ДНК профили

Преди няколко месеца в моя институт гостува cър Aлек Джефрис, който е открил и развил една от най-популярните техники за създаване на ДНК профили, известна като DNA fingerprinting (в превод нещо като ДНК отпечатък). Тогава ми хрумна да напиша една статия за ДНК експертизите, но си останах с хрумването до тези дни, в които все като отворя българска преса се натъквам на криминални новини. И така реших да най-после споделя как работят ДНК eкспертизите по този метод.

Както е известно, ДНК е дълга молекула, която съдържа генетичната информация: указанията за конструиране и функциониране на живите организми. Всяка молекула ДНК е пакетирана с различни протеини в хромозоми. При нас, Homo sapiens, генетичната информация е разпределена в 23 молекули ДНК, като всеки индивид притежава две копия – едното от майката, другото от бащата. Едно от двете копия от всяка двойка – на случаен принцип – човек предава на децата си, които получават другия комплект от другия родител, и т.н. Хромозомите изглеждат така:

През повечето стоят доста разплетени в ядрото на клетките, но малко преди делене се удвояват, пакетират плътно (тогава всяка хромозома е удвоена и двойката е свързана около средата, затова изглежда като буквата Х) и могат да се видят много хубаво с електронен микроскоп, а и дори с обикновен светлинен микроскоп (долу):

Изображението горе в ляво показва декондензирани хромозоми, а останалото - удвоени и пакетирани (c) Science photo library

Хромозоми

За да разберем същността на ДНК профилирането, трябва да надникнем в хромозомите по-детайлно:

Както се вижда от картинката, ДНК дълга верига от последователно свързани молекули (нуклеотиди), наречени А, Т, Г и Ц (аденин, тимин, цитозин и гуанин). Така както информацията в компютрите е кодирана чрез  1 и 0, подредбата на нуклеотидите А, Т, Г и Ц (секвенция) кодира генетичната информация. ДНК секвенцията и следователно генетичната информация се различава между видове, но е много сходна между индивидите от един вид. Например, ние хората имаме 99.9% сходно ДНК. На малкото останали различия се дължат индивидуалните ни особености. Именно тези  участъци от ДНК, по които се различаваме един от друг, могат да бъдат използвани за персонална идентификация. И не само – тъй като нашето ДНК е наследено от  нашите родители, то може да се използва за определяне на родственост.

Всичко това звучи добре на теория, но много от вариабилните участъци в човешкия геном са характерни за много хора. Например, съществува вариация в един от гените за цвят на очите, в резултат на което имаме хора с сини и кафяви очи, но този белег сам по себе си не е достатъчен за персонална идентификация. За да отличим конкретен индивид от всички други е необходимо да открием такъв участък от ДНК, който със сигурност е различен при всички хора. Докато проучва ДНК със съвсем други цели, сър Джефрис се натъква именно на това: региони в ДНК, които варират значително между индивидите от даден вид, – достатъчно за да могат да се използват като индивидуален баркод, подобен на пръстовите отпечатъци.

Съществуват множество т.нар. хипервариабилни региони, но при ДНК отпечатъците се използва един определен тип – къси тандемни повтори (short tandem repeats – STR). Те състоят в неколкократни повтори на определена къса последователност от нуклеотиди. Удобството им е, че колко пъти се повтарят тези последователности е уникално за всеки човек, но е комбинация от вариантите на родителите. Например, ако вземем мотива „АТТА”, то един човек може да го има три пъти повторен в хромозомата от своята майка, и два пъти в тази от бащата. Друг човек може да има тази последователност повторена съответно един и четири пъти. При трети може да се е случило така, че и в двете хромозоми – майчината и бащината – този фрагмент е повторен два пъти. Колкото повече пъти е повторен един мотив, толкова по-дълъг е той. Съществува техника, която позволява тези мотиви да се изолират физически от останалото ДНК, и фрагментите да се разделят по размер. Разделянето става най-лесно когато сместа от фрагменти се постави в горната част на гел, и се приложи в електрическо поле. Понеже ДНК е отрицателно заредена молекула, под действие на електричеството тя ще тръгне към положителния електрод. По-дългите фрагменти, именно защото са по-големи и по-тежки, си пробиват път през гела по-трудно, докато по-късите фрагменти са по-„пъргави” и ги изпреварват. По този начин, фрагментите с различна дължина от разичните индивиди ще се разделят по размер. Рисувам го за яснота:

 Е, в реалния живот се взимат много повече подобни участъци с повтори, за да се увеличи разнообразието и да се намали вероятността за съвпадение. Така се получава картинка подобна на баркод за определен индивид:

Познайте на кой от индивите (всяка колонка в гела е ДНК отпечатък на даден човек) е ДНК намерена в кръвта от местопрестъплението.

Както се досещате, ДНК експертизите се състоят в събиране на проби от местопрестъплението и сравняването им с профилите на заподозрените и жертвите. В случай, че няма хванати заподозрени, в много страни съществува картотека с профили на престъпници, подобно на пръстовите отпечатъци.

Майката и бащата също имат по чифт хромозоми от своите родители, но предават на детето само една. В горния пример, ако човек 1 и 2 имат деца, тези деца могат да вземат една от двете хромозоми на всеки родител или общо 4 възможности за брой повтори у тях: 3 и 1, 3 и 4, 2 и 1, 2 и 4. Така всяко дете притежава има различни комбинации фрагменти от майчината и бащината „картинка”, но е почти невъзможно да има фрагмент, различен по размер от тези присъстващи в майката или бащата. Така се доказва бащинство. Например, на долната картинка по профила на родителите можем да разберем, че второто момиченце е от друг баща, а второто момченце пък съвсем не е роднина на двойката:

Доказване на родителство

Всъщност, за пръв път техниката е използвана именно за доказване на родителство. През 1983 Christiana Sarbah води двугодишна борба с правосъдието, тъй като синът й пристига в Обединеното Кралство след дълъг престой в Гана. Имиграционните служби не вярват, че детето е истински син, а се съмняват, че е момче с подправен паспорт с цел получаване на гражданство. Майката се обръща към науката, с чиято помощ доказва, че момчето е истински син.

Някой сигурно ще попита – добре, защо ДНК точно в тези региони е варира толкова, а в другите – не? Много добър въпрос, но засега само знаем че ги има.