1. DNS atrašanās vieta un uzbūve. DNS analīzes

Gēni nosaka organisma pazīmju attīstību. Genoms ir organisma visu gēnu kopums - pilns hromosomu komplekts, kas raksturīgs konkrētajai dzīvo organismu sugai.

 

 

Hromosoma ir kodola struktūra, kas sastāv no DNS molekulas un ar to saistītām olbaltumvielām.  Tās vislabāk var saskatīt šūnu dalīšanās procesā- metafāzē.  Hromosomas nodod ģenētisko informāciju no mātšūnas meitšūnām un no vecākiem pēcnācējiem. Cilvēka somatiskajā šūnā ir 46 hromosomas, 23 mantotas no mātes, 23 – no tēva. 

 

DNS ir universāls dzīvības rādītājs, kas raksturīga visām zināmajām dzīvības formām. Eikariotu šūnām iedzimtības informācija DNS formā glabājās kodolā. Prokariotiem DNS atrodas citoplazmā un nav norobežota ar kodolapvalku no pārējām šūnas struktūrām. 

Pirmo reizi nukleīnskābi atklāja 1869.gadā, kad šveicietis Fridrihs Mišers (J.F. Miescher, 1844-1895) izdalīja kodolus no leikocītu šūnām, un atklāja, ka tajos ir kāda viela, kuras sastāvā ir daudz fosfora, un tā atšķiras no olbaltumvielām. 

 

 

1953.gadā Dž. Votsons (J. D. Watson, 1928-) un F. Kriks (F. H. C. Crick, 1916-2004)  konstatēja, ka DNS ir dubultspirāle, kas sastāv no divām nukleotīdu ķēdēm, kas savstarpēji regulāriem vijumiem savijušās ap kopēju asi un veido dubultspirāli. Nukleotīdu ķēde sastāv no nukleotīdiem. 

Nukleotīds ir DNS molekulas vienība, kurai ir trīs sastāvdaļas- slāpekļa bāze, ogļhidrāts (dezoksiriboze) un fosfātgrupa (fosforskābes atlikums). No nukleotīdu sastāva, daudzuma un izvietojuma secības virknē atkarīgs sugai raksturīgais DNS specifiskums. Nukleotīdu sastāvā mainīgā sastāvdaļa ir slāpekļa bāze. Tās ir: purīna bāzes - adenīna (A) vai guanīna (G), pirimidīna bāzes- citozīns (C) vai timīns (T). 

Zinātnieki parasti vienu nukleotīdu ķēdi sauc par „galveno kopiju”, bet otru – par „atbalsta kopiju.”  Savstarpēji tās atbilst pēc slāpekļa bāzes: A-T un C-G. 

Zināšanas par DNS uzbūvi dod iespēju tās izmantot dažādās zinātnēs un atrisināt problēmas. Viena no tādām plaši izmantotām iespējām ir DNS īpašību izmantošana cilvēku identificēšanā, jo katram indivīdam ir unikāla DNS. Šādu identisku molekulu komplektu satur katra mūsu organisma šūna. Tikai neliela daļa no DNS dažādiem cilvēkiem ir atšķirīga, un to izmanto salīdzināšanai. 

 

 

Eikariotu gēni sastāv no aktīvām un neaktīvām daļām. Gēna aktīvās daļas sauc par ekzoniem, un tās dod informāciju par olbaltumvielu sintēzi, bet neaktīvās sauc par introniem, tās informāciju olbaltumvielu sintēzei nedod. Tieši gēna intronu secība tiek izmantota DNS analīzes iegūšanai, jo  gēnu neaktīvajās daļās ir īpašas slāpekļa bāzu secības, kas atkārtojas tūkstošiem reižu. Katram cilvēkam šo slāpekļa bāzu secības izkārtojums ir unikāls, tāpat kā pirkstu nospiedumi, tāpēc bieži tiek runāts par DNS "pirkstu nospiedumiem".

 

 

Vienādas DNS analīzes ir tikai identiskajiem (vienolas) dvīņiem. Radniecīgiem cilvēkiem DNS analīzes ir līdzīgas, bērnos DNS komplektējas no abiem vecākiem. Šo īpašību izmanto, lai noteiktu bērna paternitāti (bērna tēva noskaidrošanu) un cilvēku radniecības noteikšanā, kā arī kriminālistikā. 

DNS analīzes izmanto ne tikai cilvēku identificēšanai, tās izmanto arī evolūcijas pētniecībā, lai noskaidrotu radniecību starp dzīvajiem organismiem. Izmantojot DNS paraugus no fosilijām, var noteikt šo organismu radniecību ar mūsdienās dzīvojošiem organismiem. Šī informācija var būt noderīga arī lauksaimniecībā, zinātnē un citās jomās. DNS analīzes var izmantot arī medicīnā, lai atklātu ģenētiskas mutācijas un identificētu slimību riskus, kā arī noteiktu iespēju nodot šo ģenētisko informāciju pēcnācējiem. 

Amniocentēze ir diagnostikas metode, kuru veic, sākot no grūtniecības 16.nedēļas, lai noteiktu hromosomālo pataloģiju, piemēram, Dauna sindroma, hemofilijas esamību, viena gēna mutācijas un citas retas ģenētiskās slimības. Šādu izmeklējumu nozīmē ārsts, ja grūtniecības skrīningā tiek uzrādīts augsts ģenētisko pataloģiju risks-- vairāk par 1:250, vai arī ir konstatēta kāda augļa pataloģija. Šajā procedūrā tiek paņemts augļūdeņa paraugs un tajā analizētas noteiktas hromosomas un to DNS. Tās var būt, piemēram, 21., 18., 13. un 23. hromosoma, kurās visbiežāk atrodas gēni, kas kodē iedzimtas slimības.

1970. gadā zinātnieki izpētot baktērijas atklāja noteiktus enzīmus, kas ļauj zinātniekiem izgriezt un kopēt DNS. Zinātnei un tehnoloģijām attīstoties 1985.gadā Aleks Džefrijs (A.J. Jeffreys, 1950-) pētot dažādas iedzimtas slimības, noskaidroja, ka starp dažādu cilvēku DNS pastāv atšķirības. Viņš konstatēja, ka šīs atšķirības var izmantot, lai identificētu konkrētu personu. Drīz vien šo metodi, ko viņš nosauca par "ģenētisko pirkstu nospiedumu noņemšanu", izmantoja slepkavības atrisināšanā, lai identificētu vainīgo starp diviem aizdomās turamajiem. 

DNS analīzēm var izmantot arī mitohondriālo DNS. Mūsdienās tiek izmantotas arī citas DNS metodes, lai noteiktu atšķirības starp īpatņiem, piemēram, polimerāzes ķēdes reakcija, kas balstās uz specifisku DNS fragmentu pavairošanu.

DNS analīzes veikšanas posmi redzami zemāk esošajā attēlā.

 

 

1. Izdala (ekstrahē) DNS no parauga. Par paraugu kalpo šūnas, kurās ir kodols, tās var būt asinis, matu folikuli, mutes gļotāda u.c.;

2. DNS pavedienus  apstrādā ar īpašu enzīmu- restriktāzi,  kas šķeļ molekulu vietās, kur atrodama noteikta nukleotīdu secība. Šādi iegūst dažāda garuma DNS fragmentus;
3. Šo sašķelto DNS paraugu uzpilina uz agarozes gela plates, kuru  ievieto elektroforēzē. Katru izmeklējamo DNS paraugu pilina savā joslā. Platei tiek pieslēgta elektriskā strāva. DNS ir negatīvi lādēta,tā pārvietojas uz pozitīvi lādētā pola pusi. 

DNS fragmentu pārvietošanās ātrums atkarīgs no to garuma- īsākie pārvietojās ātrāk un nonāk tālāk, garākie fragmenti pārvietojas lēnāk; 

4. Pēc stāvas padeves pārtraukšanas DNS fragmenti agarozes gelā atrodas dažādās vietās vienā vertikālā joslā atkarībā no to garuma. Iegūto rezultātu pārklāj ar "radiojūtīgu filmu";

5. Šo radiojūtīgo filmu apstrādā ar dažādām vielām, kas atrod noteiktus fragmentus, tai skaitā arī ar fluorescentu krāsvielu;

6. Pēc šīs apstrādes filmu apstrādā (attīsta);

7. Uz iegūtā attēla redz atrastos un iekrāsotos DNS fragmentus, šis izvietojums ir atšķirīgs dažādiem indivīdiem.

Salīdzinot DNS paraugu zīmējumus savā starpā, salīdzina uz vienas horizontālas līnijas atrodošos fragmentus, jo tie liecina par sakritību. Jo vairāk sakrīt šādi fragmenti, jo tuvāka radniecība, kā arī precīzāk noteikta atbilstība. 

 

 

Šajā gadījumā ir redzams, ka bērnam:

- ar māti ir 3 kopīgi fragmenti (bērna 2., 3., 6. fragments);

- ar iespējamo tēvu 1 ir kopīgi 2 fragmenti (bērna 3.,  4. fragments);

- ar iespējamo tēvu 2 ir kopīgi 2 fragmenti (bērna 1., 5. fragments)

- ar iespējamo tēvu 3 ir kopīgi 3 fragmenti (bērna 1., 4., 5. fragments).

Var secināt, ka bērna tēvs ir 3., jo viņam ar bērnu sakrīt vairāk DNS fragmenti nekā citiem iespējamajiem tēviem.