Специально для Вестника Российской Академии ДНК-генеалогии
ДНК-генеалогия — это весьма новая наука, которая базируется на современных достижениях биологии и генетики человека. Сама наука так бы и осталась на уровне теории и узко-специализированной практики, если бы ее данные не сопоставлялись с данными антропологии, лингвистики, истории, биохимии, биофизики и других наук, расширяясь в своем практическом применении и даже лидируя в некоторых направлениях, как в идентификации родства человека, так и в пересмотре возникновения народов древнего и современного миров. Потенциал ДНК-генеалогии настолько велик, что можно сказать смело: сегодня эта наука все еще находится в эмбрионном состоянии, и перспектива ее будущего колоссальна.
Несмотря на то, что ДНК-генеалогия обретает все большую популярность и в этой области появляются свои ведущие специалисты, у большинства людей эта наука вызывает сомнение, так как основана на сравнительном анализе данных, в достоверности которых можно сомневаться, если не вникать в суть ДНК-генеалогии, ее азы, что большинство людей не делает. А, собственно говоря, какая в мире наука не основана на сравнении и сопоставлении данных? Главное, что сопоставление и сравнение должно быть в диапазоне одинаковых категорий, чтобы потом не опровергать достоверность этих данных. Например, можно сравнить автомобиль с апельсином по категории веса. В крайнем случае, по категории окраски. Но получить информацию, которая будет иметь практическое значение, при таком сравнении — невозможно.
Обсуждая вопросы ДНК-генеалогии с людьми различного специального образования и разных профессий, изучая волокиту и скандалы вокруг ДНК-тестирования останков царской семьи, а также другие общеизвестные истории, связанные с определением родословных некоторых семейств, анализируя публикации как научные, так и популярные, я пришла к простому выводу: чем наука становится популярнее, тем она быстрее обрастает домыслами со стороны мало понимающих, и нападками — со стороны оппонентов, тоже часто не знающих сути вопроса, и таким способом обсуждаемый предмет — сокрывается, а научное направление дискредитируется в глазах общественности.
Разочарование возникает у людей, когда они определяют свои или чужие родословные на основании ДНК, а результат получается не тот, который они ожидали. Поэтому, многие в таких случаях начинают говорить о подделке данных, подлоге образцов ДНК, погрешностях тестирования, загрязнении материала, неточности самой науки, и что ДНК-генеалогия — это ерунда или вообще какая-то чертовщина, которой верить уж никак нельзя. Увы, непринятие некоторых данных ДНК-генеалогии приводит к возникновению споров и скандалов на довольно высоких уровнях общественности, с последующим втягиванием политических и религиозных деятелей. Самый крупный спор прошел в отношении ДНК-тестирования царских останков, которые исследовали еще в 1993 году, но волокита с принятием результатов этого и других многочисленных тестирований длится до сих пор.
Поэтому давайте вернемся к первоисточнику, а точнее — к фундаментальным кирпичикам ДНК-генеалогии, то есть с чего эта наука началась и на чем базируется. Чтобы раскрыть этот вопрос полноценно и на понятном всем языке, вспомним биологию, которую многие из нас изучали в старших классах средней школы.
Итак, что такое ДНК? ДНК — это дезоксирибонуклеиновая кислота, то есть органическое вещество, которое встречается только в живой природе, точнее природе организмов, начиная от вирусов и заканчивая человеком. Что-то вроде компьютерной программы, которая вводится с каждую клетку организма, но эта программа называется генетической, и она передается из поколения к поколению. ДНК состоит из повторяющихся блоков органических веществ, называющихся нуклеотидами. Фактически, химическая структура ДНК для ДНК-генеалогии не так важна, а важно повторение этих блоков, нуклеотидов в определенной последовательности, что позволяет определить основные характеристики при расчетах карты ДНК человека. Функциональное значение этих повторений для ДНК-генеалогии роли не играет. Гены — это группы нуклеотидов, несущие определенную целостную информацию, например, о строении определенного вида белка. Не все участки ДНК содержат гены, и роль этих участков до сих пор не изучена полностью. Опять же, понимание роли генов и их функции — это задача генетики, в том числе медицинской генетики. Таким образом, мы не станем акцентировать внимание на генах.
Где хранится ДНК в организме человека? Для этого нам нужно вспомнить, что клетка является первичной функциональной ячейкой нашего сложного организма. Практически, любая клетка содержит ДНК, если не в комплексе, то отрывками. И здесь мы подошли к важному понятию двух основных видов ДНК: ядерной и митохондриальной. Мы не будем также обращать внимание на фрагменты ДНК, которые свободно могут «плавать» во внутриклеточной жидкости, так как для ДНК-генеалогии они пока что интерес не представляют, и их значение не изучено достаточно полно.
Таким образом, мы подошли к строению клетки, которая состоит из оболочки, ядра (или ядер) и внутреннего содержимого — внутриклеточной жидкости, наполненной различными структурными единицами, в том числе органеллами (рибосомы, митохондрии). ДНК, которая хранится в ядре — это ядерная ДНК. А та, которая в митохондриях, а значит и в цитоплазме клетки — это митохондриальная ДНК.
Поговорим о ядерной ДНК. Где и как она хранится в ядре? Большая часть ДНК укомплектована в определенном строгом порядке в структуры, которые называются хромосомами. Детальное строение хромосом я упущу, но акцентирую ваше внимание на том, что у человека есть 23 пары хромосом, которые хоть и похожи по размерам, но не идентичны между собой, так как половина хромосом достается нам от отца, а другая половина — от матери. Какая хромосома досталась от бабушек и дедушек, от прабабушек и прадедушек? С помощью современных технологий определить это можно, однако это тестирование не имеет рационального практического значения и уж слишком дорогостоящее по технологии своей.
Набор из 23 пар хромосом называют кариотипом, и у каждого человека он индивидуален и уникален, но количество пар хромосом всегда постоянно, за исключением хромосомных заболеваний, когда идет повторение или отсутствие какой-то хромосомы (например, при некоторых видах синдрома Дауна, когда у человека имеется лишняя 21-я хромосома). Определение кариотипа важно в идентификации человека, а также для диагностики хромосомных заболеваний, установления отцовства или близкого родства.
Для ДНК-генеалогии кариотип практичного значения не имеет. Однако, обратим внимание на две хромосомы, которые называются половыми хромосомами, так как они определяют пол человека. Остальные 22 пары хромосом называют аутосомными, и обмен генетической информации между парами хромосом происходит постоянно из поколения в поколение. У женщины кариотип всегда 46ХХ, то есть — у нее есть две половые хромосомы Х, одну из которых она получила от матери, а другую — от отца. У мужчины кариотип 46ХУ, где Х-хромосома — всегда от матери, а У хромосома – всегда от отца.
Считается, что на возникновение различия между Х и У хромосомами ушло около 300 миллионов лет, и это различие стало настолько большим, что У-хромосома не может обмениваться генетической информацией с Х -хромосомой, кроме маленького участка, занимающего 5% длинны У-хромосомы. Но даже если такое происходит — особенно близко к району генов, отвечающих за половую принадлежность, природа позаботилась о подавлении чужеродной генной информации (материнской), чтобы не нарушить процесс развития мужского организма. Таким образом, 95% генетической информации У-хромосомы никогда не «загрязняется» генетической информацией другой половой хромосомы — материнской Х-хромосомы. У-хромосома содержит 0.38% всей хромосомной ДНК человека и имеет 86 генов (большинство участков У-хромосомы не являются генами). Интерес для ДНК-генеалогии представляет та часть У-хромосомы, которая не может обмениваться информацией с материнской ДНК Х-хромосомы, а значит — передается от поколения в поколение по мужской линии в почти неизменном виде. Почти — потому что периодически в этих участках ДНК могут возникать мутации (изменения) на уровне нуклеотида, и такие изменения называются единичным нуклеотидным полиморфизмом. Другой вид изменений, который интересен для ДНК-генеалогии — это короткие повторения нуклеотидов. Если такие изменения проходят на участках, несущих гены, то это может привести к возникновению наследственного заболевания. Но в случае ДНК-генеалогии изучаются участки, не несущие гены, поэтому опять же, наличие или отсутствие заболевания у потомства или дальних родственников значения не имеет.
Усвоим то, что У-хромосома всегда передается по мужской линии, то есть от деда — отцу, от отца — сыну, от сына — его сыну и т.д, но никогда не передается женщине. Таким образом, исследуя строение определенных участков У-хромосомы и обнаружение единичных изменений на этих участках, которые передаются из поколения в поколение, создается гаплотип человека (не путайте с кариотипом). Далее, гаплотип человека сравнивают с уже накопленной базой данных гаплотипов других людей, и таким образом определяют, к какой гаплогруппе принадлежит человек, то есть с кем у него нет различий по гаплотипу или эти различия минимальные. Можно найти близких и дальних родственников, сопоставляя архивные и исторические факты, расширяя и уточняя генеалогическое дерево. Можно также сравнить гаплотипы двух или более людей, и подтвердить или опровергнуть их родственную связь с точностью до 99.9%.
Для тестирования могут быть использованы, практически, любые клетки человека, содержащие ядро. Со смертью человека клетки разлагаются, ядра и хромосомы распадаются, и ядерная ДНК тоже распадается на фрагменты, а со временем может и полностью исчезнуть, что во многом зависит от условий хранения останков. Поэтому, определить фрагменты ДНК У-хромосомы у мужских останков умерших родственников удается не всегда. Однако, используя логарифмы сопоставления уже известных гаплотипов мужчин, возможно определить принадлежность мужчины к той или иной мужской гаплогруппе.
Ошибка в определении принадлежности мужчины к какому-то роду возникает чаще всего не из-за погрешности тестирования, и даже не со стороны ДНК-генеалогии, а в силу того, что биологическим отцом ребенка может быть совершенно другой человек, а не тот, который записан в его свидетельстве о рождении. Таким образом, человек может носить фамилию своего прадеда, который биологическим прадедом ему не является. Отсюда и различие в У-хромосоме, «корни» которой могут привести к совершенно другому роду.
Современная медицина начала широко использовать донорскую сперму и донорские клетки в лечении бесплодия семейных пар. Если для оплодотворения женской половой клетки использовали донорскую сперму (то есть, сперму не мужа, а постороннего человека), то ребенок-мальчик будет носить У-хромосому мужчины-донора, хотя по документам он будет числиться сыном мужа его матери.
Так как у женщин нет У-хромосомы, их отцовскую линию проследить труднее. Для этого нужно провести тестирование отца, если он жив, или родного брата женщины, или же родного брата отца, то есть дяди по отцовской линии.
Итак, с У-хромосомой разобрались. А теперь обратим внимание на митохондриальную ДНК (мтДНК). Важно понимать, что ядерная ДНК и митохондриальная ДНК — это две совершенно разные ДНК, как по происхождению, так и по функции, и по механизму передачи.
Теперь вернемся к строению клетки. Помимо ядра клетка содержит цитоплазму — внутриклеточную жидкость. Фактически, клетка — это шарик, наполненный жидкостью и ядром внутри (мы упускаем здесь группу клеток и организмов, которые не содержат ядра). Митохондрии — это внутриклеточные структуры с определенной автономной функцией. Их происхождение неизвестно, хотя ученые предполагают, что митохондрии — это определенные виды древних одноклеточных организмов (бактерий), которые потеряли свою специфичность и способность жить вне клетки. Для ДНК-генеалогии важно то, что митохондрии содержат ДНК, которую можно исследовать для определения материнской линии рода. Но почему именно митохондриальную ДНК?
Вспомним ту же биологию человека, а точнее процесс его зачатия. Кто-то скажет, что зачатие — это слияние мужской и женской половых клеток, и будет прав в том, то мы все без исключения начинаем свое существование с клеточного уровня. Слово «слияние» не совсем подходит в случае зачатия человека, хотя бы потому, что размеры мужской половой клетки (сперматозоида) и женской половой клетки (яйцеклетки) различны — это как сравнить велосипед с Боингом. Сперматозоид несет в себе генетическую отцовскую информацию, а так как он является инородным телом для женского организма, то в направлении яйцеклетки он должен двигаться чуть ли не на реактивных скоростях. Собственно говоря, природа позаботилась, чтобы внедрение сперматозоидов в женский организм было подобно массовой военной атаке — несколько десятков и сотен миллионов сперматозоидов попадает в женские половые органы. Миллионы их гибнет, создавая благоприятную биохимическую среду для остальных, и «вдохновляя» их на подвиги. И только одному счастливчику будет позволено «слиться» с яйцеклеткой. Продвижение сперматозоидов в женском теле очень быстрое: в течение 90 секунд после семяизвержения некоторые сперматозоиды уже находятся в полости матки. То есть, не успел моргнуть, а они уже у цели. Их форма и строение позволяют продвигаться быстро — головка и хвостик. В головке содержится ядро с хромосомами, включая одну из половых хромосом Х или У, а в верхней части хвостика — копии митохондрий матери мужчины. Однако при слиянии с яйцеклеткой, хвостик чаще всего отбрасывается, и в женскую половую клетку митохондрии мужчины не попадают или же попадают в очень незначительном количестве.
Почему яйцеклетка таких больших размеров? Потому что в ее цитоплазме хранится большое количество питательных веществ, необходимых для питания клеток будущего эмбриона,который становится плодом и рождается уже ребенком. Митохондрии считаются энергетическими станциями клетки, однако только 3% ДНК внутри митохондрии участвует в синтезе «энергетических» веществ. Большая часть мтДНК отвечает за синтез специфических белков.
Таким образом, представим себе картину слияния маленького сперматозоида с огромной яйцеклеткой, которая, фактически, поглощает этот сперматозоид. Ее цитоплазма насыщена тысячами митохондрий и обрывками мтДНК. А дальше идет первое деление оплодотворенной яйцеклетки (точка, точка, огуречик — получился человечек). Получается, что первые клетки, как и все остальные потом, получают цитоплазму материнской яйцеклетки, где есть материнские митохондрии. Если зачали девочку, то у нее тут же внутриутробно формируются ее собственные яйцеклетки, которые будут содержать митохондрии, созданные по принципу копирования материнских митохондрий. И все клетки этой девочки будут иметь митохондрии — копии материнских. Если зачался мальчик, то все его клетки будут содержать материнскую мтДНК в митохондриях, однако половые клетки — те единственные клетки, которые потом попадут в другой женский организм, передать эти митохондрии новому поколению не смогут. Так получается, что по женской линии передача митохондриальной ДНК бесконечна, а по мужской ее нет.
Ученые, определив такую интересную и уникальную передачу митохондриальной ДНК, заинтересовались: а можно ли тогда определить родственную связь между поколениями по тому же принципу, что используется в исследовании определенных маркеров У-хромосомы? Оказывается, можно. Хотя мтДНК участвует во многих биохимических процессах и изменения в ней возникают чаще, чем в ядерной ДНК, но эти изменения не выходят за пределы митохондрии и не связаны со смешиванием генетической информации ДНК других митохондрий, а тем более, чужеродных, например отцовских, если такие каким-то образом попали в яйцеклетку. В медицине известен один случай, когда у мужчины в мышечной ткани нашли два вида разных мтДНК — материнскую и отцовскую (мужчина страдал заболеванием мышечной системы). Два вида, но не смесь двух в одном!
То, что мтДНК передается именно через цитоплазму яйцеклетки, подтверждается существованием детей, у которых наблюдается мозаицизм мтДНК, полученных от двух женщин. Сейчас в мире насчитывается более тридцати детей, которые получены методом «улучшения» цитоплазмы яйцеклетки их матери, цитоплазмой донорской яйцеклетки другой женщины, так как материнские клетки были плохого качества именно из-за нехватки внутриклеточной жидкости и митохондрий. Хотя генетически биологической матерью такого ребенка является женщина, давшая ему свои хромосомы (через ядро яйцеклетки) и выносившая этого ребенка, однако на момент зачатия в яйцеклетке этой женщины имелись чужеродные (донорские) митохондрии. Тестирование мтДНК показывает наличие у таких детей материнской и донорской мтДКН.
Дети, родившиеся у женщин, которым подсаживали чужеродный эмбрион, полученный из донорской яйцеклетки и/или донорской спермы, будут иметь мтДНК той женщины, которая была донором яйцеклетки.
Митохондриальная ДНК со смертью человека тоже разрушается, однако ее фрагменты сохраняются лучше, чем ядерная ДНК, поэтому при исследовании костных останков, сухой кожи, волос чаще всего ищут мтДНК.
Теперь, подведем итоги выше изложенного материала:
- Ядерная ДНК и митохондриальная ДНК являются совершенно разными видами ДНК и механизмы их передачи от поколения поколению различные.
- ДНК У-хромосомы является ядерной ДНК, а поэтому передается через половую У-хромосому, которая хранится в ядре сперматозоида вместе с другими хромосомами.
- Передача У-хромосомы возможна только по мужской линии.
- мтДНК является той частью ДНК, которая хранится в цитоплазме клеток, а точнее в митохондриях клеток, а не в хромосомах.
- мтДНК передается через женскую половую клетку — через ее внутриклеточное содержимое, но не ядро яйцеклетки.
- Передача мтДНК у людей возможна только по женской линии. С рождением мужчины эта передача прекращается.
- Кариотип — это набор хромосом человека. Гаплотип — это определенная упорядоченность определенных участков ДНК и специфических изменений в них. Кариотипирование используется в генетике, часто для определения хромосомных и генетических заболеваний. Гаплотипирование используется в ДНК-генеалогии для определения родства между людьми, а также в судебной медицине для идентификации людей.
При понимании различий между разными видами ДНК и механизмом их передачи от человека человеку, количество ошибок в интерпретации результатов ДНК-генеалогии и необоснованные нападки на неточность этой науки значительно уменьшатся.
Комментарии