18 Июля 2014
С незапамятных времен люди пытались найти способ, который можно было использовать для того, чтобы установить являются ли два человека родственниками, например, отцом и сыном, или же таковыми не являются. Для этого использовались разнообразные фенотипические признаки, т. е. те признаки, которые мы можем наблюдать глядя на человека. Часто, о возможном родстве судили по цвету и разрезу глаз, форме носа, ушей и лица, по пигментации волос и другим признакам. Иногда эти признаки бывали довольно яркими. Широко известен пример «габсбургской губы» — гипертрофированной челюсти, которая является характерным для многих членов королевской Габсбургской династии. Такой анализ до сих пор используется практически всеми на бытовом уровне. У только-что родившегося ребёнка сразу обнаруживается, что цвет глаз как у папы, а вот форма губ — как у мамы. Установление родства по фенотипическим признакам не всегда является точным, но, тем не менее, имеет под собой научную основу — все фенотипические признаки контролируются генетически и их проявление зависит от взаимодействия генотипа и окружающей среды. Некоторые признаки, такие как форма носа и ушей, пигментация волос и радужной оболочки глаз, мало подвержены влиянию окружающей среды, другие же довольно сильно зависят как от образа жизни человека, так и наличия еды и даже от социальных факторов. Кроме того, все эти признаки являются полигенными, т. е. контролируются большим количеством генетических факторов и из-з этого у детей могут появляться черты, которые отсутствуют у родителей. Например, у родителей с карим цветом глаз, обычно рождаются дети, с таким же цветом глаз, но иногда их дети могут иметь зеленые, или даже голубые глаза. Сложное наследование фенотипических признаков, не позволяет использовать их для установления более отдаленных степеней родства, таких как родство между бабушкой и внуком, дядей и племянником и так далее.
Ситуация в области установления родства начало меняться с открытием в 1900 г. австрийским врачом Карлом Ландштейнером группы крови человека АВО и, несколько десятилетий спустя, резус фактора. На сегодняшний день уже установлено, что человек имеет около 30 разных групп крови (ABO, Rh, Kell, MNS, Duffy и т.д.). Дальнейшими исследованиями было показано, что группы крови генетически контролируются, и, следовательно, отвечающие за них факторы передаются по наследству. Это позволило начать использовать их в качестве серологических маркеров при определении отцовства и вплоть до середины 80-х годов прошлого века анализ серологических маркеров был единственным надежным методом установления спорного происхождения детей и родственных отношений между людьми.
Несмотря на то, что анализ серологических маркеров является достаточно надежным методом у него есть ряд существенных недостатков — в качестве биологического материала используется кровь, количество серологических маркеров ограничено, они имеют низкий полиморфизм и популяционную вариабельность, что отрицательно влияет на точность исследования, и, наконец, генетическая информация исследуется не напрямую, а опосредованно, через продукты работы генов. Нужен был более надежный способ идентификации человека, и главным кандидатом для этого стал анализ ДНК.
То, что дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК, является носителем генетической информации было экспериментально установлено в 40-х начале 50-х годов прошлого века благодаря классическим экспериментам американских ученых Освальда Эвери, Альфреда Херша и Марты Чейз. Открытие двухцепочечной спиралевидной структуры ДНК в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком позволило объяснить, каким образом генетическая информация не только хранится, но еще и передается из поколения к поколению. Разработка методов секвенирования, т. е. определение нуклеотидной последовательности ДНК, в 70-х годах прошлого века, а так же установление в 1956-м году Альбертом Леваном и Джо Хи Чио того, что геном человека имеет 23 пары хромосом, позволило ученым вплотную подойти к вопросу об использовании ДНК с целью идентификации человека и установления родства между людьми.
Однако, чем больше ученые исследовали ДНК человека, тем больше они убеждались в том, что различия в ДНК между людьми минимальны и к концу 1970-х годов в научных кругах стало популярным мнение о том, что использование ДНК с целью идентификации человека крайне дорогостоящая и неперспективная процедура. Получился парадокс — каждый человек индивидуален исключительно благодаря его ДНК и в тоже время анализируя фрагменты ДНК между разными людьми, ученые практически не обнаруживали различий. В чем причина этого явления? Сейчас мы знаем, что ДНК человека состоит из участков, которые кодируют генетическую информацию (так называемые кодирующие участки) и участки, которые не кодируют никакую информацию. Последние, ученые назвали «мусорной ДНК», так как поначалу считалось, что «мусорная ДНК» избыточна и не нужна организму. Сейчас такое мнение считается ошибочным. Хотя функция этих участков до конца еще не изучена, последние исследования показали, что не кодирующая ДНК требуется для правильного пространственного расположения молекул ДНК внутри клетки и регуляции работы генов.
В геноме человека кодирующие участки составляют чуть меньше 2%, в то время как остальная часть ДНК, более 98%, не несет генетической информации. У других биологических объектов соотношение кодирующей к не кодирующей ДНК будет другим. Так, у бактерий только 2% ДНК не несет генетической информации. Участки ДНК, которые несут генетическую информацию, находятся под очень сильным эволюционным давлением. Даже малейшие изменения в их структуре могут привести к нежизнеспособности организма. Поэтому разница между кодирующими участками в человеческой популяции будет минимальна, а по многим из них разницы не будет вообще. Но именно эти участки и изучали ученые. Это было связано в первую очередь с тем, что ученые исследовали разнообразные генетические признаки человека, а так же гены, которые вызывают наследственные заболевания — т. е. они изучалите участки ДНК человека, которые несут в себе генетическую информацию и, следовательно, наименее изменчивы. Все изменилось в 1984 году, когда английский генетик Алек Джеффриз разработал метод использования не кодирующей ДНК для идентификации человека — ДНК фингерпринтинг, или ДНК дактилоскопию (хотя оба эти названия, на сегодняшний день, считаются устаревшими и почти не используются в научной литературе).
В 1980 американские ученые Арлен Уайман и Рэй Уайт обнаружили в геноме человека необычные последовательности ДНК. Эти последовательности состояли из нескольких нуклеодитов (например, GGGCAGGATG), составляющих «блоков» ДНК (A — аденин, C — цитозин, G — гуанин и T — тимин), которые повторялись один за одним несколько десятков раз подряд.Более того, в своей статье Уайман и Уайн установили не только наличие такой повторяющейся последовательности, но и, проанализировав семью из семи человек, обнаружили, что она передается по наследству. После этого были открыты разные типы повторяющихся последовательностей человек. На сегодняшний день, различают микросателлиты, где повторяющая последовательность имеет длину 10-100 нуклеотидов, и минисателлиты, у которых повторяющая последовательность, как правило, не превышает 2-5 нуклеодитов. Также, было установлено, что эти последовательности присутствуют в геноме человека в очень большом количестве (так, количество микросателлитов в геноме человека превышает 16 тысяч) и обладают большим полиморфизмом, т. е. одна последовательность может присутствовать в популяции человека в разных количествах повторах. Для некоторых последовательностей, которые используются для ДНК идентификации человека, известны более, чем 20 генетических вариантов (аллелей). Тем не менее, возможность использования повторяющихся последовательностей для установления родства между людьми почему-то осталась без внимания как генетиков, так и криминалистов.
В сентябре 1984 года, изучая повторяющиеся оследовательности ДНК, взятой у членов семьи его лаборанта, профессор Лестерского Университета в Великобритании Алек Джеффриз обратил внимание на то, что изучаемые им фотопленки с сигналом от помеченных радиоактивной меткой фрагментов ДНК имеют как похожие, так и отличные «ДНК профили». Он вдруг понял, что не смотря на то, что разные члены семьи имели разные ДНК профили можно было увидеть, что у детей присутствуют те фрагменты, которые имеются у родителей, и, следовательно, были от них унаследованы. Метод установления родства по ДНК был открыт!
Практическое применение метода не заставило себя ждать. Уже через пару месяцев ДНК фингерпринтинг был использован для того, чтобы доказать материнство в английском суде, и позволило поставить точку в двухлетнем разбирательстве о том, является ли 13-летний мальчик Эндрю Сарба биологическим сыном Кристианы Сарба. В 1983 году, Эндрю, который являлся гражданином Великобритании, поехал навестить своего отца в Гану, где пробыл несколько месяцев. По возвращению в Лондон он был остановлен сотрудниками иммиграционной службы аэропорта Хитроу по подозрению, что у него поддельный паспорт и что он выдает себя за другого человека. Проведенный серологический анализ на установление материнства показал, что Эндрю мог являться как сыном, так и племянником, или даже братом Кристианы. На этом основании английские власти начали подготавливать документы для депортации Эндрю обратно в Гану и только вмешательство члена английского Парламента позволило Эндрю находится в течении этого времени не в иммиграционном приемнике, а у себя дома с мамой. Так получилось, что юристы, которые занимались этим делом, прочитали в газете Таймс об открытии профессора Джеффриза и обратились к нему с просьбой, не мог бы он, используя его недавние разработки в области ДНК идентификации, помочь им установить может ли Кристиана быть биологической матерью Эндрю. Проведенный анализ ДНК доказал биологическое материнство и в 1985 году судебный процесс об экстрадиции (Sarbah v The Home Office) закончился победой Кристианы и Эндрю Сабра.
Это был первый случай в мировой истории, когда ДНК анализ использовался в судебной практике. С этого времени метод ДНК идентификации стал широко применяться как в гражданском, так и уголовном судопроизводстве. На настоящее время ДНК анализ является стандартным методом идентификации личности и установления биологического родства во всех юрисдикциях.
Дальнейшее совершенствование метода ДНК фингерпринтинга, а так же открытие в 1983 году Карлом Муллисом Полимеразной Цепной Реакции (ПЦР) позволило автоматизировать генетический анализ и использовать минимальное количество биологического материала для анализа.
Генетический анализ с целью идентификации человека и установления биологического родства имеет следующие преимущества перед серологическими и другими идентификационными методами:
1. ДНК анализ имеет очень высокую дискриминационную способность, что позволяет уникально идентифицировать любого человека;
2. ДНК профиль человека постоянен и не меняется в течении жизни. Это позволяет сравнивать образцы, полученные в разные периоды жизни человека и получать однозначный результат;
3. ДНК профили, полученные из разных типов тканей одного и того же человека будут одинаковы. Это позволяет использовать для идентификации и установления происхождения детей материал различного происхождения (например, эксгумационный материал умершего и кровь живого человека);
4. ДНК очень стабильна, что позволяет получить генетическую информацию из старых биологических образцов и образцов из захоронений;
5. ДНК передается от родителя к ребёнку, что позволяет использовать ДНК анализ для установления родственных отношений как между людьми внутри одной семьи, так и между людьми из разных семей. ДНК анализ так же позволяет предположить, в какой степени родства могут находиться двое и более лиц, у которых родственные отношения не известны.
6. Генетическая информация может быть получена из образцов с крайне малым содержанием ДНК, а так же из образцов, где ДНК частично деградировала.
На сегодняшний день, стандартная технология ДНК анализа позволяет определить родственные отношения первой и второй степени, однако уже существуют подходы, которые позволяют установить могут ли исследованные быть родственниками третьей, и даже, четвертой степени. Так же, имеющиеся методы анализа позволяют установить принадлежат ли исследуемые одной, или разным отцовским или материнским линиям, что может использоваться, как при установлении происхождения детей в случае отсутствия родителя, так и для установления родственников умершего (как близких, так и дальних) в делах о наследстве.
2. Принципы использования ДНК анализа для установления родства
Генетический анализ основан на исследовании небольшие участков ДНК генома человека, которые называются «ДНК маркеры» или «локусы». Каждый из этих локусов имеет ряд вариантов, называемых «аллельные варианты», или просто, «аллели». Некоторые локусы имеют 7-8 аллелей, некоторые 20 и более. Частоты встречаемости аллелей отличаются между расовыми группами, и даже между популяциями одной и той же расовой группы. Комбинация аллелей по всем проанализированным локусам называется ДНК профиль человека. Современные методы ДНК экспертизы позволяют одновременно анализировать геном человека по большому количеству локусов. Сегодня, стандартный анализ включает в себя исследование ДНК по 16 маркерам, но многие лаборатории уже используют 20 и даже большее количество локусов. Для получения результатов современные лаборатории применяют автоматизированные генетические анализаторы, которые автоматически определяют какие аллели присутствуют в исследуемом образце ДНК и выдают результат в виде электрофореграммы, где указаны локусы и аллельные пики.
ДНК анализы с целью идентификации человека и установления родства можно разделить на две основных группы: (1) анализ аутосомной ДНК, т. е. ДНК, 50% которой ребёнок, вне зависимости от пола, наследует от отца и 50% от матери, и (2) анализы неаутосомной ДНК (анализ половых хромосом — X и Y — и митохондриальной ДНК ) — ДНК, наследование которой связано с полом ребёнка.
Подавляющее большинство ДНК экспертиз проводится при помощи анализа аутосомной ДНК. Это, как правило, исследования на установления биологического отцовства, материнства, и с целью идентификации личности. Анализ неаутосомной ДНК применяется в специальных случаях, когда получить генетическую информацию другими способами не представляется возможным, или же при анализе очень старого биологического материала. Эти анализы часто менее информативны, но в некоторых случаях только они позволяют получить информацию о степени родства между людьми, которая не могла быть получена никакими другими способами.
Генетическая экспертиза может проводиться как на биологическом образце человека, так и на небиологическом образце, который был в контакте с человеком и на котором остались его биологические следы (зубная щётка, предметы одежды, бритва, соска, предметы кухонной утвари).
Современные методы ДНК экспертизы высокочувствительны и не требуют большого количества ДНК. В качестве основных биологических образцов для анализа используются ротовые мазки (клетки внутренней поверхности рта — буккальный эпителий), а так же образца крови. Согласно последним исследованиям генетических лабораторий в разных странах, в более чем 90% случаев анализы ДНК с целью установления родства проводятся по ротовым мазкам.
3. Преступники, селебритиз и короли
Существует три основных направления применения анализа ДНК:
1. Криминалистический анализ
2. Установление спорного происхождения детей
3. Установление родства между людьми
Открытие ДНК фингерпринтинга позволило правоохранительным структурам использовать этот метод для идентификации преступников. Сегодня, большинство полицейских служб имеет криминалистические базы ДНК, которые позволяют раскрывать преступления не путем проведения сложных следственных мероприятий, а за лабораторным столом. Согласно статистике, в Великобритании около 40 тысяч преступлений раскрываются ежегодно при помощи ДНК анализа, причем раскрытие одного преступления по ДНК позволяет раскрыть еще одно, до сих пор не раскрытое преступление. В случае полного совпадения генетического профиля с места преступления с профилем физического лица из криминалистической базы данных, личность этого человека, а так же его местопроживание будет сразу известно и полицейским часто только и остается, что приехать к нему домой и произвести арест. Но иногда, даже частичное совпадение позволяет предположить о том, что преступление мог совершить не человек, чей ДНК профиль имеется в базе данных, а его близкий родственник, например брат, или отец, и в таких случаях так же удается установить личность человека, оставившего свои биологические следы на месте преступления.
Установление отцовства и материнства при помощи ДНК анализа становится сейчас очень популярным. Этот анализ используют как простые люди, так и знаменитости. Так, в 2002 году при помощи анализа ДНК английская актриса Элизабет Херли смогла доказать в суде, что биологическим отцом, родившегося у нее сына Дамиана, является популярный голливудский продюсер Стив Бинг, получив при этом многомиллионные выплаты в качестве алиментов.Подобная ситуация случилось и с многократным победителем турниров Большого Шлема по теннису Борисом Беккером. Российская модель Анжела Ермакова обвинила известного теннисиста в том, что он является биологическим отцом ее дочери Анны. «Удивительно насколько дорого может обойтись самая короткая близость… даже если она продолжалась не более пяти секунд» — Так Борис Беккер описал свое не долгое знакомство с российской моделью, которое у него произошло 30 июня 1999 г в ресторане Нобу, одном из лучших лондонских ресторанов. В начале Беккер полностью отрицал свое отцовство и даже говорил, что его пытается шантажировать русская мафия в Лондоне. В конце концов Ермакова подала на него в суд. В результате судебного разбирательства, в котором ключевым доказательство стал анализ ДНК, биологическое отцовство Бориса Беккера в отношении Анны было полностью доказано. Хотя, детали финансового соглашения не были доступны широкой публике, в прессу просочились сообщения, что Борис Беккер в качестве алиментов выплатил Ермаковой около трех миллионов долларов.
Ситуации, когда установление родства проводятся при живых родственниках является простым случаем использования генетического анализа. Гораздо сложнее экспертам приходится тогда, когда необходимо установить родство, или же идентифицировать человека, если имеются только дальние и даже очень дальние родственники. Для этого приходится применять анализы, которые позволяют проследить родство по отцовской, или же по материнской линии.
С целью установления происхождения по отцовской лини используют анализ Y-хромосомы. Y-хромосома передаётся исключительно по мужской линии, т. е. от дедушки к сыну, от сына к внуку, причем практически без изменений. Все сыновья одного и того же мужчины, вне зависимости от того, была ли у них одна и та же мать, или нет, бут иметь одинаковую Y хромосому. Дядя будет иметь такую же Y хромосому, как и его племянник по мужской линии, троюродные браться по одной мужской линии будут иметь одинаковую Y хромосому.
Такая особенность наследования позволяет использовать анализ Y хромосомы для установления родства в случаях, когда взять образец ДНК у предполагаемого родственника не представляется возможным, но существует образец человека, имеющего с ним одну и ту же отцовскую линию.
Анализ Y-хромосомы позволил установить, что Томас Джефферсон, третий президент Соединенных Штатов Америки являлся отцом незаконнорожденного сына от своей чернокожей рабыни, Салли Хеммингс. Слухи о том, что Салли Хеннингс в 1808 году родила ребёнка от Томаса Джефферсона, которого назвала Истон Хеммингс, появились еще при жизни президента. После его смерти, дочь Джефферсона и его внуки полностью отрицали эту возможность. В 20-м веке некоторые историки продолжали считали эту теорию вероятной, в то время, как другие высказывались категорически против. Только появление анализа ДНК позволило раз и навсегда поставить точку в этом вопросе. В 1998 году был проведен генетический анализ между прямыми мужскими потомками Истона Хеммингса и прямыми мужскими потомками Филда Джефферсона, дяди президента по мужской линии (у Томаса Джефферсона не осталось потомков мужского пола). Экспертиза ДНК показала, что человек, имевший Джефферсонскую Y-хромосому является отцом Истона Хеммингса. Используя полученные ДНК доказательства, а так же архивные записи, списки рабов и другие документы начала 19-го века ученые установили, что единственным мужчиной с таким типом Y-хромосомы, который мог бы быть отцом Истона Хеммингса являлся автор Декларации Независимости и третий президент США Томас Джефферсон.
Анализ Y-хромосомы пригоден только для мужчин, т.к. у женщин эта хромосома отсутствует. Это делает невозможным установление родства в случаях, когда отцовская линия в родословной прерывается, или же надо установить родство с женщиной. В таких ситуациях на помощь приходит анализ митохондриальной ДНК (мтДНК). Митохондрии — это органеллы, находящиеся в цитоплазме (хромосомная ДНК находится в ядре) и которые выполняют важную роль в энергетическом метаболизме клетки. Отличительной особенностью митохондрий является то, что они имеют свою собственную ДНК и, как и клетка, размножаются делением. В отличие от Y хромосомы мтДНК наследуется исключительно по материнской линии, но так же как и Y хромосома, мтДНК передается из поколения в поколение практически без изменения. Все биологические дети одной матери, вне зависимости от пола, будут иметь одинаковую мтДНК, но только дочери смогут передать ее по наследству своим детям. Другой отличительной особенностью мтДНК является то, что этот тип ДНК очень устойчив к деградации и его удается выделить из останков (как правило, костей), которые пролежали в земле сотни, а то и тысячи лет. Это позволяет использовать анализ мтДНК как в антропологических исследованиях, так и в случаях, когда полученный биологический материал подвержен сильной степени разложения.
Самым известным случаем использования анализа мтДНК является идентификация останков семьи последнего Императора России Николая II. Согласно историческим документам и свидетельствам очевидцев, человеческие останки, найденные в 1979 году в шахте и в могильнике на дороге недалеко от Свердловска могли принадлежать Царю Николаю II и его семье, однако из-за состояния останков более точная идентификация не могла быть проведена. С появлением ДНК анализа это оказалось возможным. В качестве сравнения для анализа использовали образцы полученные от Герцога Файфа и Принцессы Ксении Шереметьефф-Сфири, родственников Николая II по материнской линии, и Принца Филиппа, Герцога Эдинбугского, супруга Королевы Англии Елизаветы II, который является родственником Царицы Александры Федоровны по материнской линии. Генетический анализ показал, что останки взрослого мужчины, обнаруженные в захоронении, имеют такую же мтДНК, как и у Герцога Файфа и Принцессы Ксении, что однозначно указывает на то, что они принадлежат Николаю II. Обнаруженная в захоронении взрослая женщина и дети имели одинаковую мтДНК, которая была идентичной мтДНК Принца Филиппа. После идентификации останки были торжественно перезахоронены в Петропавловском Соборе в Петербурге 17 июля 1998 года.
Еще одним ярким примером использования мтДНК является идентификация останков английского короля Ричарда III, всем известного по одноименной трагедии Уильяма Шекспира. Останки мужчины, который предположительно мог быть Ричардом III, погибшем в Битве при Босворте 22 августа 1485 года были обнаружены в 2012 году на месте автопарка около супермаркета в английском городе Лестере (в университете которого продолжает работать профессор Джеффриз). Мужской скелет имел следы от множества колотых и рубленых ранений, которые были получены в последнем бою, а так же наблюдалось сильное искривление позвоночника, косвенно подтверждающее то, что он может принадлежать королю Ричарду (согласно дошедшей до наших дней информации, Ричард III мог быть горбуном). Изучив генеалогию семьи Платнагенетов ученые Лестерского университета нашли двух живущих потомков сестры Ричарда, Анны Йоркской. Ричард и Анна являлись детьми герцога Ричарда Йоркского и имели одну и ту же мать — Сесилию Невилл. мтДНК выделенная из останков, обнаруженных при раскопках автопарка супермаркета в Лестере совпадала с мтДНК ныне живущих потомков сестры Ричарда в 17-м колене по прямой материнской линии. Это позволило однозначно идентифицировать найденный мужской скелет как принадлежащиему королю Ричарду III, последнему королю Англии из рода Плантагенетов.
Автор — Андрей Семиходский
Источник: «Дилетант»