й обгортає її так само. Це повторюється багато разів уздовж однієї молекули: обгорнута ділянка, короткий вільний відрізок, знову обгорнута ділянка. Утворений ланцюжок далі складається у великі петлі.

Простими словами, хромосома — це одна компактно упакована молекула ДНК.

ділянка молекули ДНК = ген
 
ціла окрема молекула ДНК + білкове пакування = хромосома
 
усі ядерні молекули ДНК разом = ядерний геном клітини

Ген як ділянка ДНК та хромосома як ціла упакована молекула ДНК

Чому хромосоми мають номери

Наприклад, хромосома 1 і хромосома 2 — це дві різні молекули ДНК. Вони мають різну довжину, різну послідовність і містять різні набори генів.

Номери запровадили як назви для різних хромосом, які бачили під мікроскопом, і розташували приблизно від найбільшої до найменшої. Тому хромосома 1 — найбільша, але порядок вийшов не ідеальним: пізніше з’ясувалося, що хромосома 21 трохи менша за хромосому 22.

У звичайній клітині є дві хромосоми 1, дві хромосоми 2 і так далі. Дві хромосоми з однаковим номером — не ідентичні копії, але вони мають приблизно ту саму будову й містять переважно ті самі гени в тих самих місцях. Одна версія походить від матері, інша — від батька.

Так 46 окремих хромосом утворюють 23 пари. Перші 22 пари позначені числами, а остання пов’язана зі статевими хромосомами X і Y.

Що таке геном і що саме люди прочитали

Тепер слово геном можна прив’язати до фізичної картини. Ген — це окрема ділянка ДНК, хромосома — одна ціла упакована молекула ДНК, а геном — увесь генетичний запис, розподілений між усіма хромосомами.

Тому «прочитати геном людини» означало не пропустити одну гігантську молекулу крізь прилад і не прочитати буквально всі 46 молекул однієї людини. Завданням було створити еталонні послідовності для різних типів людських хромосом: 1–22, X і Y.

Цілу хромосому неможливо було прочитати одним безперервним рядком. Довгі молекули розділяли на безліч коротких фрагментів, а прилади визначали послідовність основ у кожному з них. Потім комп’ютери шукали перекриття й складали короткі уривки в довші:

ATGGC
  GGCAT
    CATTA
─────────
ATGGCATTA

Повтори в ДНК ускладнювали цю роботу. Якщо однаковий уривок трапляється в тисячах місць, за ним неможливо однозначно визначити, яке продовження правильне. Через це деякі ділянки людських хромосом вдалося зібрати значно пізніше за інші.

Цей процес називається секвенуванням. Його результат — не пояснення призначення кожної ділянки, а еталонні послідовності A, T, G і C, розкладені за хромосомами. Люди визначили текст геному, але не отримали разом із ним тлумачення всього тексту.

Залишається інше питання: навіщо клітині дві схожі, але не однакові версії більшості хромосом? Як одна приходить від матері, інша від батька і як із них утворюється новий набір?

Відповідь уже потребує перейти від будови ДНК до спадковості й утворення нового організму. Саме з цього почнеться наступна стаття.

Джерела й фактчек