14.Біоінформатика

Біоінформатика включає обробку даних , що міститься в послідовності ДНК. Розвиток комп'ютерних методів зберігання і пошуку такої інформації привів до розвитку таких напрямів інформатики, що знайшли й інше застосування, як ССА , машинне навчання і організація баз даних. Алгоритми типу ССА, які шукають певну послідовність «букв» у більшій послідовності букв, були розроблені для пошуку специфічних послідовностей нуклеотидів. В інших комп'ютерних застосуваннях, наприклад, текстових редакторах найпростіші алгоритми справляються з цим завданням, але прогляд послідовності ДНК належить до складних задач, тому що вони дуже великі й складаються всього з чотирьох букв. Схожа проблема виникає при порівнянні послідовностей із різних організмів, яке використовується у вивченні філогенетичних взаємин між цими організмами й функцій білків. Дані про послідовність цілих геномів, одним з найскладнішим з яких є геном людини, важко використовувати без опису, що вказує на положення генів і регуляторних послідовностей на кожній хромосомі. Ділянки ДНК, послідовності якої містять фрагменти, асоційовані з генами, що кодують білки або РНК, можуть бути знайдені за допомогою спеціальних алгоритмів, які дозволяють передбачити наявність продуктів експресії генів до їхнього виявлення в результаті експериментів.

ДНК вперше була використана в обчислювальній техніці для розв'язку «проблеми гамільтонового шляху» , окремого випадку NP-повної задачі. ДНК-комп'ютер має переваги над електронними комп'ютерами, оскільки теоретично вимагає менше енергії, займає менше місця і ефективніший завдяки можливості одночасних підрахунків. Інші задачі, наприклад, задача «абстрактних машин» , задача здійсненності бульових формул і варіант задачі комівояжера були проаналізовані за допомогою ДНК-комп'ютерів. Завдяки компактності ДНК вона теоретично може знайти застосування в криптографії, де може використовуватися для конструювання одноразових шифроблокнотів.

15. Історія і антропологія

Оскільки з часом в ДНК накопичуються мутації, які потім передаються у спадок, вона містить історичну інформацію, тож генетики можуть досліджувати еволюційну історію організмів (філогенетику).

Філогенетика — метод еволюційної біології. Якщо порівнюються послідовності ДНК усередині виду, еволюційні генетики можуть довідатися історію окремих популяцій. Ця інформація може бути корисною в різних областях науки, починаючи з екологічної генетики й закінчуючи  антропологією, наприклад, ДНК використовувалася для ідентифікації десяти втрачених колін ізраїльових. ДНК використовується для визначення батьківства і споріднених взаємин, наприклад, було доведено, що третій президент США Томас Джефферсон був батьком дитини рабині Салі Гемінгс. У Росії останки родини останнього царя Російської імперії Миколи II були також ідентифіковані за допомогою зразків ДНК, узятої у родичів, що живуть нині. Метод, що використовується в таких випадках, схожий на метод, який застосовують у криміналістиці.

Генетична генеалогія — набір генетичних методів, що використовуються для досліджень з генеалогії. Зазвичай генетична генеалогія використовує ДНК-тести спільно з традиційними генеалогічними методами дослідження. Успіх традиційних методів цілком залежить від збереження і існування документів (наприклад, переписних книг, літописів і т. д.). Кожна людина несе в собі свого роду «біологічний документ», який не може бути загублений, — це ДНК людини. Методи генетичної генеалогії дозволяють зокрема дістати доступ до тієї частини ДНК, яка передається незмінною від батька до сина по прямій чоловічій лінії, — Y-хромосомі.

ДНК-тест Y-хромосоми дозволяє, наприклад, двом чоловікам визначити чи розділяють вони загального предка по чоловічій лінії чи ні. ДНК-тест не просто допомога в генеалогічних дослідженнях — це сучасний інструмент, який генеалоги можуть використовувати для того, щоб встановити або спростувати споріднені зв'язки між декількома людьми.

В цьому тесті використовуються спеціальні ДНК-маркерів, нуклеотидна послідовність в яких повторюється безліч разів, — «короткі тандемні повтори». Ці повтори можна знайти і проаналізувати за допомогою таких методів як ПЛР або секвенування ДНК. Прикладом STR може бути така послідовність ДНК так:

…ЦTГT TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTA TЦTГЦЦ…

Можна відмітити, що TЦTA повторюється 9 разів, а оскільки цей STR-маркер називається DYS391 (DNA Y-chromosome Segment № 391) робиться запис: DYS391 = 9.

У цьому маркері число повторень може бути між 7 і 14. Y-хромосома унікальна в цьому відношенні, тому що не піддається кросинговеру з кожним новим поколінням. В результаті злиття яйцеклітини і сперматозоїда, дитина отримує гени, які будуть сумішшю генів батька і матері. Але Y-хромосома передається тільки від батька, таким чином число повторів в маркерах сина буде тим же самим, що і у його батька. Діаграма нижче показує шлях Y-хромосоми, яка подорожує вниз по всіх чоловічих лініях, таким чином генетичні кузени також розділять ту ж саму Y-хромосому.

Іноді число повторів збільшується або зменшується, зазвичай в одній з ліній. Таким чином, батько може мати DYS391 = 9, а його син DYS391 = 10. Це є прикладом мутації і трапляється, коли ДНК копіюється трохи неправильно. Варто відзначити, що це природне явище. Ці мутації дуже важливі, тому що учені знають частоту їх виникнення, і таким чином можна вирахувати приблизний час, коли жив найближчий спільний предок (MRCA).

Після перевірки і об'єднання результатів декілька STR з одного геному визначається гаплотип, який може бути представлений у вигляді послідовності числа кожного маркера. Тест з 21 маркера може бути схожий на дану таблицю:

	STR Маркери Y-ДНК
	19	385a	385b	388	389i	389ii	390	391	392	393	425	426
Your Haplotype	14	12	17	12	13	29	24	11	13	13	12	10

Маркери STR записані в заголовку, а сам гаплотип в елементах таблиці. Так, наприклад, для DYS19 написано 14 повторів. Гаплотип може дати інформацію про те, звідки відбулася ваша Y-хромосома, тобто прослідкувати важ шлях предків даної людини протягом 100 тисяч років. Наприклад, Атлантичний Модальний Гаплотип (AMГ) визначений тільки шістьма маркерами, і це найзагальніший гаплотип у Західній Європі.

19	388	390	391	392	393
14	12	24	11	13	13

У базі даних YHRD кожен може порівняти його гаплотип з іншими занесеними в неї зразками. Ця база даних містить велику кількість євразійських зразків, а зараз містить ще і зразки американців і жителів східної Азії, а також ескімосів. База даних YHDR використовує до одинадцяти маркерів. Окрім цього, Y base — корисний інструмент дослідника і дозволяє додати результати своїх тестів Y-хромосоми в базу даних.

Цікавий проект-база даних гаплотипів і генеалогічних даних — Sorenson Molecular Genealogy Foundation. Після заповнення в критеріях пошуку гаплотипу, програма покаже в результатах найближчі за збігами гаплотипи з прізвищами людей і покаже генеалогічне дерево, де буде показаний передбачуваний загальний предок і всі інші зразки, з якими збіглися результати маркерів. У цій базі даних зарегістровано більше 50000 гаплотипів.

Тестування Y-хромосоми найцікавіше, якщо порівнювати результати двох і більше чоловік спільно з результатами традиційних генеалогічних пошуків. Нижче описаний гіпотетичний випадок, де три генетичні кузени з одним прізвищем пройшли тест. У якийсь момент у минулому цієї сім'ї відбулася єдина мутація в Y-хромосомі. Ця мутація залишила слід в ДНК всіх чоловіків цієї сім'ї. При порівнянні їх гаплотіпов спостерігається наступне:

	Y-ДНК STR-маркери
	19	385a	385b	388	389i	389ii	390	391	392	393	425	426
Кузен 1	14	12	17	12	13	29	24	11	13	13	12	10
Кузен 2	14	12	17	12	13	29	24	11	13	13	12	10
Кузен 3	14	12	17	12	13	29	24	11	14	13	12	10

У цій таблиці більшість чисел збігаються, за винятком маркера поміченого сірим кольором. У учасника № 3 показана мутація в DYS392. Учасники № 1 і № 2, цифри яких повністю збігаються, дуже близькі родичі. Учасник № 3 теж є їх родичем, але дальшим.

Генетична генеалогія допомагає підтвердити результати традиційних архівних досліджень, показуючи що дві або більше людини з тим же прізвищем пов’язані спорідненістю, тобто мають загального предка. Оцінка часу життя їх гіпотетичного Спільного Предка зводиться до математики і статистики. Дослідження показують, що мутація в будь-якому маркері — окремий випадок, і відбувається приблизно кожні 500 поколінь (тобто раз в 10000 років). Якщо є точний збіг в 21 маркері, то середній час, що пройшов з тих пір, коли жив найближчий спільний предок (MRCA), тільки 8,3 поколінь. Якщо є хоч би одна єдина розбіжність (мутація), тоді час збільшується до 20,5 поколінь.

Скільки мутацій (невідповідностей) повинне бути присутнім в результатах тестів двох людей, щоб можна було виключити їх приналежність до одного клану? Велика кількість мутацій говорить про віддаленішу спорідненість або його відсутність. У випадку з 21 маркером 2 мутації між гаплотипами — це прикордонний результат, а 3 мутації зазвичай виключають взагалі достатньо близьку спорідненість між цими людьми (в межах тисячоліть).

Висновок:

ДНК служить матрицею для синтезу рибонуклеїнових кислот (РНК), визначаючи тим самим їх первинну структуру (транскрипція). Через посередництво інформаційної РНК (і-РНК) здійснюється трансляція - синтез специфічних білків, структура яких задана ДНК у вигляді певної нуклеотидної послідовності. Отже, якщо РНК переносить біологічну інформацію, «записану» в молекулах ДНК, на синтезовані молекули білків, то ДНК зберігає цю інформацію і передає її у спадок.Ця роль ДНК доводиться тим, що очищена ДНК одного штаму бактерій здатна передавати іншому штаму ознаки, характерні для штаму-донора, а також тим, що ДНК вірусу, що мешкав в прихованому стані в бактеріях одного штаму, здатна переносити ділянки ДНК цих бактерій на другий штам при зараженні його цим вірусом і відтворювати відповідні ознаки у штаму-реципієнта.  Спадкові задатки (гени) матеріально втілені в певній послідовності нуклеотидів в ділянках молекули ДНК і можуть передаватися від одного індивідуума іншому разом з цими ділянками.Спадкові зміни організмів (мутації) пов'язані зі зміною, випаданням або включенням азотистих основ у полінуклеотидних ланцюжка ДНК і можуть бути викликані фізичними або хімічними впливами. З'ясування будови молекул ДНК і їх зміна - шлях до отримання спадкових змін у тварин, рослин і мікроорганізмів, а також до виправлення спадкових дефектів.

Використаналітература:

1.Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. та ін Молекулярна біологія клітини в 3-х томах. - М.: Мир, 1994. 2. Докінз Р. Егоїстичний ген. - М.: Мир. 3. Історія біології з початку XX століття до наших днів. - М.: Наука, 1975.  4. Льюін Б. Гени. - М.: Мир, 1987. 5. Пташний М. Переключення генів. Регуляція генної активності і фаг лямбда. - М.:Мир, 1989. Всі форуми Книга «перемикання генів» М. Пташний 6. Уотсон Дж. Д. Подвійна спіраль: спогади про відкриття структури ДНК. - М.: Мир,1969.