Три сюжета из жизни ДНК

Заглянув в каталог исследований, предлагаемых современными диагностическими центрами, вы непременно отметите: с названиями различных выявляемых инфекций часто соседствует загадочная аббревиатура «ПЦР». За этими буквами скрывается уникальный метод, разработка которого имела грандиозное значение как для фундаментальной молекулярной биологии, так и для решения множества практических задач. Этот метод называется «полимеразная цепная реакция» и является важнейшим этапом исследований ДНК.

Сюжет из научной лаборатории

Информация обо всем многообразии свойств организма заключена в его генетическом материале - двухцепочечной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). У родственных видов большая доля ДНК идентична, однако присутствуют участки, характерные лишь для особей данного вида, а также - уникальные для каждого организма. Сегодня для различных организмов (прежде всего, человека и патогенных для него вирусов и бактерий) ряд подобных участков ДНК - специфических маркеров - уже найден. На обнаружении этих известных нуклеотидных последовательностей основываются ДНК-тесты - специфичные и высокочувствительные методы молекулярной диагностики.

Они позволяют выявлять практически все наиболее распространенные инфекционные и генетические заболевания, а также новообразования. Кроме того, возможность установления с помощью анализа ДНК индивидуальных особенностей - «особых примет» - генетической конституции конкретного человека привела к появлению такого революционного для судебной медицины подхода, как ДНК-«дактилоскопия». Исследования механизмов реализации наследственной информации, структуры и функции ДНК продолжаются уже не один десяток лет, но широкое использование «диагностического потенциала» ДНК стало возможно лишь в связи с разработкой метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

11 марта 1998 года по решению парижского Апелляционного суда было эксгумировано тело популярнейшего французского певца и актера Ива Монтана. Дело в том, что юная Аврора Дроссар заявила, что является дочерью актера и, соответственно, претендует на часть его огромного состояния. Когда по иску членов семьи Ива Монтана это заявление было поставлено под сомнение, суд вынес решение о проведении ДНК-анализа. Несмотря на внешнее сходство Авроры с кумиром французских женщин, исследование ДНК опровергло их родство.

Принцип ПЦР был разработан в 1983 году американским ученым Кэри Мюллисом, удостоенным за это Нобелевской премии. ПЦР часто описывают как метод, с помощью которого можно находить иголку в стоге сена, а затем строить стог из этих иголок. «Иглой» в данном случае является небольшой фрагмент генетического материала, который с помощью ПЦР может быть не только обнаружен, но и многократно скопирован. То есть ПЦР позволяет из небольшого количества анализируемого материала получить число ДНК-копий, достаточное для идентификации.

Подчеркнем еще раз: копируются не все цепи ДНК, находящиеся в пробе, а лишь ДНК-мишень - тот фрагмент, который ищут. Высокую избирательность обеспечивают так называемые праймеры, представляющие собой синтетическую нуклеотидную цепочку, комплиментарную начальному участку (около 20 нуклеотидов) ДНК-мишени. Праймер в любой сложной смеси различных фрагментов ДНК безошибочно узнает «свой» участок и, присоединившись к нему, запускает реакцию копирования. Один цикл ПЦР длится около 3 минут, количество копий растет в геометрической прогрессии: за несколько часов из нескольких цепочек ДНК можно получить миллиарды идентичных молекул.

В качестве источника ДНК подходит и биоптат ткани пациента, и человеческий волос, и капля засохшей крови, и даже остатки теламамонта.

Медицинский сюжет

ПЦР открывает широчайшие возможности при исследовании генома человека, а также выявлении изменений в генах, ответственных за то или иное наследственное заболевание. Но, пожалуй, самое широкое распространение метод ПЦР получил в диагностике инфекционных заболеваний.

В отличие от ряда традиционных исследований (биохимических, иммунологических), лишь косвенно свидетельствующих о наличии инфекции, выявление специфического участка ДНК возбудителя методом ПЦР дает прямое указание на присутствие инфекционного агента. Благодаря ПЦР в исследуемом материале выявляется уникальный, характерный только для данного возбудителя фрагмент ДНК, что обусловливает уникальную специфичность метода.

ПЦР - высокочувствительный метод, позволяющий «поймать» микроорганизм, даже если в пробе содержится всего 10 бактериальных клеток. Процедура ПЦР универсальна - анализ одной пробы дает возможность диагностировать сразу несколько инфекций. В качестве исследуемого материала могут использоваться слизь, моча, мокрота, соскобы эпителиальных клеток, желудочный сок, кровь, сыворотка, а также пробы, взятые из внешней среды (образцы воды, почвы и т.д.).

Для проведения ПЦР-анализа не требуется выделение и длительное выращивание культуры возбудителя. Более того, исследуемый материал может быть дезинфицирован химической или термической обработкой в момент его забора, что исключает возможность инфицирования персонала в процессе проведения анализа.

Унифицированный метод обработки биоматериала и детекции продуктов реакции, а также автоматизация процесса амплификации дают возможность провести полный анализ в сжатые сроки. Например, подтверждение диагноза «туберкулез» с использованием классической процедуры бактериологического выделения возбудителя заболевания может занимать 5–6 месяцев. При использовании метода ПЦР этот срок можно сократить до нескольких часов.

Наиболее рационально и эффективно применение метода ПЦР для диагностики трудно культивируемых, некультивируемых и персистирующих форм микроорганизмов, с которыми часто приходится сталкиваться при латентных и хронических инфекциях. Применение ПЦР-диагностики также очень эффективно в отношении возбудителей с высокой антигенной изменчивостью и внутриклеточных паразитов. Метод ПЦР нашел широкое применение в урогинекологической практике - для выявления хламидиоза, уреаплазмоза, гонореи, герпеса, гарднереллеза, микоплазменной инфекции, вируса папилломы человека; в пульмонологии - для дифференциальной диагностики вирусных и бактериальных пневмоний, туберкулеза; в гастроэнтерологии - для выявления хеликобактерной инфекции; в клинике инфекционных заболеваний - в качестве экспресс-метода диагностики сальмонеллеза, дифтерии, вирусных гепатитов; в гематологии - для выявления цитомегаловирусной инфекции, онковирусов.

Впрочем, нужно упомянуть и о недостатках метода. Часть из них является оборотной стороной достоинств ПЦР, а часть связана с «человеческим фактором». Принципиальное значение для адекватности результатов ПЦР имеет правильность забора материала - причиной отрицательного результата ПЦР при наличии явной клинической картины может быть то, что материал для исследования был взят «не оттуда». Очевидно также, что чрезвычайная чувствительность метода требует строго соблюдения специального технологического режима, тщательного выполнения всех этапов исследования в отдельных изолированных зонах лаборатории.

Не следует забывать о следующем моменте: положительный результат ПЦР не всегда означает наличие патологического процесса. Например, после лечения какого-либо заболевания в тканях человека какое-то время сохраняются «останки» погибшего и уже неопасного возбудителя. А ПЦР не делает различия между ДНК из живых или погибших клеток. Поэтому информативность результатов ПЦР значительно увеличивается при комплексном обследовании пациентов с использованием других лабораторных и клинических исследований.

Что касается лабораторных ошибок, возможность которых никогда нельзя исключать при проведении анализа, то именно они являются причиной нарастающего скепсиса общественности в отношении ДНК-идентификации. Ошибки могут возникать на каждом из этапов экспертизы - от сбора образцов до вынесения итогового заключения. Совсем несложно перенести ДНК с одного места на другое, смешать пробы и т. д., то есть сфальсифицировать результаты судебного исследования. Причем допущенные ошибки могут быть обращены как во вред, так и в пользу подозреваемого. Так, со скамьи подсудимых был освобожден футболист О. Дж. Симпсон, обвинявшийся в убийстве своей бывшей жены и ее бой-френда. Несмотря на то, что результаты ДНК-анализа указывали на его виновность, грамотно проведенная защита, выявившая ошибки, допущенные в ходе следствия и экспертизы, не позволила суду вынести обвинительный приговор.

14 января 2005 года в пригороде Мюнхена в своей квартире был найден задушенным известный дизайнер одежды Рудольф Мосхаммер. Не прошло и двух суток, как убийство было раскрыто. Дело «раскрыла» проба ДНК из слюны, которую преступник, 25-летний житель Ирака, уже попадавший в поле зрения полиции, добровольно сдавал при расследовании другого случая. После сенсационно быстрого раскрытия убийства было принято решение о расширении применения проб ДНК для идентификации личности в полицейской практике. Либерально настроенные граждане были возмущены - по их мнению, «повальное» генетическое тестирование является нарушением прав человека.

Наиболее рационально и эффективно применение метода ПЦР для диагностики трудно культивируемых, некультивируемых и персистирующих форм микроорганизмов,с которыми часто приходится сталкиваться при латентных и хронических инфекциях.

Сюжет из зала суда

21 ноября 1986 года можно считать началом эпохи использования анализа ДНК в криминалистике. Именно в этот день благодаря результатам ДНК-теста был освобожден невиновный. С тех пор идентификация личности на основе анализа ДНК является самым перспективным направлением судебно-медицинской экспертизы. Причин тому несколько. Во-первых, каждый человек генетически уникален (кроме однояйцовых близнецов). Во-вторых, генетическая информация во всех клетках организма в норме одинакова и не изменяется с течением жизни. В-третьих, благодаря методу ПЦР для ДНК-анализа достаточно минимального количества крови, слюны, спермы и т.п. И, наконец, молекулы ДНК (в отличие от белков) очень стабильны и устойчивы к воздействиям окружающей среды. Благодаря ДНК криминалист может проводить идентификацию через большой период времени, а также в тех случаях, когда останки человека не могут быть опознаны никакими другими методами (например, в случае авиакатастрофы).

Ключевой смысл ДНК-анализа в судебной медицине - выявление индивидуальных генетических различий или генетического сходства людей и, как следствие, установление их отличия, тождества или генетического родства. Задача эта не так проста, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что все люди генетически одинаковы на 99,99%, и один человек отличается от другого (неродственного) лишь одним нуклеотидом из 300–400. Однако в геноме были найдены участки ДНК, которые либо по нуклеотидной последовательности, либо по длине уникальны для каждого индивида. Сравнение таких участков, называемых полиморфными, позволяет заключить идентичность образца ДНК с места преступления и ДНК конкретного человека (подозреваемого).

Геномная «дактилоскопия» позволяет не только устанавливать личность, но и определять кровное родство между людьми. Это делает ее незаменимым экспертным методом в сложных случаях пропажи или похищения детей, а также определения родства потерявших память лиц. Метод эффективно используется для установления отцовства или материнства. Полиморфные участки ДНК, как и другие признаки, наследуются человеком частично от отца, частично от матери, поэтому сравнение геномных профилей ребенка, матери и предполагаемого отца позволяет признать или опровергнуть заявляемое отцовство.

Безусловно, при всей индивидуальной уникальности анализируемых судебно-медицинскими экспертами участков ДНК возможность их случайного совпадения у разных людей полностью исключить нельзя. Эту вероятность, какой бы она мизерной ни была, обязательно учитывают при интерпретации результатов ДНК-экспертизы. Полученную в итоге «вероятность точности идентификации» и представляют в суде. А удовлетворит ли эта цифра судей, зависит от обстоятельств дела - обычно, чем более суровое наказание грозит обвиняемому, тем выше она должна быть.

Использование методов анализа ДНК в криминалистике помогает установить истину не только в новых, но и в давних делах. Благодаря регулярному пересмотру последних на свободу были выпущены сотни людей, проведших долгие годы в заключении вследствие несправедливого обвинения.

Вопросы, ответы, комментарии