Генетические тесты: как это работает и когда они нужны
Любой генетический анализ — расшифровка ДНК человека и интерпретация результатов — состоит из нескольких этапов. Генетический материал берут из клеток: раньше работали с кровью, теперь лаборатории все больше переходят на неинвазивные методы и выделяют ДНК из слюны.
Выделенный материал секвенируют — с помощью химических реакций и анализаторов определяют то, в какой последовательности в нем расположены мономеры: это и есть генетический код. Полученную последовательность сравнивают с эталонными и ищут определенные участки, соответствующие тем или иным генам. На основании наличия или отсутствия генов или их изменения и делают заключение о результате теста.
Запуск секвенатора — прибора, который расшифровывает последовательность ДНК, — стоит очень дорого из-за большого количества необходимых химических реактивов. За один запуск можно расшифровать много образцов ДНК, но чем их будет больше, тем менее достоверным получится результат для каждого образца и тем ниже окажется точность генетического теста. Поэтому следует обращаться в проверенную лабораторию, которая не станет экономить на качестве анализа путем увеличения количества образцов.
Важный момент, который стоит учитывать при получении результатов генетического анализа: генетика определяет далеко не все, что происходит с нашим организмом. Не менее существенную роль играют образ жизни и факторы окружающей среды — экологическая обстановка, климат, количество солнечного света и другие.
К сожалению, российские компании редко упоминают об этом и ограничиваются перечислением преимуществ генетического теста. Многие также играют на необразованности пациентов и навязывают дорогостоящие лишние анализы.
Вот основные случаи, для которых применяются современные генетические анализы.
В первую очередь генетика призвана помочь в лечении и профилактике болезней. Есть три основных группы случаев, когда генетический анализ поможет уточнить диагноз или предотвратить возможное заболевание.
Диагностика вирусов и бактерий по наличию их ДНК в крови
Для кого тест. Для тех, кто подозревает у себя вирусную или бактериальную инфекцию. Так, например, могут диагностировать боррелиоз при укусе клеща — болезнь с широким спектром симптомов.
Как это работает. ДНК организмов, вызывающих болезни, отличается от человеческой. У пациента берут анализ крови и определяют, есть ли там чужеродный генетический материал.
Что важно учитывать. Это относительно недорогие анализы, ведь здесь не требуется расшифровка самой ДНК, нужно определить просто ее наличие или отсутствие. Такой тест будет более точным, чем, например, поиск антител (они появляются в крови только после инкубационного периода), но возможен он лишь при подозрении на конкретное заболевание.
Диагностика уже имеющихся заболеваний
Для кого тест. Как правило, это сложные случаи или хронические недуги, причина которых неочевидна. Тогда врачи ищут возможные причины болезни в генах и на основе результатов могут точнее поставить диагноз и скорректировать лечение.
Как это работает. Генетический материал могут получать из любых клеток пациента, в том числе из материала, взятого для других анализов. После расшифровки ДНК в последовательности ищут поврежденные гены. Как правило, это не поиск «вслепую» по всей длине, а исследование заранее известных участков.
Что важно учитывать. Генных болезней — тех, которые происходят по вине мутаций всего одного гена, — довольно мало. Около 92% заболеваний, причину которых можно найти в ДНК, являются многофакторными. Это значит, что мутация не единственная причина болезни, и корректировка других факторов, например питания или климата, может облегчить ее течение.
Профилактика заболеваний, к которым есть предрасположенность
Для кого тест. Такой анализ врачи могут посоветовать здоровым людям, у которых среди родственников были неоднократные случаи различных болезней, таких как, например, большинство видов рака, сахарный диабет и ишемическая болезнь сердца. То есть тех самых многофакторных наследственных заболеваний, которые также называют «полигенными с пороговым эффектом». Еще подобный анализ может выявить вероятность развития аллергии, помочь скорректировать диету в зависимости от генетической основы обмена веществ и подобрать оптимальные физические нагрузки.
Как это работает. Помимо мутаций врачи также могут обращать внимание на вариации гена — аллели. При проверке предрасположенностей к определенным заболеваниям анализируют конкретный участок ДНК. Комплексное обследование на ряд потенциальных наследственных болезней может задействовать весь геном.
Что важно учитывать. Указанные болезни не зря называют «с пороговым эффектом». Это значит, что болезнь разовьется только после достижения организмом «порога». Задача профилактики как раз в том, чтобы этого не допустить. То есть положительный тест на предрасположенность к раку груди вовсе не означает, что это стопроцентно произойдет. Такой результат скорее служит рекомендацией относиться к себе внимательнее, избегать факторов риска и не пренебрегать регулярными обследованиями у маммолога.
Когда люди хотят завести ребенка, они волей-неволей задумываются о его будущем здоровье. Генетические анализы могут помочь на двух этапах — при планировании беременности и в ходе ее течения.
Для кого тест. Такой тест поможет выяснить, не унаследует ли ребенок «спящие мутации» и риски врожденных патологий. Это важно при частых случаях каких-то заболеваний в семейном анамнезе отца и/или матери либо при фактическом наличии у кого-то из родителей болезни.
Как это работает. По своей сути такие тесты не отличаются от выявления предрасположенностей к болезням у взрослых, но анализируют одновременно два родительских генома.
Что важно учитывать. Сложность анализа заключается в том, что нельзя заранее выяснить, какие именно гены родителей достанутся ребенку, это некая лотерея. Гены всегда работают не сами по себе, а в комплексе, что делает число вариаций генома будущего ребенка бесконечным. То есть тест на наследственность планируемого потомства всегда вероятностный, и даже наличие у родителей «плохих» мутаций не делает рождение здорового малыша невозможным.
Для кого тест. Этот анализ проводится во время беременности и нужен при подозрении на врожденные патологии. Также пренатальная генетическая диагностика может определить пол будущего ребенка на ранней стадии беременности и установить отцовство.
Как это работает. Для пренатальной диагностики есть несколько методов взятия образца генетического материала, главными из которых являются биопсия хориона (взятие кусочка ткани зародыша) и амниоцентез (взятие образца околоплодных вод). В последнее время также практикуется выделение ДНК эмбриона из крови матери — неинвазивный пренатальный ДНК-тест (НИПТ). При экстракорпоральном оплодотворении возможна также преимплантационная диагностика — ДНК выделяют из клетки зародыша до его внедрения в матку.
Что важно учитывать. Инвазивные методы — это всегда риск. Так, вероятность самопроизвольного прерывания беременности после биопсии доходит до 15%, а амниоцентез может привести к заражению или отслоению оболочек плода. Оба этих метода становятся возможными на относительно позднем сроке беременности, когда формируется плодный пузырь и хорошо различимый на УЗИ зародыш, поэтому прибегать к ним стоит только при серьезных подозрениях на генные или хромосомные дефекты. Неинвазивная диагностика не имеет таких последствий, и ее можно проводить начиная с девятой недели беременности.
Определение талантов и склонностей
Для кого тест. Нередко компании, проводящие генетические тесты, также предлагают родителям выявить предрасположенность детей к определенным видам спорта или другим занятиям. Такой тест может быть полезен для юных спортсменов перед началом серьезной карьеры: по мнению исследователей, спортивная успешность на 60% определяется генами.
Как это работает. Сам анализ проводится так же, как и для определения наследственных болезней, только исследуются другие участки ДНК. К настоящему времени известно около 50 генов, которые связывают с предрасположенностью к занятиям различными видами спорта. С другими талантами человека сложнее: например, установлена частичная генетическая природа абсолютного слуха, но по большей части это направление находится на стадии изучения.
Что важно учитывать. Несмотря на широко распространенное мнение, что наши гены предписывают нам определенные таланты и черты характера, генные основы психики — самая малоисследованная область в генетике человека. Не только болезни могут быть полигенными — таково большинство признаков в организме (например, цвет глаз определяется 15 генами). Вырванная из контекста информация может оказаться не только неполной, но и в принципе ложной: по одному гену нельзя определить, станет ребенок выдающимся спортсменом или нет. То, что касается интеллектуальных способностей и особенностей характера, до сих пор лежит в области предположений. Наконец, если результат генетического теста «предсказывает» ребенку успех в какой-то стезе, это может оказать психологическое давление на родителей и помешать ребенку самому определиться с планами на будущее. Гены — рекомендация, а не прямое указание.
Для кого тест. Генеалогические исследования выросли из криминалистики и популярной задачи установления отцовства. Сегодня при помощи генетики доступно как определение ближайших родственников, так и выяснение предковой группы — из какой части света произошел род много поколений назад. Такой анализ служит для решения прикладных задач установления родства (это важно для таких юридических моментов, как претензии на наследство) и может заинтересовать просто любознательных людей, изучающих семейную историю.
Как это работает. В ходе жизни у каждого человека накапливаются маленькие изменения в ДНК — не только в генах, но и в «нерабочей» части (а доля такой в наших клетках — больше 90%). При генеалогическом генетическом анализе исследователи сравнивают полученную ДНК на предмет сходства с другими — либо с ДНК потенциальных родственников, либо с большой базой данных. В такие базы могут входить как древние ДНК, так и генетический материал жителей страны. В зависимости от страны и доступа генетической лаборатории к базам данных картина анализа может различаться по полноте и подробности.
Что важно учитывать. В отличие от предыдущих анализов, когда ДНК пациента сравнивалась с эталоном, здесь речь идет о сравнении с генетическим материалом других людей. Такая процедура затрагивает вопросы конфиденциальности и нуждается в сложной законодательной регуляции. В Исландии собрана генетическая база данных, в которую занесены расшифрованные ДНК всех граждан и постоянных жителей (соответствующий закон был принят 1997 году). В России подобная практика только начинает появляться, для экспертизы на родство требуется согласие всех участников и сложная юридическая процедура. Впрочем, «древние» базы данных по всему миру находятся в открытом доступе, и любой желающий может узнать о своих корнях. Например, здесь, здесь и здесь.
Анализ Генетического кода I
Иллюстрация melmagazine.com (Source: melmagazine.com/wp-content/uploads/2019/11/DNA-1280×533.jpg)
В настоящее время для информационного обмена широко используются сети общего доступа с каналами, не защищенными от нарушителя. Обмен сообщениями в таких связных и компьютерных сетях пользователи вынуждены защищать самостоятельно. Так как сами каналы передачи сообщений пользователь защитить не может, он защищает сообщение.
Что в сообщении защищается? Во-первых, синтаксис (целостность) с этой целью используется кодология (кодирование и анализ кодов), во-вторых, семантика (конфиденциальность) для чего используются криптология (криптография и криптографический анализ), в-третьих, косвенно нарушителю можно ограничить доступность сообщения путем скрытия факта его передачи для чего используется стеганология (стеганография и стеганоанализ).
Перечисленные возможности теоретически и практически обеспечены в разной мере, и хотя каждое направление развивается достаточно длительное время, они еще далеки от завершения. В предлагаемой работе коснемся только одного частного вопроса — анализа кодов сообщений.
Введение
В качестве объекта анализа выбран генетический код (ГК). С любопытным примером использования ГК в области информационной защиты (по-видимому непрофессиональной и потому не успешной) можно познакомиться здесь.
В теории кодирования могут быть выделены два важных направления: кодирование источника информации и канальное кодирование. Первое из них реализуется, как правило, передающей стороной и имеет целью — устранение избыточности сообщений (пример, код Морзе), целью второго является — обнаружение и устранение ошибок в сообщениях. До появления корректирующих кодов задача устранения ошибок решалась повторной передачей искаженного фрагмента сообщения по запросу приемной стороны.
Здесь отметим факт невозможности правильного расшифрования приемной стороной шифрграммы, если в ее тексте возникли ошибки. Шифры не позволяют ни обнаруживать ошибки, ни тем более их исправлять. По этой причине на передающей стороне системы связи сообщение-шифрграмма кодируется корректирующим кодом, а на приемной стороне декодер в полученном сообщении обнаруживает (если они есть) и исправляет ошибки.
После этого вступает в дело криптосистема и легитимному получателю предоставляется расшифрованное сообщение. Таковы в общих чертах положения функционирования сетей, обменивающихся защищенными сообщениями.
В этой работе займемся подробно анализом очень важного Генетического кода, который создан не разумом человека, а самой природой (редкий случай).
История одного открытия и Нобелевская премия
Зададимся вопросом, как природой на уровне генетики и метаболизма организмов (клеток) реализованы такие положения информационного обмена в жизнедеятельности видов и их отдельных представителей?
Научному миру еще до Второй мировой войны было известно, что у живых организмов передача от поколения к поколению наследственных признаков осуществляется через относительно простые химические единицы (гены), включающие огромное количество информации, необходимой для продолжения и воспроизводства жизни.
Все гены (не являются белками) связываются в цепочки (хромосомы) и материализуются в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). У специалистов не было ясности в том, как все происходит и как устроена сама ДНК.
Молодые исследователи физик англичанин Ф. Крик и биолог американец Дж. Уотсон в 1953 году (25.4) опубликовали в журнале Nature статью «Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». На момент начала их работы 1949 г. Джеймсу Уотсону было 23 года, Френсису Крику и Морису Уилкинсу по 33.
В статье авторы описали модель пространственной структуры ДНК в виде двойной спирали, две нити которой закручивалась вправо. Сами нити при этом оказывались связанными поперечными «ступенями», образованными из нуклеотидов.
Определение. Нуклеотиды — соединения, состоящие из сахара, азотсодержащих оснований (пурина или пиримидина) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды являются «строительными блоками» для ДНК и РНК.
Эта спираль ДНК – носитель генетического кода – кода наследственности признаков организмов животных и растений. Это была совершенно необычная новая работа о строении и свойствах молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Модель ДНК молодых авторов получила подтверждение при сопоставлении ее с рентгеновской дифракционной картиной кристаллической структуры ДНК английского биофизика Мориса Уилкинса. Позднее был открыт генетический код, содержащий и передающий информацию о синтезе структуры и состава белков – основных составляющих каждой клетки живых организмов, реализующей клеточный цикл.
Определение. Клеточный цикл — правильное чередование периодов относительного покоя с периодами деления клетки.
В этом же году позднее авторы опубликовали еще одну статью, в которой описывался возможный механизм копирования ДНК путем матричного синтеза при делении живых клеток. Двойная спираль ДНК уподоблялась «замку молния».
Каждая нить спирали после «расстегивания замка» и разведения нитей становилась синтезирующей матрицей и достраивалась второй нитью материалом из цитоплазмы клетки по принципу комплементарности до полной ДНК. Там же говорилось, что определенная последовательность оснований (кодонов, триплетов) является кодом, который содержит генетическую информацию.
Идея математизации кода высказывалась впервые Г. Гамовым в статье 1954 года как проблема перевода слов из четырехбуквенного алфавита (системы) в слова двадцатибуквенного алфавита. Он представил проблему кодирования жизненных явлений не как биохимическую, а как комбинаторную математическую задачу. Предварительные длительные усилия авторов этого труда хорошо описаны в книге Д. Уотсона «Нить жизни».
В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для пере-дачи информации в живой материи».
Они располагали информацией о следующих фактах:
В гипотезах и предположениях недостатка не было, но кто-то должен проверять их истинность.
Перекрывающиеся коды (один нуклеотид-буква входит в состав более чем одного кодона): треугольный, мажорно-минорный и последовательный, предложены Гамовым с коллегами;
неперекрывающиеся коды: комбинационный Гамова и Ичаса, «код без запятых» Крика, Гриффита и Оргела. В комбинационном коде аминокислоты (20) кодируются триплетами из 4-х нуклеотидов, но важен не их порядок, а только состав: триплеты ТТА, ТАТ, АТТ кодируют в белках одну и ту же аминокислоту.
Код без запятых объяснял, как выбирается «рамка считывания». Такое «скользящее окно» вдоль нити ДНК, где буквы следуют, друг за другом без разделителей (запятых) их на слова предполагает, что слова все-таки как-то различаются. Согласно модели Ф. Крика делалось допущение: все триплеты разделяются на осмысленные, т. е. соответствующие конкретным аминокислотам, и не имеющие смысла.
Если только осмысленные триплеты формируют ДНК, то в другой «рамке считывания» такие триплеты окажутся не имеющими смысла. Авторы этого кода показали, что можно подобрать триплеты, удовлетворяющие таким требованиям и что их ровно 20. Конечно, полной уверенности в своей правоте у авторов не было.
Действительно, после 1960 года было показано, что кодоны, считавшиеся Криком бессмысленными, в пробирке реализовывали белковый синтез, а к 1965 году был установлен смысл всех 64 кодонов-триплетов. Выяснилось также, что ряд аминокислот кодируется двумя, тремя, четырьмя и даже шестью разными триплетами, т. е. имеет место определенная избыточность, назначение которой еще предстоит определить.
Генетический код жизни. Наследственная информация
Определение. Генетический код – множество слов, задающих способ кодирования цепочками нуклеотидов (букв алфавита А, G, C, T), последовательности аминокислот синтеза белков, свойственных всем живым организмам. Цепочки триплетов (кодовых слов) образуют хромосомы – носители наследственной информации. Каждому виду живых организмов соответствует свой хромосомный набор. Этот способ кодирования универсален и реализуется в каждой клетке растительного и животного организма при ее делении.
Для кодирования каждой из 20 видов канонических аминокислот, из которых строятся далее практически все белки и терминального сигнала «стоп» оказывается достаточно набора из трех нуклеотидов (букв), называемого триплетом (кодоном). Последовательность кодонов формирует в хромосомной нити ген и определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Существовала концепция «один ген – один фермент».
Классическое представление информации (линейность ее записи) – это тексты в широком понимании (речь, письма, книги, изображения, фильмы, музыка и т. п.) этого слова в некотором естественном языке (ЕЯ). Язык включает обширный словарь (лексику), а если ЕЯ кроме устной речи имеет письменность, то и алфавит с грамматикой.
Для сохранения информации в течение длительного времени и передачи ее копий необходимы прочная, хорошо защищенная память и письменность. Наследственная информация живых организмов записана ЕЯ природы в длинных текстах словами в некотором «молекулярном» алфавите, которые хранятся в форме хромосом в ядрах всех клеток живых организмов.
Процессы и пути переноса информации, записанной на естественных её носителях-молекулах, сформулированы Ф. Криком (1958 г.) в форме центральной догмы молекулярной биологии. Три основных процесса обеспечивают управление всеми остальными процессами функционирования клетки и жизни организмов в целом.
Эти процессы: репликация, транскрипция и трансляция. Далее о них будет сказано более подробно. Информация в организмах передается только в одном направлении от нуклеиновых кислот (ДНК → РНК →белок) к белку, обратной передачи не существует. Возможны особые случаи ДНК → белок, РНК→ РНК, РНК → ДНК.
Чтение информации вдоль молекулярных цепочек допустимо только в одном прямом направлении. Используется понятие «рамка считывания».
Определение. Рамкой считывания (открытой) называется последовательность неперекрывающихся кодонов, способная синтезировать белок, начинающаяся со старт-кодона и завершающаяся стоп-кодоном. Рамка определяется самым первым триплетом, с которого начинается трансляция.
Для начала трансляции старт-кодона недостаточно, необходим ещё инициационный кодон (их три: AUG, GUG, UUG). После его считывания трансляция идет путем последовательного считывания кодонов рибосомальной рРНК и присоединения аминокислот друг к другу рибосомой до достижения стоп-кодона.
Кодоны в ходе трансляции «читаются» всегда с некоторого стартового инициирующего символа (AUG) и не перекрываются. Чтение после старта триплет за триплетом идет до стоп-кодона завершения синтеза белковой полипептидной цепи.
Эти факты обобщаются в таблице способов передачи генетической информации.
Таблица 1 – Центральная догма молекулярной биологии 
История изучения текстов наследственности организмов, их осмысления, длительная, богатая открытиями, достижениями, заблуждениями и разочарованиями. Перечень событий истории постижения (познания) текстов природы представляет несомненный интерес, как для науки, так и для каждого отдельного человека.
Слова текстов имеют очень большую длину, но алфавит письменности «ЕЯ природы» содержит всего четыре буквы – это молекулярные основания: в РНК это А (аденин), С (цитозин), G (гуанин), U (урацил) (в ДНК урацил заменяется на Т (тимин)). Язык живой природы – это язык молекул.
Биологами установлено, что каждое слово текста наследственности образовано полимерной молекулой ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты, открытой в 1868 г. врачом И. Ф. Мишером), построенной из 4-х оснований (нуклеотидов – от nuclear — ядерный).
Основания скрепляются (соединяются) между собой в пары, А ←→ Т, Т←→ А, G ←→ C, С ←→ G особыми водородными связями, реализующими принцип дополнительности (комплементарности). Эти факты устанавливались в разное время, разными учеными и методами многих наук (физики, химии, биологии, цитологии, генетики и др.). Сложности на пути познания этого ЕЯ встречались постоянно.
Молекулы ДНК не кристаллизовались, но когда это удалось сделать, то задача установления структуры ДНК свелась к решению обратной задачи рентгеноструктурного анализа (преобразованием Фурье дифракционной картины кристалла, созданной на экране рентгеновскими лучами).
На рассчитанной и собранной вручную Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году модели аналогично детской игре «LEGO», где элементами являлись молекулярные основания и очень точно выдерживались межатомные расстояния и углы разворота, была воспроизведена структура хромосомы в большом масштабе.
Эта модель практически подтвердила многообразные гипотезы теоретиков и убедительно доказала отсутствие расхождений с практическими экспериментами и результатами рентгеноструктурного анализа кристаллической ДНК.
Основные детальные данные о химическом строении ДНК и числовые характеристики модели были получены Розалиндой Франклин и М. Уилкинсом ранее 1953 г. в лаборатории рентгеноструктурного анализа. Конфликт ученых описан в романе «Одиночество в сети» Януша Леона Вишневского.
Наличие наглядной структуры ДНК и ее количественных характеристик дало толчок для развития генетики и всех бионаук, из которого возникла идея проекта «Геном человека» 2000 г. Уотсон стал первым руководителем этого проекта, в рамках проекта был полностью расшифрован хромосомный набор человека Homo sapiens. Полная генетическая карта 1-й хромосомы завершена в 2006. Карта содержит 3141 ген и 991 псевдоген.
С позиций математики четырем буквам алфавита можно приписать четыре элемента конечного расширенного поля Галуа GF(2 2 ) = (0, 1, α, β), операции с которыми выполняются по модулю неприводимого многочлена р(х) = х 2 + х + 1. Тогда α + β = 1, α∙β = 1 и сопоставление элементов поля буквам принимает вид
, а дополнительный (комплементарный) нуклеотид вычисляется по правилу ¬х → х + 1, откуда Т → А + 1, С → G + 1.
Структурно модель ДНК представляет две эквидистантные полимерные цепи попарно соединенных нуклеотидов (по принципу веревочной лестницы) и закрученных в правую двойную спираль. Ниже по тексту вертикально выписанные пары букв соответствуют ступеням «лестницы»:
Т А G G T T C G Т …
A T C C A A G C A …
Две цепи повторяют последовательность букв, но начало одной расположено напротив конца другой. Информация в молекулах ДНК записывается с большой степенью избыточности, что, конечно, обеспечивает высокий уровень надежности при считывании информации и ее копировании (репликации: ДНК → ДНК). К исходному слову приписывается еще одно, но в дополнительном коде.
Все хромосомы содержат в своем составе гены и в каждой клетке содержатся в очень малом объеме (в ядре клетки) и короткие и очень длинные. Расстояние между нитями ДНК составляет 2 нм, между «ступеньками» – 0.31 нм, один полный оборот «спирали» через каждые 10 пар. Суммарная длина всех ДНК, вытянутых в одну нить достигает 2м. Наследственная информация человека записана в 23 хромосомах. Длина хромосомы порядка 10 9 нуклеотидов, а диаметр ядра меньше микрометра. Таким образом, ДНК в клетке компактизована.
Определение. Ген (греч.γενοζ – род). Структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Гены (точнее аллели) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении.
В словах ДНК можно выделить и рассматривать отдельные части-подслова (гены), которые несут целостную информацию о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Кроме того, гены характеризуются регуляторными последовательностями (промоторами).
Промоторы могут быть расположены как в непосредственной близости от открытой «рамки считывания», кодирующей белок или начала последовательности РНК, так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), например, в случаях с энхансерами, инсуляторами и супрессорами.
Каждый ген предназначен и отвечает за создание определенного белка, необходимого для жизнедеятельности организма. Понятием генотип обозначается наследственная конституция гамет (половых клеток) и зигот (соматических клеток) в отличие от фенотипа, описывающего благоприобретенные признаки, которые по наследству не передаются.
Блоковые коды
Код многозначное понятие. Кодом, прежде всего, можно назвать множество кодовых слов, образующих собственно сам код. Именно такие слова распознает декодер на приемной стороне при передаче сообщений, а на передающей — их формирует кодер.
При формировании кодовых слов используется однозначное отображение конечного упорядоченного множества символов, принадлежащих некоторому конечному алфавиту, на иное, не обязательно упорядоченное, как правило, более обширное множество символов для кодирования передачи, хранения или преобразования информации
Перечислим свойства рассматриваемого генетического кода (ГК):
Г. Гамовым было высказано предположение о триплетности кода. Поскольку речь идет о 4-х нуклеотидах, образующих алфавит, и о 20 аминокислотах, используемых при синтезе белков, каждая из них должна в качестве прообраза иметь одно (или более) синтезирующее ее слово.
Свойство связано с избыточностью. Состав каждого слова из 64 возможных был установлен лишь в 1965 году на основе многочисленных опытов. Выяснилось, что избыточность числа слов при синтезе некоторых белков используется природой для надежности правильности считывания информации. В итоге получилось, что каждая аминокислота кодируется разным числом триплетов (кодонов). Свойство кода назвали вырожденностью.
Таблица 2 — Количественные соотношения триплетов и аминокислот
Рассмотрим два дискретных множества Х и n, содержащие соответственно |X| и |n| элементов и отображение φ: n → Х. При представлении произвольных отображений множеств словами в алфавите Х получается множество Х n слов, каждое длиной n символов из имеющихся q = |X|, которые образуют алфавит текстовых сообщений. Удобно все слова Х n расположить в лексикографическом порядке в общий список.
Нашей целью в этой части работы является формирование кода, обеспечивающего кодирование (преобразование) передаваемых данных в форму удобную для передачи в пространстве и времени и трансляцию (перевод) с одного языка на другой понятный получателю сообщения.
Формирование кода предполагает выбор алфавита, определение регулярности, а при выборе регулярного кода, определение длины кодового слова, определение количества кодовых слов, определение побуквенного состава каждого слова.
Таблица 3 — Генетический код состоит из 64 кодовых слов из 3-х букв каждое
Таблица 4 — Обратные значения кодовой последовательности триплетов РНК
Дополнительные свойства кода, например, код не должен иметь запятой, определяются более жесткими требованиями к названным параметрам кода. Код без запятой должен иметь слова с максимальным периодом. Такие требования ориентированы на удобство последующего синтеза кодека. С этими положениями синтеза кода тесно связаны вопросы кодирования информации и ее декодирования.
Анализ кода
Совсем по-другому звучит задача анализа кода, когда код уже существует и используется, но о нем самом практически мало что известно. Кодированные сообщения доступны для обозрения и изучения, но они столь разнообразны и многочисленны, что принцип их создания не просматривается даже при весьма обширном их анализе.
Собственно, сама система кодирования также доступна для наблюдения и изучения, но уровень сложности ее построения и функционирования не позволяет получить полное качественное и достоверное описание.
Информация (данные) представляет собой сообщение, т.е. цепочку символов алфавита, которая с некоторой стартовой позиции может быть разбита на отрезки (блоки) длиной n символов, и каждый такой отрезок представляет собой кодовое слово. Код в этом случае блоковый.
На приемной стороне канала передачи сообщения получатель должен иметь возможность правильно разделять непрерывную цепочку символов сообщения на отдельные слова. Использование разделителей слов (запятой) нежелательно, так как требует ресурсов.
Синхронизация. Без выполнения синхронизации правильная трансляция сообщения невозможна. Отсюда вытекает одно из требований к формируемому коду – код должен быть устроен так, чтобы синхронизация обеспечивалась однозначно средствами (свойствами) самого кода и приемного устройства информации.
Определение. Процесс установления позиции, содержащей стартовый (начальный) символ кодового слова, называется синхронизацией.
Задача синхронизации просто решается, если в алфавите используется специальный символ-разделитель слов, например, запятая. Рамка считывания очередного кодового слова устанавливается непосредственно за разделителем.
Такой разделитель удобен, но нежелателен по нескольким причинам.
Для лучшей различимости слов кода они в полном списке возможных слов должны быть удалены одно от другого на некоторое расстояние, т.е. различаться составом значений символов, как векторы векторного пространства компонентами.
Следовательно, кодовыми словами могут быть не все и не любые слова множества Х n , а только лишь некоторое их подмножество D є Х n . Выбор символьного состава слов кода и представляет основную задачу его формирования, так как именно состав слов кода должен обеспечивать удовлетворение сформулированным требованиям к коду. Таким образом, будем далее рассматривать код без запятой.
Синхронизация кода без запятой. Покажем здесь, как может быть обеспечена однозначность синхронизации кода без запятой. Выберем два триплета кодовых слова вида х = (х1, х2, …, хn) и у = (у1, у2, …, уn). Образуем их конкатенацию х||у = (х1, х2, …, хn, у1, у2, …, уn). Эта конкатенация из двух слов позволяет породить еще n – 1 слово множества Х n путем многократных циклических сдвигов на одну позицию влево и выделения первых n символов сдвинутой последовательности. Введем важное понятие перекрытия пары слов.
Определение. При циклических сдвигах символов на шаг получаются слова вида (х2, …, хn, у1), (х3, …, хn, у1, у2)…( хn, у1,…, уn-2, уn-1), которые называются перекрытиями пары слов х и у.
Если все перекрытия в конкатенации для любой пары кодовых слов не являются кодовыми словами, то механизм приемной стороны (декодер) канала передачи информации имеет возможность устанавливать однозначно стартовую позицию. Это возможно при наличии у декодера списка D всех кодовых слов и возможности сопоставления их со считываемыми n символами из принятого сообщения.
Покажем, как это осуществляется. Пусть в принятой последовательности символов выбран и зафиксирован некоторый символ. Отсчитав n символов от фиксированного, декодер сопоставляет слово, которое получилось, со словами кодового списка. Если имеет место совпадение с одним из слов кодового списка, то синхронизация установлена. Фиксированный символ и его позиция стартовые.
Если совпадения нет ни с одним из слов списка кода, т. е. попали на слово-перекрытие, то это означает, что стартовая позиция расположена левее фиксированной позиции.
Сдвигаемся влево на одну позицию от фиксированной и повторяем действия предыдущего шага до тех пор, пока не получим на некотором шаге совпадения с одним из кодовых слов. Этот процесс обязательно имеет успешное завершение в правильной стартовой позиции, т. е. синхронизация в среднем устанавливается за число n/2 шагов.
Определение. Блоковым кодом без разделителя (запятой) называется подмножество D є Х n слов длины n в алфавите Х таких, что для любых двух кодовых слов х, у єD все перекрытия для них не являются кодовыми словами.
Мы уже установили, что такой код обеспечивает правильную синхронизацию в длинных цепочках кодовых слов без разделителей между ними. Какие же слова из множества Х n включаются в подмножество D є Х n ? Если мощность множества Х n делится на целые числа, то мощность D может быть одним из таких делителей (теорема Лагранжа о группах) и код при этом называется групповым блоковым кодом без запятой.
Состав символов в словах кода пока остается не установленным, так же, как и количество слов в D. Очевидно, что выбор конкретного подмножества D из Х n имеет много вариантов (сочетаний из Х n по D), из которых только немногие или возможно единственный удовлетворяет всем требованиям к коду без запятой. Нами рассмотрено одно из важных требований о перекрытиях, и это свойство слов кода может быть использовано в качестве фильтра для отсеивания непригодных вариантов при выборе D.
Перейдем к решению вопроса о числе слов в формируемом коде.
Мощность кода без запятой. Будем отыскивать наибольшее из возможных число слов в коде D, которое обозначим символом |D| = Wn(q). Точное значение получить не удается, но оценку сверху для количества слов получить возможно, используя понятие периода слова. Обозначим символом Т k х циклический сдвиг слова длиной n на k шагов, k k х = х и d ≤ n, d | n. Слова максимального периода d = n называются полноцикловыми (основными). Код без запятой включает в свой состав только полноцикловые слова.
Действительно, пусть кодовое слово х = (х1, х2, х3, х1, х2, х3 ) имеет период d