Расшифровка генома человека - подробности. Расшифровка генома человека растений и животных
Проект «Геном человека» — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 августа 2017; проверки требуют 13 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 августа 2017; проверки требуют 13 правок. Логотип проектаПроект Человеческий Геном (англ. The Human Genome Project, HGP) — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать 20—25 тыс. генов в человеческом геноме[1]. Этот проект называют крупнейшим международным сотрудничеством, когда-либо проводившимся в биологии[2]; он стал основой для международного проекта Genome Project-write[3].
Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Частной компанией Celera Corporation был запущен аналогичный параллельный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.
Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект
ru.wikipedia.org
Тайна генома человека | Синхрофазотрон
Это случилось 15 мая 2000 года на пресс-конференции в Белом доме, где руководитель фирмы «Cetera Genomics» Крейг Вентер заявил: «Это — величайшее событие за все сто тысяч лет человеческой истории…» Сенсацией стала «расшифровка» генома — совокупности человеческих генов.
Сразу же оговоримся, что под фразой «расшифровка генома», столь прижившейся на страницах журналов и газет, здесь и далее понимается составление точной последовательности нуклеотидов, что содержатся в молекуле человеческой ДНК, а не открытие всех имеющихся в ней генов.
В то же время в Лондоне проходила другая пресс-конференция, на которой главный редактор авторитетного журнала «Nature» Филип Кэмпбелл урезонивал ликующую публику: «Я перестаю понимать что-либо. Карта генома составлена на 97 процентов, расшифрована всего на 85 процентов, а истолкована лишь на 24 процента. Для чего они устроили эту пресс-конференцию?»
Многие противники Вентера также не понимали шумихи, развязанной вокруг расшифровки генома, ведь знание последовательности четырех нуклеотидов, из которых составлена нить ДНК, еще не дает никакого представления о том, как действует вся эта схема. Точно так же детали автомобиля, сложенные в одну огромную коробку, не помогают понять, с какой скоростью машина, собранная из них, домчится из пункта А в пункт В.
Важно знать не только набор непонятных значков, но и разобраться, где в этом странном тексте скрыты те или иные слова (гены). В генах — отдельных значимых участках ДНК — заложена информация о том, как изготавливать различные протеины и ферменты: эти вещества руководят всеми химическими процессами, протекающими в организме. Именно от генов зависит, какой протеин или фермент будет построен или с какой частотой будут повторяться соответствующие химические процессы.
Однако выявить гены нелегко. Точное число их неизвестно. В спирали ДНК имеется три миллиарда двести миллионов нуклеотидов, но в основном это «биологический» мусор, «чистая пленка», на которой ничего не записано. Гены занимают очень небольшую часть ДНК — около пяти процентов. Поэтому, даже расшифровав геном, ученые остаются в неведении, где тут гены, а где ничего не значащие участки. Представьте себе, что перед вами лежит видеокассета без всяких ярлычков. Разве вы сумеете по внешнему виду определить, есть ли на ней запись или нет?
Итак, надо выделить все наши гены, а потом выяснить, какую роль они играют в человеческом организме. Сразу же возникает один серьезный вопрос: сколько у человека генов? Еще учебники по биологии, написанные в 70-е годы прошлого века, утверждали, что у человека имеется от 70 до 100 тысяч генов. Лаборатории, занятые расшифровкой генома, поначалу надеялись, что удастся обнаружить (и запатентовать!) 150 000 генов. Однако по новейшей оценке ученых у нас всего 40 000 генов. Выходит, что в организме человека — «венца природы», способного на сложнейшие действия, только в два раза больше генов, чем в тельце червя Caenorhabditis elegans, состоящего всего из 959 клеток.
Странно! Неужели мы мало чем сложнее червя? Для чего нужен весь остальной «хлам»? Непонятно назначение всех этих «пустых» участков генома. Словом, поиск и истолкование генов, очевидно, займет гораздо больше времени, чем «расшифровка» генома. Вот они, многолетние будни генетиков!
Но вначале был праздник. «Мы делаем что-либо не потому, что это легко, а потому, что это тяжело. Только так можно достичь величия» — такими словами в понедельник 26 июня 2000 года президент США Билл Клинтон объявил об «одном из величайших достижений мысли за всю историю человечества». Впрочем, последнюю оценку дал не Клинтон, а один из главных участников этого события — Майкл Декстер, руководитель британской части международного проекта HGP (Human Genom Project — Проект по изучению человеческого генома).
В торжестве в Белом доме, благодаря спутниковой связи, принимали участие британский премьер Тони Блэр, а также исследователи генома Крейг Вентер и руководители проекта HGP. Конечно, пришлось проявить дипломатические таланты, чтобы одновременно пригласить непримиримых соперников в области расшифровки ДНК При составлении карты человеческого генома между ними шел упорнейший спор. Сотрудники фирмы Celera оказались быстрее, расшифровав за полтора года, как сообщил Вентер, 99% генома. Их конкурентам, участникам проекта HGP, потребовалось 10 лет, чтобы разгадать 97% генома.
«По своему значению это превосходит высадку человека на Луну. Я могу сравнить это открытие лишь с изобретением колеса, — восторженно заявил Майкл Декстер, явно укрупняя масштаб достигнутого. — Генетический код является квинтэссенцией человечества и будет актуальным, пока существуют люди».
Отклики прессы тоже были самыми восторженными. Газета «Нью-Йорк таймс» оповестила читателей о «революции в медицине». Произошло «важнейшее событие в науке за последние сто лет» — вторила ей канадская газета «Глоб энд мейл».Ученые сумели отвоевать у природы тайный план, по которому построен человеческий организм. Теперь, заявил Билл Клинтон, «мы научимся понимать язык, на котором Бог сотворил жизнь».
Эти события оказались в центре внимания СМИ, а вот другие недавние достижения генетиков — расшифровка геномов ряда животных (в основном микроорганизмов) — остались в тени. Еще весной 2000 года фирма Celera представила последовательность генов плодовой мушки Drosophila melanogaster, непременной участницы почти всех генетических открытий. В октябре того же года был расшифрован геном мыши — важнейшего модельного организма, помогающего исследовать человеческие болезни.
Прочитаны также геномы более полусотни микробов. Есть в этом списке и возбудители опасных заболеваний, например, туберкулеза и менингита. Ученые детально исследовали также геном бактерии Pseudomonas aeroginosa, вызывающей газовую гангрену. Теперь они выясняют, каким образом эти бактерии поражают человека и размножаются в нем, что в дальнейшем поможет найти новые методы лечения и создать эффективные лекарства.
Предварительные итоги
Итак, в 2000 году наконец удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди всякого биологического хлама затеряны отдельные «слова», то есть гены. Теперь одни специалисты заняты «биогерменевтикой»: они истолковывают добытую запись, отыскивая среди невнятицы знаков все новые гены. Другие ученые обратились к сотворенному генами — к протеинам.
На первый взгляд структура протеинов кажется очень простой. В их построении участвуют 20 натуральных аминокислот. Все они имеют одну общую формулу. По своей конфигурации аминокислота напоминает букву L. В ее основе лежит группа СН, составленная из атомов углерода и водорода.
Аминокислоты — это соединения, сочетающие свойства и кислоты, и щелочи. Если несколько аминокислот соединены друг с другом, возникает протеиновая цепочка. Ее можно сравнить с жемчужным ожерельем, где вместо жемчужин нанизаны аминокислоты. Схема расположения аминокислот четко определена генами.
В водном растворе цепочка аминокислот сворачивается в характерный клубок, каждый протеин имеет свою особую пространственную структуру. Сейчас известно лишь в общих чертах, по каким законам образуется этот клубок. Пока ученых больше всего изумляло разнообразие имеющихся в природе вариантов. Так, протеиновая цепочка, состоящая всего из 90 аминокислот, может в принципе образовать до десяти в восьмидесятой степени (единица с 80 нулями!) различных пространственных структур. Правда, из всего этого разнообразия в природе может реализоваться в виде биологически активных молекул лишь очень небольшое число вариантов.
Объясняется это разнообразие тем, что в клубке аминокислот между атомами соседних витков возникают особые водородные связи. Они устанавливаются между атомами водорода, с одной стороны, и атомами кислорода, азота и серы, с другой стороны.Если что-то в этих связях нарушится, образуется дефектный белок. Это та опасность для организма, которая может привести к тяжелому заболеванию. Например, такая известная сейчас болезнь как коровье бешенство, или губчатая энцефалопатия мозга, вызвана именно появлением в организме дефектного белка — приона (от английской фразы protein infectious— «инфекционный протеин»). Как только к человеку попадает в пише этот «белок-убийца», организм начинает его копировать, что в конечном итоге приводит) к гибели.
Сохранение правильной структуры протеинов — жизненно важная задача. Поэтому в живых клетках имеются особые молекулы — шапероны, которые следят за тем, чтобы дефекты не возникали. Функции этих молекул и способ их действия были выяснены лишь в последние годы.
Подведем предварительные итоги. Гены — это всего лишь «инструкция», «схема», по которой изготовлен подлинный «продукт» — протеины. Говоря образно, гены — поваренная книга, содержащая тысячи рецептов; протеины — угощение, приготовленное с их помощью.
Все живые организмы состоят прежде всего из протеинов. В жизненно важных процессах, протекающих внутри организмов, участвует невероятное их множество. Для большинства биохимиков стало теперь ясно, что многообразие жизненных процессов нельзя сводить исключительно к генам. Его обеспечивает другая стадия — стадия протеинов.
В начале XX века протеины уже находились в центре внимания ученых. Именно тогда ученые пришли к выводу, что белковые молекулы являются основными участниками жизненных процессов, и назвали их «протеинами» (от греческого слова protos — «первый»). Когда в середине века было доказано, что молекулы| ДНК содержат уникальную информацию о структуре белка, которая затем реализуется в виде цепочек аминокислот, тогда внимание ученых переключилось на генетический код живых организмов. Интерес вызывали прежде всего нуклеиновые кислоты, в частности ДНК и РНК, а вот протеины казались теперь чем-то второстепенным.
Еще в 60-е годы ученые выяснили приблизительный механизм возникновения протеинов. В ядре каждой клетки тела (за исключением красных кровяных телец) содержится точная схема всех протеинов, из которых состоит организм. Текст этой оригинальной инструкции представляет собой бесконечную цепочку из четырех нуклеотидов (азотистых оснований). Их комбинации составляют схему строения некоего протеина. Эта схема, как уже сказано, хранится в ядре клетки.
Перспектива-I: протеом
До недавнего времени считалось, что у каждого гена имеется схема всего одного протеина с одной-единственной функцией. Однако теперь выяснилось, что все гораздо сложнее, чем полагали прежде. Так, у человека один и тот же ген иногда участвует в синтезе нескольких протеинов (всего их может быть до двух десятков!).
Мало того, многие протеины со временем меняются, и гены никак не влияют на этот процесс. Происходит это путем присоединения к белкам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти преобразования, как и формирования пространственной структуры протеина, никак не отмечены в каких-либо схемах (генах).
Другими словами, даже если генетикам удастся полностью истолковать весь геном, они — вернемся к нашему кулинарному сравнению — окажутся в положении посетителя ресторана, который заказал несколько блюд из предложенного ему меню, но, когда их список был отправлен на кухню, с удивлением узнал, что на этой «протеиновой кухне» все равно приготовят «что-нибудь на свое усмотрение», выбрав такие добавки и приправы, о каких в заказе не было и речи.
По аналогии с геномом — совокупностью всех человеческих генов — сумму всех протеиновых молекул, сформированных в клетке в определенный момент времени, называют «протеомом». Геном говорит, какие процессы могут теоретически протекать внутри данной клетки, а протеом, судя по имеющимся в наличии протеинам, подсказывает, что в самом деле здесь происходит.
Геном имеет неизменный вид — протеом постоянно меняется. Ведь на состав протеинов влияют самые разные факторы: выбор питательных веществ и приток кислорода, перенесенный внезапно стресс, принятые по рецепту лекарства, и даже механическое давление. Организм все время реагирует на состояние окружающей среды, пытаясь сохранить физиологическое равновесие (например, нормальное кровяное давление или температуру тела, равную 36,6 °С). Для этого приходится нейтрализовать влияние внешних факторов, которые стремятся, наоборот, вывести организм из равновесия. Эта борьба протекает с переменным успехом, например, при недоедании приходится тратить накопленные прежде питательные вещества; если же в них наблюдается избыток, то можно отложить порцию их про запас. Все эти процессы связаны с синтезом, метаморфозом и разложением протеинов. Итак, «протеом» — это опись имущества клетки по состоянию на данную минуту или моментальное фото, запечатлевшее одно из мгновений в жизни клетки.
Анализировать протеины труднее, чем подсчитывать и оприходовать гены Ведь протеины подчас изменчивы, как Протей; они меняют свою структуру, если меняется окружающая их среда, и, в отличие от ДНК, их вряд ли размножишь в пробирке. Если расшифровка генома (точнее, составление его карты) была автоматизирована так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как насмешливо заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, один из открывателей структуры ДНК, то методы анализа протеинов гораздо сложнее.
Однако, невзирая на эти проблемы, все больше университетских ученых берется за честолюбивую задачу — анализ протеома. Их увлекают новые методы лечения больных и синтез новых лекарств. Если удастся полностью описать протеомы различных клеток, то можно было бы и фиксировать изменения, происходящие с ними. Очень важно знать, что происходит с клетками человека, когда он сидит на диете или занимается спортом, принимает лекарства или получает травму. А как меняется запас протеинов с возрастом? А чем ответит протеом на появление в организме раковой опухоли?
Отвечая на вопрос, для чего нужна расшифровка генома, ученые неизменно вспоминали, что знание генов поможет оберечь человека от наследственных недугов. Однако не все болезни передаются нам по наследству. Многие никак не связаны с «родовым проклятием». Выявить эти болезни в зародыше можно, лишь узнав, как внезапно изменился состав протеинов внутри наших клеток. Поэтому ученые стремятся понять, какие протеины неожиданно появляются в организме при том или ином недуге, постигшем его, а какие, наоборот, сразу же исчезают. По этим переменам в перечне протеинов можно узнать о подспудных процессах, начавшихся в организме. Узнать и вовремя вмешаться.
Таким образом, одну из важнейших целей, стоящих перед учеными, занятыми анализом протеома, можно сформулировать так: поиск характерных изменений протеома, присущих различным видам заболеваний. Это облегчит диагностику (позволит, например, распознавать разные виды опухолей) и поможет избежать неправильного лечения. В то же время собранные сведения дают возможность выбрать четко обоснованную терапию. Болезнь можно будет лечить применительно к анатомии и физиологии данного конкретного человека. Наконец, упомянем еще одну причину, по которой биохимики увлеченно занимаются протеомом: в клетках человека имеется множество совершенно непонятных протеинов — лишь тщательное наблюдение за ними позволит уяснить, для чего они нужны.
Но как упростить этот метод, чтобы можно было быстро анализировать содержимое клетки?
Перспектива-II: лекарства для каждого человека
Чтобы увидеть состав протеома, ученые прибегают к двухмерному гелевому электрофорезу. Процедура эта протекает в два этапа. Сперва протеины клетки сортируются по их заряду. Затем они попадают в полимерный гель. Он играет роль сита здесь протеины разделяются по их величине Затем их маркируют; в прозрачном растворе хорошо видны крохотные черные, синие или флуоресцирующие пятнышки. Вот так можно составить что-то вроде визитной карточки данной клетки, — карточки, в которой примерно указан состав протеинов. Если человек заболеет, узор пятен на «карточке» — электрофореграмме — изменится. Регулярно сравнивая протеомы больной и здоровой клетки, можно совсем по-иному взглянуть на течение болезни и процессы, ей сопутствующие.
Чтобы распознать, какие протеины скрыты за красочными точками, пятнающими «визитную карточку», биохимики придумали новый метод. С помощью особых «режущих ферментов» можно разложить любой неизвестный нам протеин на крохотные составляющие — их легче анализировать. Так появляется новая картинка, ведь у каждого протеина свой особый набор элементов.
Этот процесс можно не только наблюдать в лаборатории, но и имитировать на компьютере. Когда речь идет об уже известных протеинах, ученые располагают банком данных, где собраны сведения о том, как выглядят продукты разложения того или иного белка под действием определенного фермента. Сравнивая элементы, полученные в пробирке, с каталогом элементов, можно установить, какой протеин был в пробирке. Если ничего похожего в каталоге не нашлось, то с помощью масс-спектрометра исследуют фрагменты протеина.
Ученые стремятся повысить чувствительность этого метода, ведь количество протеинов, которое можно выделить из геля, очень мало. Уже сейчас точность методов такова, что можно идентифицировать миллионную долю миллиграмма.
Впрочем, как и в случае с расшифровкой генома, слышны критические голоса. Раздражает, например, что столько денег тратится на поиски иголки в стоге сена. Ведь по оценкам биохимиков, в сложных клетках насчитывается до 30 тысяч протеинов. Функции большинства этих белковых молекул пока неизвестны.
Вальтер Шуберт из Магдебургского университета предлагает другую методику. Он считает ненужным разлагать протеин для его идентификации. С помощью запатентованной недавно лазерной технологии он исследует сети, свитые внутри клетки крупными протеинами. Его интересует не состав протеинов, а то, как они ведут себя, реагируя на изменения в организме. Действуя по такой схеме, можно довольно быстро выявить важнейшие протеины, которые отвечают за ту или иную болезнь.
Кстати, вместе с коллегами Шуберт сумел обнаружить в таком вот ключевом протеине, что встречается в клетках опухолей, особую «ориентационную память», которая дает им возможность образовывать в организме метастазы.
Как только удастся выявить протеин, вызывающий болезнь, можно изготовить лекарство, которое справится с ней. По этому методу уже разработаны ингибитор (от латинского слова inhibeo — «сдерживаю», «останавливаю») для сдерживания протеолитичес-ких ферментов, используемый при лечении больных ВИЧ-инфекцией, а также ингибитор для сдерживания нейраминазы, используемый при лечении больных гриппом.
Однако фантазии биохимиков простираются дальше. Им грезятся индивидуальные лекарства. Если прежде врачи могли лишь осторожно предлагать больному тот или иной препарат, надеясь, что он ему поможет, то теперь ученые полагают, что, зная содержание протеинов, можно в точности подобрать лекарственные компоненты, которые нужны именно этому пациенту.
Конечно, пока еще даже не ясно, сбудутся ли эти мечты, однако уже сейчас фармацевты и генетики объявили протеомику одним из важнейших направлений науки XXI века.
Среди тех, от кого ожидают успехов, возможно, окажется и Крейг Вентер — человек, сделавший себе имя на расшифровке генома.
Читать дальше:
Каким образом Кумранские свитки, найденные в районе Мертвого моря, проливают свет на содержание Библии и историю ее написания
Исследования туринской плащаницы. Доводы в пользу того, что это подделка, и доводы ее божественного происхождения.
Загадки золотой бабы. Где родина шумеров. Загадка Баальбекского храма. Кто были первые американцы.
sfztn.com
Расшифровка генома человека — путь к пониманию себя
Не один десяток лет ученые со всего мира заняты одной из самых сложных задач — расшифровкой генома человека. Миллиарды долларов, тысячи часов и вообще колоссальные человеческие ресурсы тратятся на исследование самого сложного в истории шифра — кода ДНК.
Но понимаем ли мы, насколько важно данное исследование? Абсолютно точно, что расшифровка генома человека даст совершенно новый виток в развитии человечества. Мы станем лучше понимать человеческую природу, глубже познаем самих себя.
Не секрет, что не только наша внешность, но и наша сущность во многом определена именно генетикой. Казалось бы, что мы сами вершим свою судьбу.
Но факт остается фактом — лишь определенная последовательность атомов в молекуле нашей ДНК определяет: насколько светла наша кожа, насколько мы склонны к определенному заболеванию, насколько мы общительны и насколько охотно «закладываем за воротник». Наши гены могут рассказать о нас больше, чем мы можем предположить. Такова суть генетики.
Ниже примеры некоторых неочевидных вещей, которые определяет наша генетика.
Склонность к ожирению
В результате проведенных испытаниях генотипа мышей, ученым из США удалось выявить дефектный ген СЕР19. Изменение этого гена приводит к тому, что аппетит у животных повышался, а обмен веществ замедлялся. Как результат, животные быстро набирали вес.
Вероятно, именно из-за мутаций в этом гене, некоторым людям никак не удается похудеть, несмотря на здоровое питание и активные физические нагрузки. Так-то.
Интеллектуальные способности
Неутомимые британские ученые (в то время, как их японские коллеги занимались более веселыми вещами) обнаружили ген, напрямую влияющий на количество серого вещества, на качество нейронных связей и толщину коры головного мозга.
Однако ген, названный NTPN, может объяснить лишь часть различий в умственных способностях нашего мозга, поскольку уровень интеллекта и наши когнитивные способности зависят от множества других внешних факторов.
Возможно, все дело в том, что трудолюбивые британские ученые просто еще недооткрыли другие важные гены. А, может, правы другие светила – далеко не все зависит от генетики.
Музыкальная одаренность
Почему у одних людей есть музыкальные способности, а другим медведь на ухо наступил? Ответ на этот вопрос попытались найти ученые из Хельсинки. Они провели ряд тестов на музыкальные способности и слух среди множества семей. Обнаруженное различие в геноме музыкантов и тех, кто никакого отношения к музыке не имел, заключалось в наличии гена GATA2.
Этот ген важен для правильного формирования во внутреннем ухе особых клеток – волосковых. Данные клетки отвечают за восприятие нами звуковых волн. Более того, генетика определяет наши музыкальные предпочтения. Однако это влияние заметно пока мы молоды. Чем старше мы становимся, тем существенней влияние оказывает именно внешнее окружение.
Поэтому не стоит удивляться, что какому-то вашему товарищу нравится такое «дерьмо» какое-то не очень хорошее, на ваш взгляд, музыкальное произведение. Все получили разные мозги и слуховые центры в них. И все из-за генов.
Пагубные привычки
Ученые во всех уголках мира пытаются выяснить раз и навсегда – существуют ли в ДНК человека гены, ответственны за злоупотребление чем-либо.
Для разгадки данного вопроса сотрудники Йельской школы общественного здоровья приняли к рассмотрению людей, злоупотребляющих, как минимум, двумя различными наркотическими веществами: алкоголем, никотином, наркотиками растительного происхождения (кокаин, марихуана, опиаты) или другими типами наркотиков.
В этом направлении была произведена частичная расшифровка генома пойманных на американских улицах наркош и ЗОЖ-обывателей.
Действительно, выявлены 2 группы генов, которые так или иначе связаны с развитием зависимостей. Однако генетическая предрасположенность оказывает совсем не такую значительную роль в формировании привычек, как мы думаем.
Основное влияние на образ жизни имеют социальные факторы и окружение. И попытки оправдать свои пагубные пристрастия «плохими генами» не имеет никакой рациональной подоплеки. Ну только если совсем чуть-чуть имеет.
Тяга к приключениям
Одни люди стремятся никогда не покидать свою зону комфорта, в то время как другие, не задумываясь, стремятся навстречу приключениям. Такая существенная разница объясняется наличием гена DRD4-7R, названным «геном жажды странствий», наличие которого вызывает непреодолимую тягу к переменам.
Встречается он приблизительно у каждого пятого, именно его присутствие подталкивает людей к непрерывной смене мест жительства, работы, окружения. Последние исследования связывают этот ген не только с романтической любовью к путешествиям.
В основном наличие гена DRD4-7R определяет, насколько рисковым является человек. Среди областей, в которых обладатели гена готовы рисковать, присутствуют также: исследования новых идей, еды и отношений, наркотиков и секса.
Выводы
Можно много говорить и оправдывать свою лень, несносный характер и образ жизни ссылаясь на генетику. Действительно, большинство наших «тараканов» унаследовано и закодировано еще на момент зачатия. Однако важно не забывать, что какие-либо склонности лишь подталкивают нас к определенным действиям, но не определяют нашего поведения. Склонности есть как полезные, так и дурные.
Расшифровка человеческой ДНК невероятно важна для каждого отдельного человека. Это позволит человечеству эффективней бороться не только с генетическими заболеваниями, но и позволит также успешно предотвращать и социальные недуги. Изучение своих природных задатков дает возможность каждому из нас понять себя, свои способности и таланты. Нужно лишь чуть приложить усилие для их раскрытия.
Уважаемые читатели блога Pererojdenie.info, как вы думаете, необходимы ли расшифровка генома человека или лучше туда не лезть, оставляйте комментарии или отзывы. Кому то это очень пригодиться!
Оцените этот пост, я старался:
pererojdenie.info
Расшифровка генома человека - подробности
www.svoboda.org
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА | Энциклопедия Кругосвет
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). Исходная идея проекта зародилась в 1984 среди группы физиков, работавших в Министерстве энергетики США и желавших заняться другой задачей после завершения работ в рамках ядерных проектов.
В 1988 Объединенный комитет, куда входили Министерство энергетики США и Национальные институты здоровья, представили обширный проект, в задачи которого – помимо секвенирования генома человека – входило всестороннее изучение генетики бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши (эти организмы широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека). Кроме того, предусматривался детальный анализ этических и социальных проблем, возникающих в связи с работой над проектом. Комитету удалось убедить Конгресс выделить на проект 3 млрд. долларов (один нуклеотид ДНК – за один доллар), в чем немалую роль сыграл ставший во главе проекта Нобелевский лауреат Дж.Уотсон. Вскоре к проекту присоединились другие страны (Англия, Франция, Япония и др.). В России в 1988 с идеей секвенирования генома человека выступил академик А.А.Баев, и в 1989 в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека».
В 1990 была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д.Мирзабеков. С самого начала работ по геномному проекту ученые договорились об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-й и 19-й хромосом. Вскоре финансирование этих работ в нашей стране было урезано, и реального участия в секвенировании Россия не принимала. Программа геномных исследований в нашей стране была полностью перестроена и сконцентрирована на новой области – биоинформатике, которая пытается с помощью математических методов понять и осмыслить все, что уже расшифровано.
Закончить работу предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005. Однако скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год по всему миру, то на исходе 1999 частная американская фирма «Celera», возглавляемая Дж.Вентером (J.Venter), расшифровывала не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Этого удалось достичь благодаря тому, что секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок; они работали круглосуточно, функционировали в автоматическом режиме и сразу же передавали всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизировалась, аннотировалась и становилась доступной ученым всего мира. Кроме того, фирма «Celera» широко использовала данные, полученные в рамках Проекта другими его участниками, а также разного рода предварительные данные. 6 апреля 2000 состоялось заседание Комитета по науке Конгресса США, на котором Вентер заявил, что его компания завершила расшифровку нуклеотидной последовательности всех существенных фрагментов генома человека и что предварительная работа по составлению нуклеотидной последовательности всех генов (предполагалось, что их 80 тыс. и что они содержат примерно 3 млрд. нуклеотидов) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось.
Доклад был сделан в присутствии представителя HUGO, крупнейшего специалиста по секвенированию д-ра Р.Уотерсона. Расшифрованный фирмой «Celera» геном принадлежал анонимному мужчине, т.е. содержал как X-, так и Y-хромосомы, а HUGO использовали в своих исследованиях материал, полученный от разных людей. Между Вентером и HUGO велись переговоры о совместной публикации результатов, однако они закончились безрезультатно из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. По мнению компании «Celera», об этом можно говорить лишь в том случае, если гены полностью секвенированы и известно, как расшифрованные сегменты располагаются в молекуле ДНК. Этому требованию удовлетворяли результаты «Celera», в то время как результаты HUGO не позволяли однозначно определить взаимное положение расшифрованных участков. В результате в феврале 2001 в специальных выпусках двух авторитетнейших научных журналов, «Science» и «Nature», были раздельно опубликованы результаты исследований «Celera» и HUGO и приведены полные нуклеотидные последовательности генома человека, охватывающие около 90% его длины.
Общебиологическое значение исследований, проведенных в рамках Проекта.
Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых; без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Их расшифровка ведется все возрастающими темпами. Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 генома бактерии Haemophilus influenzae, позже были полностью расшифрованы геномы более 20 бактерий, среди которых – возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 картировали геном первой эукариотической клетки (клетки, содержащей оформленное ядро) – дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolits elegans (нематоды). Завершена расшифровка генома первого насекомого – плодовой мушки дрозофилы и первого растения – арабидопсиса. У человека уже установлено строение двух самых маленьких хромосом – 21-й и 22-й. Все это создало основы для создания нового направления в биологии – сравнительной геномики.
Знание геномов бактерий, дрожжей и немтоды дает биологам-эволюционистам уникальную возможность сравнения не отдельных генов или их ансамблей, а целиком геномов. Эти гигантские объемы информации только начинают осмысливаться, и нет сомнения, что нас ждет появление новых концепций в биологической эволюции. Так, многие «личные» гены нематоды, в отличие от генов дрожжей, скорее всего связаны с межклеточными взаимодействиями, характерными именно для многоклеточных организмов. У человека генов только в 4–5 раз больше, чем у нематоды, следовательно, часть его генов должна иметь «родственников» среди известных теперь генов дрожжей и червя, что облегчает поиск новых генов человека. Функции неизвестных генов нематоды изучать гораздо проще, чем у аналогичных генов человека: в них легко вносить изменения (мутации) или выводить их из строя, одновременно прослеживая изменения свойств организма. Выявив биологическую роль генных продуктов у червя, можно экстраполировать эти данные на человека. Другой подход – подавление активности генов с помощью особых ингибиторов и отслеживание изменений в поведении организма.
Весьма нтересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает компьютерный анализ, у C.elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно – занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы, межгенные участки и т.д., т.е. на ДНК с неизвестными функциями. Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Налицо парадокс: эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с «разбавлением» генома – на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации «ни о чем», на самом деле просто непонятой и непрочитанной нами. Много лет назад Ф.Крик, один из авторов «двойной спирали» – модели ДНК, – назвал эту ДНК «эгоистической», или «мусорной». Возможно, какая-то часть ДНК человека действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что основная доля «эгоистической» ДНК сохраняется в ходе эволюции и даже увеличивается, т.е. почему-то дает ее обладателю эволюционные преимущества. Никаких объяснений такого феномена в настоящее время не существует, и без детального анализа нуклеотидных последовательностей геномных ДНК их дать невозможно.
Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома. Вообще говоря, геном человека высококонсервативен. Мутации в нем могут либо повредить его, и тогда они приводят к тому или иному дефекту или гибели организма, либо оказаться нейтральными. Последние не подвергаются отбору, поскольку не имеют фенотипического проявления. Однако они могут распространяться в популяции, и если их доля превышает 1%, то говорят о полиморфизме (многообразии) генома. В геноме человека очень много участков, различающихся всего одним-двумя нуклеотидами, но передающихся из поколения в поколение. С одной стороны, этот феномен мешает исследователю, поскольку ему приходится разбираться, имеет ли место истинный полиморфизм или это просто ошибка секвенирования, а с другой – создает уникальную возможность для молекулярной идентификации отдельного организма. С теоретической точки зрения вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных.
Практические приложения.
Самые большие надежды и ученые, и общество возлагают на возможность применения результатов секвенирования генома человека для лечения генетических заболеваний. К настоящему времени в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе и такие серьезные, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, хорея Гентингтона, наследственный рак молочной железы и яичников. Структуры этих генов полностью расшифрованы, а сами они клонированы. Еще в 1999 была установлена структура 22-й хромосомы и определены функции половины ее генов. С дефектами в них связано 27 различных заболеваний, в том числе шизофрения, миелолейкоз и трисомия 22 – вторая по распространенности причина спонтанных абортов. Самым эффективным способом лечения таких больных была бы замена дефектного гена здоровым. Для этого, во-первых, необходимо знать точную локализацию гена в геноме, а во-вторых – чтобы ген попал во все клетки организма (или хотя бы в большинство), а это при современных технологиях невозможно. Кроме того, даже попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается ею как чужой, и она пытается избавиться от него. Таким образом, «вылечить» удается только часть клеток и только на время. Еще одно серьезное препятствие на пути применения генной терапии – мультигенная природа многих заболеваний, т.е. их обусловленность более чем одним геном. Итак, массового применения генной терапии в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать, хотя успешные примеры такого рода уже есть: удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена. Исследования в этой области ведутся по всему миру, и, может быть, успехи будут достигнуты раньше, чем предполагается, как это и произошло с секвенированием генома человека.
Еще одно важное применение результатов секвенирования – идентификация новых генов и выявление среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Так, есть данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыто уже семь генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Это позволит проводить раннюю (и даже пренатальную) диагностику заболеваний, предрасположенность к которым уже установлена.
Широкое применение несомненно найдет и еще один феномен: обнаружилось, что разные аллели одного гена могут обусловливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства лекарств, предназначенных разным группам пациентов. Это поможет избежать побочных эффектов терапии, снизить миллионные затраты. Возникает целая новая отрасль – фармакогенетика, которая изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут повлиять на эффективность лечения. Появятся совершенно новые подходы к созданию лекарственных средств, основанные на открытии новых генов и изучении их белковых продуктов. Это позволит перейти от неэффективного метода «проб и ошибок» к целенаправленному синтезу лекарственных веществ.
Важный практический аспект вариабельности генома – возможность идентификации личности. Чувствительность методов «геномной дактилоскопии» такова, что достаточно одной капли крови или слюны, одного волоса, чтобы с абсолютной достоверностью (99,9%) установить родственные связи между людьми. После секвенирования генома человека этот метод, использующий теперь не только специфические маркеры в ДНК, но и однонуклеотидный полиморфизм, станет еще более надежным. Вариабельность генома породила направление геномики – этногеномику. Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для данного этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология, лингвистика. Еще одно интересное направление – палеогеномика, занимающаяся исследованием древней ДНК, извлеченной из останков, найденных в могильниках и курганах.
Проблемы и опасения.
Финансирование «геномной гонки» и участие в ней тысяч специалистов основывались прежде всего на постулате, что расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК сможет решить фундаментальные проблемы генетики. Оказалось, однако, что лишь 30% генома человека кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов в ходе развития. Каковы функции остальных участков ДНК и есть ли они вообще – остается совершенно неясным. Около 10% генома человека составляют так называемые Alu-элементы длиной 300 п.н. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции у приматов, и только у них. Попав к человеку, они размножались до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом, то образуя сгустки, то прерывая гены.
Другая проблема касается самих кодирующих участков ДНК. При чисто молекулярно-компьютерном анализе возведение этих участков в ранг генов требует соблюдения сугубо формальных критериев: есть в них знаки пунктуации, необходимые для прочитывания информации, или нет, т.е. синтезируется ли на них конкретный генный продукт и что он собой представляет. В то же время роль, время и место действия большинства потенциальных генов пока неясны. По мнению Вентера, для определения функций всех генов может потребоваться не меньше ста лет.
Далее необходимо договориться, что вкладывать в само понятие «геном». Часто под геномом понимается лишь генетический материал как таковой, однако с позиции генетики и цитологии его составляет не только структура элементов ДНК, но и характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать и как пойдет индивидуальное развитие при определенных условиях среды. И наконец, нельзя не упомянуть о феномене так называемой «неканонической наследственности», привлекшем к себе внимание в связи с эпидемией «коровьего бешенства». Эта болезнь стала распространяться в Великобритании в 1980-х годах после того, как в корм коровам стали добавлять переработанные головы овец, среди которых встречались овцы, больные скрэпи (нейродегенеративное заболевание). Сходная болезнь стала передаваться людям, употреблявшим в пищу мясо больных коров. Обнаружилось, что инфекционным агентом являются не ДНК или РНК, а белки прионы (от англ. prions, protein infections particles, белковые инфекционные частицы). Проникая в клетку-хозяина, они изменяют конформацию нормальных белков-аналогов. Феномен прионов обнаружен также у дрожжей.
Таким образом, попытка представить расшифровку генома как чисто научно-техническую задачу несостоятельна. А между тем такой взгляд широко пропагандируется даже весьма авторитетными учеными. Так, в книге Код кодов (The Code of Codes, 1993) У.Гилберт, открывший один из методов секвенирования ДНК, рассуждает о том, что определение нуклеотидной последовательности всей ДНК человека приведет к изменениям в наших представлениях о самих себе. «Три миллиарда пар оснований могут быть записаны на одном компакт-диске. И любой может вытащить из кармана свой диск и сказать: «Вот он – Я!» Между тем необходимо знать не только порядок следования звеньев в цепи ДНК и не только взаимное расположение генов и их функции. Важно выяснить характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать в конкретных условиях – внутренних и внешних. Ведь многие болезни человека обусловливаются не дефектами в самих генах, а нарушениями их согласованных действий, системы их регуляции.
Расшифровка генома человека и других организмов не только привела к прогрессу во многих областях биологии, но и породило множество проблем. Одна из них – идея «генетического паспорта», в котором будет указано, несет ли данный человек опасную для здоровья мутацию. Предполагается, что эти сведения будут конфиденциальными, но никто не может гарантировать, что не произойдет утечки информации. Прецедент уже был в случае «генетической паспортизации» афроамериканцев с той целью, чтобы определить, являются ли они носителями гена гемоглобина, содержащего мутацию, которая связана с серповидноклеточной анемией. Эта мутация распространена в Африке в малярийных районах, и если она присутствует в одном аллеле, то обеспечивает носителю устойчивость к малярии, обладатели же двух копий (гомозиготы) умирают в раннем детстве. В 1972 в рамках борьбы с малярией на «паспортизацию» было истрачено более 100 млн. долл., а после выполнения программы выяснилось, что а) у здоровых людей, носителей мутации, возникает комплекс вины, эти люди чувствуют себя не совсем нормальными, и такими их начинают воспринимать окружающие; б) появились новые формы сегрегации – отказ в приеме на работу. В настоящее время некоторые страховые компании выделяют средства на проведение ДНК-тестов в отношении ряда заболеваний, и если будущие родители, носители нежелательного гена, не соглашаются на прерывание беременности и у них рождается больной ребенок, им могут отказать в социальной поддержке.
Другая опасность – эксперименты по трансгенозу, созданию организмов с пересаженными от других видов генами, и распространению таких «химер» в окружающей среде. Здесь особую опасность представляет необратимость процесса. Если атомную станцию можно закрыть, использование ДДТ и аэрозолей прекратить, то изъять из биологической системы новый организм невозможно. Мобильные гены, открытые МакКлинток у растений, и сходные с ними плазмиды микроорганизмов передаются в природе от вида к виду. Ген, вредный или полезный (с точки зрения человека) для одного вида, может со временем перейти к другому виду и непредсказуемым образом изменить характер своего действия. В Америке мощная биотехнологическая компания «Монсанто» создала сорт картофеля, в клетки которого включен бактериальный ген, кодирующий токсин, который убивает личинок колорадского жука. Утверждается, что этот белок безвреден для человека и животных, однако страны Европы не дали разрешения на выращивание у себя этого сорта. Картофель испытывается в России. Опыты с трансгенными растениями предусматривают строжайшую изоляцию делянок с подопытными растениями, однако на охраняемых полях с трансгенными растениями Института фитопатологии в Голицыне под Москвой ремонтные рабочие выкопали картошку и тут же ее съели. На юге Франции ген устойчивости к насекомым «перескочил» от культурных растений к сорнякам. Другой пример опасного трансгеноза – выпуск в озера Шотландии лосося, который набирает вес в 10 раз быстрее, чем обычный лосось. Существует опасность, что этот лосось попадет в океан и нарушит сложившееся популяционное равновесие у других видов рыб.
www.krugosvet.ru
Расшифровка генома человека | EUROLAB
Д.Романов. [email protected]
Все мы были поставлены в понедельник, 12 февраля 2001г. перед уникальным фактом в мире научных достижений – сразу две большие, независимые друг от друга группы учёных сделали заявление о полной расшифровке генома человека. Это заявление вызвало к генетике новый повышенный интерес, потому что нас давно волнует – почему мы бываем душевнобольными, способными к творчеству, навязчивыми, уязвимыми и т.д.? Какова роль в этом наших генов и веществ окружающей среды? Что первично, что вторично – «курица или яйцо»?
Что за наука «генетика», к которой мы вправе обратиться с такими вопросами? И что означает весь этот «шум»?
Генетика, выражаясь просто, «наука о наследственности». Родилась она под пером монаха Грегора Менделя в 1866 году. Он показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде обособленных единиц. Позже, в 1909г. датчанин Йогансен назвал эти единицы генами. Ген оказался в высшей степени самодостаточным. Являясь молекулой, он может воспроизводить себя. Оказалось, что всё живое вокруг нас есть носителями генов ( вся совокупность которых в организме носит название «геном»).
Зная эту информацию и наслаждаясь многообразным проявлением окружающего мира, учёные, да и все мы, законно считали, что у всех организмов разные гены. Однако с развитием биохимии, биофизики, цитологии (науки о клетке) выяснилось, на фоне внешнего различия, поразительное внутреннее сходство окружающего мира. Основа строения и функции всего живого - едина. Все организмы и даже вирусы (которые считаются переходной формой живого и неживого) содержат одни и те же химические вещества, которые образуют главную молекулу генетической памяти организма - дезоксирибонуклеиновую кислоту, или ДНК. В своё время, за шаг от теории к конкретной структуре ДНК, исследователи Уотсон и Крик получили в 1953г. Нобелевскую премию. А теперь расшифрован геном человека, и удивительное сообщение, что количество наших генов в ДНК вместо предполагаемых 100 000 оказалось лишь 30 000. К примеру, в геноме круглого червя их 19 000, т.е. по количеству у нас на треть больше. Или в пять раз больше, чем у пекарских дрожжей. Другой удивительный факт, что количество наших генов совпадает с таковым у мышей. Более того, мы отличаемся от мыши всего 300 другими генами, а 113 (или более) вообще заимствовали у вирусов и бактерий. «Фактически, пишет в своём сообщении Dr. Claverie, с 30 000ми генов, каждый из которых прямо взаимодействует в среднем с 4-5ю другими, человеческий геном не более сложен, чем современный реактивный самолёт, который содержит 200 000 уникальных частей, каждая из которых взаимодействует в среднем с 3-4 другими». /The New York Times, Feb,13,2001/
Связанные с открытием, нас начинают интересовать самые разные подробности, как-то: «Между 40-60% зависимость от алкоголя, опиатов и кокаина являются генетическими», или более фундаментальное: «Эффект генов в таких сложных характеристиках, как поведение, вероятно, не предопределён» - высказываются исследователи из Лондонского Королевского Университета. Нам становится от них же известно следующее: «Несомненно, гены более важны, чем окружающая среда, в поведении человека<..> но делать умозаключение из этого, что криминальный инстинкт, спортивное мастерство или гомосексуальность генетически достоверны, научно не подтверждено».
Благодаря генетике человека мы стали много знать о генетических болезнях. Знать так много, что фактор естественного отбора по наследственности стал ничтожно мал. Знать так мало, что до сих пор рак, генетически обусловленный, ежедневно уносит в США жизни 2000 человек. Поэтому наши надежды по излечению рака так сильно связываются с этим открытием.
Кроме того, расшифровка «ДНК человеческого генома опрокинет психологию и психиатрию». «Знание генома станет чрезвычайно полезным в распознавании психических расстройств генетической природы и первым шагом к производству лекарств душевнобольным» - сообщают исследователи из Лондонского Королевского Университета.
Лидеры мировой фармацевтической индустрии (Pfizer, Immunex Corp.) уже эффективно используют открытие в поисках новых лекарств, прекращающих работу опасных генов до развития болезни. Наступает новая эра, когда лекарство можно проектировать на компьютере, а не изобретать эмпирически, как это было до сих пор.
Молодая и интересная наука генетика блестяще развивается. Но на фоне ярких эпизодов нам не стоит забывать о страшном опыте, когда её знание было поставлено на идеологическую службу. Ещё Ф.Гальтон, двоюродный брат Чарльза и Эразма Дарвина опубликовал статью «Наследование таланта и характера» (1865г.) и «Изучение способностей человека и их развития» (1883г.). Его «исследованиями» был сделан вывод о том, что большие способности и достижение известности прямо зависят от наследственности. И на этом основании предлагал создание иерархического общества со сверхлюдьми, которые получались бы при рождении от одарённых родителей. Наука об улучшении потомства стала называться «евгеника».
В Германии евгеника стала называться «расовой гигиеной». Движение под этим названием предостерегало людей от «загрязнения расы», выступало против «открытого общества» с человеческими свободами. Впоследствии
нацистская идеология «окончательно решала еврейский вопрос» убийством в начале 40х почти 6 миллионов евреев.
С новым открытием может случиться, что при приёме на работу в будущем нам смогут отказать на основании наших генетических особенностей, а страховые компании перестанут страховать нас от болезней, вероятность которых будет видна в наших генах.
Поэтому Конгрессом США был недавно принят закон, пресекающий саму возможность дискриминации человека по генетическим признакам.
Любая гуманная инициатива, бесспорно, должна находить поддержку и в нашем обществе.
Даже с великими открытиями мы продолжаем малыми шагами придвигаться к сути нашего существования: «Практически, наша способность преобразовать наше знание в понимание генов, горестно неадекватна»- завершил пресс-конференцию по открытию генома Dr.Venter.
Другими словами, сделано великое открытие, но осознать всю полноту его значимости нам пока не дано. За генетическим сходством предстоит глубже разобраться в различии. Всё живое прошито одной нитью под именем ДНК, и взаимозависимо друг от друга. Планета нашего обитания шире, чем просто Земля, как утверждал «ноосферой» В.И.Вернадский.
www.eurolab.ua
ВПЕРВЫЕ ОГРОМНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ "ЧЕРТЕЖ" МНОГОКЛЕТОЧНОГО СУЩЕСТВА ПРОЧИТАН ПОЛНОСТЬЮ. НА ОЧЕРЕДИ - РАСШИФРОВКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Так выглядит при сильном увеличении героиня грандиозного эксперимента - нематода С. elegans. Ее истинная величина - 1мм.
Просматриваются фрагменты расшифровки строения генома.
Сотрудники Сенгеровского центра в Кембридже, принимавшие участие в расшифровке генома C. elegans.
На рисунке показано строение C. elegans: 1 - так называемый желудочек, 2 - тонкий отдел кишечника, 3 - яичник, 4 - яйца.
Машины, применявшиеся для секвенирования генома С. elegans.
‹
›
С самых древних времен люди задумывались над вопросом о том, как особенности живых организмов передаются их потомкам. Разрабатывались самые разные теории, иногда очень остроумные и не противоречащие многим фактам, но по-настоящему материальные основы наследственности начали проясняться лишь 45 лет назад, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик расшифровали строение ДНК. Оказалось, что в этой скрученной двойным жгутом гигантской молекуле записаны все признаки организма.
Каждая прядь молекулы ДНК представляет собой цепочку из четырех типов звеньев - нуклеотидов, повторяющихся в разном порядке. Нуклеотиды обычно считают парами, как сапоги или перчатки, потому что в молекуле ДНК две цепочки и их нуклеотиды соединены поперечными связями попарно. Четыре сорта нуклеотидов, четыре "буквы" позволяют записать генетический "текст", который прочитывается механизмом синтеза белка в живой клетке. Группа из трех стоящих подряд нуклеотидов, действуя через довольно сложный передаточный механизм, заставляет рибосому - внутриклеточную частичку, занимающуюся синтезом белков, - подхватывать из цитоплазмы определенную аминокислоту, следующие три нуклеотида через посредников "диктуют" рибосоме, какую аминокислоту ставить в цепочку белка на следующее место, и так постепенно получается молекула белка. А белки - не только основной строительный материал живого организма: многие из них - ферменты - управляют процессами в клетке. Так что информации, записанной в ДНК тройками пар нуклеотидов, достаточно для построения нового организма со всеми его особенностями.
Еще задолго до открытия всех этих (и многих других) молекулярных тонкостей, изучая передачу наследственных признаков при скрещивании, биологи поняли, что каждый признак определяется отдельной частицей, которую назвали геном. Удалось понять, что гены лежат в ядре клетки, в хромосомах. А после открытия роли ДНК и механизма синтеза белков стало ясно, что ген - это участок цепочки ДНК, на котором записано строение молекулы определенного белка. В некоторых генах всего 800 пар нуклеотидов, в других - около миллиона. У человека около 80-90 тысяч генов. Набор генов, присущий организму, называется его геномом.
В последние годы зародилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты - сначала вирусов, бактерий, дрожжевых грибков. А сейчас впервые удалось полностью прочитать геном многоклеточного животного - обитающего в почве микроскопического червячка длиной около миллиметра. В лабораториях мира полным ходом идет расшифровка генома человека. Эта международная программа была начата в 1989 году, тогда же благодаря инициативе и энергии выдающегося биолога, ныне покойного академика А. А. Баева, к программе подключилась и Россия. В феврале этого года в Черноголовке под Москвой прошла конференция "Геном человека-99", посвященная десятилетию начала этих работ и памяти их инициатора, руководившего российской частью программы первые пять лет. Сейчас в разных странах мира, в лабораториях, разделивших между собой "фронт работ" (всего надо прочитать около трех миллиардов пар нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все ускоряется.
Об успехах и перспективах геномики рассказывает публикуемая статья.
Как это было
Биология, по всеобщему признанию, заняла доминирующее положение среди естественных наук во второй половине уходящего века. В конце 1998 года эта точка зрения получила новое мощное подтверждение: завершена восьмилет няя работа по расшифровке строения генома (совокупности генов и межгенных участков) многоклеточного животного, круглого червя, нематоды, имеющего латинское название Caenorhabditis elegans.
Хотя это очень маленький червь, скорее червячок, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном этой нематоды состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК, округленно 0,1 миллиарда пар. Геном человека, согласно большинству оценок, - 3 миллиарда нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно эта работа, о которой идет речь, окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы.
Расшифровка, или, как говорят биологи, секвенирование, генома C. elegans была осуществлена по совместному проекту двумя исследовательскими группами: из Центра геномного секвенирования Вашингтонского университета (США) и Сенгеровского центра (Кембридж, Англия). В журнале "Science" от 11 декабря 1998 года опубликована серия статей, подробно рассказывающая об этой поистине грандиозной работе. Число авторов этой работы столь велико, что журнал не опубликовал списка, отослав читателей к Internet, а авторов назвал просто "Консорциум секвенаторов C. elegans". Это, вероятно, первый случай в истории науки, когда открытие с самого начала и с согласия авторов как бы становится анонимным. Эту работу можно с полным правом считать знаковой, символизирующей "индустриальную" науку. Зримый символ современной науки, где огромные финансовые вложения, роботизация, автоматизация, менеджмент, дисциплина, координация играли определяющую роль, оттеснив на этом этапе роль интеллекта и творческой изобретательности отдельных участников проекта.
Будет справедливым напомнить о том, кто первым обратил внимание на C. elegans как на объект исследования. В середине 1960-х годов Сидней Бреннер, выдающийся молекулярный генетик, внесший огромный вклад в изучение генетического кода, работал в знаменитой лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в Англии (в ней трудились нобелевские лауреаты Ф. Крик, Дж. Кендрю, М. Перутц, А. Клуг и другие знаменитые исследователи). После работы над кодом С. Бреннер решил посвятить себя изучению нервной системы и путей ее возникновения и формирования. Он обратил внимание на малюсенького червя (C. elegans), состоящего всего из 959 клеток, из которых 302 нейроны, нервные клетки. Замечательным свойством нематоды была ее прозрачность: можно следить за поведением и судьбой каждой отдельной клетки! Сидней Бреннер привлек в свою "нематодную" лабораторию талантливых молодых исследователей, сделавших немало важных открытий. Многие из них стали "мотором" проекта секвенирования, который был реализован в Сенгеровском центре.
Естественно, расшифровать геном таких гигантских размеров, как у названной нематоды (напомню: 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК), невозможно без огромной подготовительной работы. Ее в основном завершили к 1989 году. Прежде всего была построена физическая карта всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях один от другого.
И вот с 1990 года началось само секвенирование. Его темп составлял в 1992 году 1 миллион пар нуклеотидов в год. Если бы такой темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100 лет! Ускорить работы удалось простейшим способом - число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100. Люди и аппараты работали круглосуточно, производительность каждой машины была увеличена за счет большего числа дорожек, на которых секвенировали фрагменты ДНК.
По мере того, как раскрывалась нуклеотидная последовательность ДНК C. elegans, пришлось расстаться с двумя заблуждениями. Во-первых, оказалось, что генов у нее не 15 тысяч, как предполагали вначале, а 19099. Во-вторых, надежда на то, что гены сосредоточены в середине хромосом, а к концам сильно редеют, оправдалась лишь отчасти, гены распределены вдоль хромосом относительно равномерно, хотя в центральной части их все-таки больше.
Если у дрожжей функция половины генов в геноме неизвестна (так называемые молчащие гены), то у червя эта доля еще больше: из 19 тысяч генов 12 тысяч остаются пока загадочными.
Два исследовательских центра, решившие гигантскую по сложности задачу, приобрели уникальный опыт - и в ходе получения самих результатов, и в ходе их осмысления, хранения и переработки. Поэтому неудивительно, что обе группы недавно заявили, что они готовы раскрыть структуру половины генома человека, то есть выполнить работу в 15 раз большую по объему, чем то, что было сделано на геноме червя. И это реально. Приведу такие цифры. Сейчас во всем мире в день расшифровывается более 1 миллиона пар нуклеотидов - столько, сколько за весь 1992 год. Скорость возросла в 365 раз!
Значение секвенирования генома нематоды, конечно, выходит далеко за рамки того, что можно назвать полигоном для расшифровки генома человека. C. elegans - первый многоклеточный организм, геном которого раскрыт практически полностью. Можно напомнить: два года назад был расшифрован первый геном эукариотического организма - дрожжей, то есть организма, клетки которого содержат оформленные ядра. (К эукариотам относятся все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие. Дрожжи, согласно биологической систематике, относятся к одноклеточным грибам.) Иначе говоря, за два года был пройден путь от генома одноклеточного до генома многоклеточного организма. Биологи знают, это гигантская дистанция на лестнице эволюции и, следовательно, на пути усложнения геномов. Поразительно, как невероятно быстро пройден этот путь!
Сравнивая теперь геномы бактерий (известно уже более 20 геномов) с геномами дрожжей и нематоды, биологи-эволюционисты имеют уникальную возможность сравнивать не отдельные гены и даже не генные ансамбли, а целиком геномы - такой возможности в биологии еще десять лет назад просто не существовало, об этом только мечтали. В ближайшие месяцы, когда полученные огромные объемы информации начнут осваивать и осмысливать, следует ждать появления принципиально новых концепций в теории биологической эволюции.
Новые данные и перспективы биологии
Каковы же ближайшие перспективы, открывающиеся сейчас в биологии? Вот самые очевидные. У человека только в пять раз больше генов, чем у нематоды. Следовательно, по крайней мере около 20% генома человека должно иметь родственников среди известных теперь генов C. elegans. Это в громадной степени облегчает поиск новых генов человека. Функции еще не известных генов нематоды изучать несравненно легче, чем аналогичные гены у человека. Гены червя можно легко изменить (мутировать), одновременно следя за изменениями структуры гена и свойств организма. Таким путем можно выявлять биологическую роль генных продуктов (то есть белков) у червя, а затем экстраполировать эти данные на другие организмы, в первую очередь на человека. А можно угнетать активность генов (например, с помощью особых молекул специфических РНК) и следить, как меняется поведение организма. Этот путь тоже раскрывает функции неизвестных генов и, разумеется, сильнейшим образом повлияет на изучение генома человека и других высших организмов.
Биологов всегда интригует вопрос: как регулируется работа генов? Хотя мы знаем об этом очень много, наши знания получены в основном на отдельных генах, а потому не дают цельной картины регуляции работы всего генома как единого целого. Сейчас бурно развивается техника так называемых биочипов (по аналогии с микрочипами в кибернетике). Это маленькие пластинки, на которые с помощью прецизионных приборов в тысячи точек, на строго фиксированных расстояниях одна от другой, наносят микроскопические количества фрагментов ДНК.
Такой микрочип может, например, содержать все 19000 генов нематоды - по одному гену в каждой точке, и его можно использовать для того, чтобы определить, какие гены работают в данной клетке червя, а какие молчат. Разумеется, здесь возможно использовать клетки на любой стадии развития и из любой части тела червя. В результате исследователь получит информацию о функциональном состоянии всех генов любой клетки на любой стадии развития червя. Опыты уже начаты, есть все основания не сомневаться, что еще в текущем году мы узнаем о первых результатах. Это будет действительно революционным прорывом для биологии развития. Помимо совершенной микротехники эти опыты требуют и совершенных компьютерных программ, чтобы полученные фактические данные можно было осмыслить и интерпретировать.
Методика биочипов открывает новую стратегию в решении одной из сложнейших в биологии проблем - проблемы взаимосвязи сигнальных регуляторных путей. Основная трудность заключается в том, что взаимодействие белковых продуктов многих генов происходит одновременно, причем комбинации белков меняются не только во времени, но и в клеточном пространстве. В результате изучение отдельных генов и их продуктов (что в основном делалось до сих пор) нередко было неэффективным.
Каково соотношение областей в геноме C. elegans, кодирующих синтез белков (экзоны) и не кодирующих (интроны)? Компьютерный анализ показывает, что экзоны и интроны занимают в геноме нематоды примерно равные доли (27 и 26%), остальное (47%) приходится на повторы, на межгенные участки и т. д., то есть на ДНК с неизвестными науке функциями.
Если сравнить по этим данным дрожжевой геном и геном человека, то станет очевидным, что в ходе эволюции доля кодирующих участков в расчете на весь геном резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, а у человека очень мала. Об этом знали сравнительно давно, но сейчас названные соотношения приобрели не только количественную меру, но и структурную основу. Мы приходим, на первый взгляд, к достаточно парадоксальному выводу. Эволюция у эукариот от низших форм к высшим сопряжена с "разбавлением" генома - на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации "ни о чем", то есть для нас непонятной, непрочитанной.
Это одна из больших загадок биологической эволюции. По поводу "лишней" ДНК существуют самые разные предположения, зачастую прямо противоположные по смыслу. Много лет назад Ф. Крик, один из отцов двойной спирали ДНК, назвал эту "лишнюю" ДНК "эгоистической", или "мусорной". Он считал ее издержкой эволюции, накапливающейся в геноме в результате неполного совершенства генетических процессов, "балластом", платой за совершенство остальной части генома. Возможно, что некоторая небольшая "эгоистическая" доля в ДНК человека и других высших организмов действительно относится к такому типу. Однако теперь стало ясно, что основная доля "эгоистической" ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается, потому что она дает ее обладателям эволюционные преимущества.
Классическим примером "эгоистической" ДНК служат так называемые короткие повторы участков ДНК (Alu-элементы, альфа-сателлитные ДНК и другие). Как выяснилось в последние годы, их структура абсолютно консервативна, то есть мутации, нарушающие "правила", установленные природой для этих элементов, не сохраняются, они "отбрасываются" отбором. Структурное постоянство - мощный аргумент в пользу идеи о том, что такие участки являются отнюдь не "эгоистическими", а это очень важная часть ДНК для жизни вида. Другое дело, что мы еще не знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.
Геномика человека и будущее человечества
Сегодня почти каждый день широкая пресса США и западноевропейских стран сообщает о все новых и новых генах человека и об их функциях или связи с теми или иными заболеваниями. В 1998 году правительство США истратило на проект по изучению генома человека 300 миллионов долларов, а частные компании, прежде всего биотехнологические, - даже больше этой суммы. По крайней мере 20 самых развитых стран мира имеют свои национальные программы по изучению генома человека.
Сейчас геномная программа уже доказала свое выдающееся значение для развития наших знаний о жизни в целом. Интересно вспомнить, как эти идеи были встречены в момент их первоначального обсуждения и создания программы. Научное сообщество тогда разделилось на две части: одна встретила идею геномной программы с энтузиазмом, тогда как другая - со скепсисом, недоверием и подозрительностью. Среди этой второй группы были и выдающиеся ученые, например, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор, один из отцов обратной транскрипции. Основное возражение противников: создание геномной программы направлено на то, чтобы привлечь большие финансовые средства (и тем самым отобрать их у других направлений биологии), а не получить новые знания.
Истекшие 10 лет показали, что новый уровень понимания биологических проблем, сложившийся благодаря результатам геномных исследований, уже сейчас с лихвой оправдал все организационные усилия и финансовые вложения. Более того, стало ясно, что добытая информация не могла быть получена простой поддержкой сотен отдельных исследовательских групп, даже высококвали фицированных и хорошо оснащенных. Но вместе с тем теперь мы понимаем, что 10 лет назад трудно было оценить глубину и широту влияния геномики (области биологии, изучающей геномы) человека на биологию в целом.
Один из сильных аргументов против геномной программы состоял также в том, что "индустриализация" биологии приведет к утрате ее творческого потенциала, исчезновению "малой" биологии - небольших исследовательских групп, возглавляемых талантливыми, оригинально мыслящими исследователями, которые не захотят пойти работать на "фабрики секвенирования ДНК". Среди ученых, придерживавшихся таких взглядов, был, например, и Брюс Олбертс, нынешний президент Национальной академии США.
Безусловно справедливо, что одно из основных звеньев геномной программы - секвенирование, которое в столь гигантском масштабе достижимо только индустриальными методами. Однако само достижение этой фазы требовало больших интеллектуальных усилий, новой приборной базы, новых методов, новых инструментов исследования. Здесь требовалось творческое усилие отдельных ученых. И это творческое начало как необходимый компонент индустриализации было недооценен о скептиками.
Разработанные в геномике человека идеи и методы имеют универсальное значение и применимы для решения огромного круга биологических проблем, далеко отстоящих от собственно генома человека. Напомним только о некоторых из них.
Для картирования генома (обязательная стадия исследований, предшествующая секвенированию) разработаны высокоэффективные техники, такие, как радиационные гибриды (коллекции клеток, в которых удалены разные небольшие фрагменты каждой из хромосом), или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие огромные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека... Новые техники в совокупности позволили построить детальную карту генома человека, которая к концу 1998 года содержала более 30 тысяч маркеров, создававших детальную карту генома.
Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез резко ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК), созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.
Важно подчеркнуть, что вся эта приборная база и методология в полной мере может применяться к любым геномам, от бактерий до сельскохозяйственных животных и растений.
Пожалуй, от развития геномики человека в настоящее время выиграла больше всего микробиология, поскольку уже расшифровано более 20 полных геномов, в том числе возбудителей многих опасных болезней (туберкулеза, сыпного тифа, язвы желудка и других). Можно с уверенностью утверждать, что без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и, вероятно, в гораздо меньшем объеме. Знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно для создания вакцин (причем рационально сконструированных), для диагностики и других медицинских целей. Велико влияние геномики и на медицинскую генетику, которая занимается генодиагностикой наследственных болезней, генетическими основами предрасположенности ко многим распространенным болезням.
Частные компании, кредитовавшие проект, получили тысячи патентов на новые гены, фрагменты ДНК, новые методики и т. д. Это имеет как бы двойной эффект. С одной стороны, геномика получает мощный дополнительный импульс к развитию, а с другой - коммерциализация геномики ведет к тому, что многое из полученной информации фирмы засекречивают, особенно по геномике микроорганизмов, заставляя и некоторых ученых поступать аналогичным образом.
Геномные методы идентификации личности, разработанные и практически реализованные в геномике человека, имеют далеко идущие последствия для общества. Действительно, криминалистика получила в свое распоряжение абсолютно надежный метод доказательства виновности или невиновности человека. Для такого геномного анализа (его часто называют геномной дактилоскопией) достаточно одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы, слюны, перхоти и т. д. Сегодня в мире тысячи людей осуждены или оправданы только на основании геномного анализа. Идентификация родственных связей людей решает сейчас проблемы отцовства и материнства, проблемы наследования прав и имущества между родственниками и неродственни ками, если эти вопросы возникают.
Огромный интерес вызывает вторжение геномики в историю человечества, этнографию, лингвистику и другие области гуманитарного знания. В эту орбиту уже вовлечены и такие биологические науки, как антропология и палеонтология, теория эволюции. Многие спорные вопросы истории цивилизаций в древние времена будут, скорее всего, решены не историками, а геномоведами. Например, уже сейчас ясно (хотя эти работы начались совсем недавно), что происхождение и миграцию многих народов в мире (и, конечно, в том числе в России) легче всего будет проследить по геномным маркерам, которые дают количественную и однозначную информацию.
Программа "Геном человека", как уже говорилось, - программа общечеловеческая. Каждая лаборатория, в какой бы стране она ни находилась, вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то удается раскрыть структуру нового гена, эта информация немедленно поступает в Международный банк данных, доступный каждому исследователю. Без преувеличения надо сказать, что развитие информатики играет поистине огромную роль в успехе мировой геномной программы.
В России по этой программе работают около 100 исследовательских групп. Есть оригинальные работы, получившие международное признание (только в прошлом году участники программы опубликовали более 70 статей в международных журналах). Первые пять лет главным в программе было картирование, иначе говоря - расстановка "опознавательных значков", попытка понять: где, в какой части хромосомы ученые находятся - подобно тому, как географы прошлого составляли первые карты Земли.
Теперь акцент сместился, и исследователи пытаются уже определить функции отдельных генов. Это переход от "индустриальной науки", требующей прежде всего оборудования, к науке интеллектуальной. И на этом этапе мы надеемся преуспеть. "Массовое производство" было нам недоступно прежде всего из-за недостатка финансирования, а кроме того - русские ученые никогда не любили механическую работу.
***
Оглядываясь на 10 лет назад, можно увидеть, что значение геномики было недооценено, а ее влияние оказалось гораздо шире и глубже, чем ожидалось. Ясно также, что создание геномного проекта было огромным достижением для биологов всего мира, так как впервые поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные проекты с огромным не только общенаучным, но и практическим выходом. Сравнивая геномный проект с проектом освоения космического пространства (программа полетов к Луне и Марсу, программа околоземных станций), видно, что биологическая программа, будучи во много раз дешевле, по своему влиянию на жизнь людей не только не уступает, но и в конечном итоге, безусловно, превзойдет достижения космических программ, поскольку окажет влияние в XXI веке почти на каждого жителя Земли.
www.nkj.ru
