Изучение генома человека. Методы изучения ДНК. Секвенирование генома. Современная геномика Методы генома

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДНК

1. Для выделения ДНК из гомогената тканей уда­ляют фрагменты клеточных органелл и мембран с помощью центрифугирования. Белки, разрушенные
протеазами (чаще всего применяют протеиназу К), экстрагируют из раствора. Затем ДНК осаждают, на­пример, этанолом и после удаления надосадочной
жидкости ДНК растворяют в буферном растворе.

2. Молекула ДНК среднего размера содержит 150 000 000 нуклеотидных пар и имеет длину 4 см.
Поэтому молекулы ДНК чувствительны к сдвиго­вым усилиям, возникающим в растворе, и в процессе выделения ДНК из тканей она фрагменти-руется. Получаются молекулы ДНК значительно меньше исходных, но все равно очень большие - тысячи или десятки тысяч пар нуклеотидов. Такие молекулы неудобны для исследований, и их при­ходится дополнительно фрагментировать.

Для фрагментирования используют рестриктазы - ферменты, выделяемые из бактерий. У бак­терий эти ферменты участвуют в уничтожении чужеродных для них ДНК. Рестриктазы «узнают» специфические последовательности из 4-6 нук­леотидов (сайты рестрикции), которые встреча­ются в ДНК человека. Известно множество раз­личных рестриктаз, причем каждая из них «узнает» свой сайт рестрикции (рис. 3.3).

С помощью набора рестриктаз можно разрезать молекулу ДНК на фрагменты желаемой длины. На­пример, для изучения первичной структуры удобны фрагменты размером около 300 нуклеотидных пар н.п. Следовательно, цельную молекулу ДНК в 150 000 000 н.п. нужно разрезать на 500 000 фраг­ментов и каждый из фрагментов изучать отдельно.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для прове­дения некоторых исследований необходимо боль­шое количество хорошо очищенной высокомоле­кулярной ДНК. Метод ПЦР дает возможность избирательно синтезировать in vitro небольшие уча­стки ДНК и получить за 3-4 ч несколько миллио­нов копий исследуемого фрагмента. Объектами для выделения ДНК могут быть кровь, биоптат ткани, слюна, моча, околоплодные воды и т.д. Подробно этот метод и его применение в ДНК-диагностике будут рассмотрены в теме 3.10.

Гибридизация. Для изучения видовой специфично­сти нуклеиновых кислот применяют метод гибриди­зации. Он основан на способности ДНК к денатура­ции при нагревании (80-90 °С) и ренативации при последующем охлаждении. Возможно использова­ние метода для проведения гибридизации ДНК-ДНК и ДНК-РНК. Методом гибридизации можно установить сход­ство и различия первичной структуры разных об­разцов нуклеиновых кислот.

Секвенирование генома.

Секвенирование генома здорового человека в большинстве случаев не способно предсказать развитие у него в будущем тех или иных заболеваний. Результаты этой работы были представлены на Ежегодной встрече Американской Ассоциации по исследованию рака (Association for Cancer Research), а также опубликованы в журнале Science Translational Medicine .

Полное секвенирование генома представляет собой «каталогизирование» всех генов, полученных человеком от обоих родителей, и их проверку на наличие повреждений ДНК, которые могли бы повысить восприимчивость человека к раку и иным заболеваниям. Поскольку стоимость секвенирования генома постоянно снижается (в настоящее время цена процедуры составляет 1-3 тысячи долларов США), многие здоровые люди начали задумываться над тем, чтобы пройти такое обследование и определить для себя риск развития того или иного заболевания. Однако исследователи из Центра по изучению рака Johns Hopkins Kimmel призывают их не торопиться.

Выводы ученых вовсе не означают, что секвенирование генома не имеет никакой медицинской ценности. «Во-первых, секвенирование генома остается лучшим средством для предсказания „семейных“ заболеваний, таких как рак и некоторые другие, - говорит профессор онкологии Берт Фогельштайн (Bert Vogelstein). - Во-вторых, детальное изучение генома индивидуума помогает лучше понять механизм уже протекающего у него заболевания и точнее подобрать для него индивидуальную терапию. Однако в случае со здоровым человеком геном перестает быть надежным предсказателем».

Исследователи проследили развитие 24 заболеваний у более чем 50 тысяч близнецов из 5 стран, прошедших процедуру секвенирования генома. Результаты показали, что в случае 23 заболеваний анализ генома дал отрицательный результат и отнес риск их развития к разряду «низкий». Однако, по словам профессора Фогельштайна, это вовсе не означает, что данное заболевание у данного человека не разовьется. «Это означает всего лишь, что его персональный риск немного ниже, чем средний риск по популяции, который может быть очень существенным, - говорит исследователь. - Таким образом, даже негативный результат не гарантирует отсутствия заболевания в будущем». При этом риск 4 из 24 заболеваний- заболевания сердца у мужчин, аутоиммунный тиреоидит, диабет I типа и болезнь Альцгеймера - устойчиво определялся в ¾ случаев, что позволяет назвать секвенирование генома достаточно надежным средством определения предрасположенности к этим болезням.

Современная геномика.

Длительное время геномом называли гаплоидный набор хромосом. Накопление сведений об информационной роли внехромосомной ДНК изменило определение термина «геном». В настоящее время он означает полный состав ДНК клетки, т.е. совокупность всех генов и межгенных участков. Можно считать, что геном - полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида.

Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Методы геномики направлены на расшифровку новых закономерностей биологических систем и процессов. Геномика человека является основой молекулярной медицины и имеет важнейшее значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных болезней. Для медицины первостепенное значение имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов, поскольку они проливают свет на природу инфекционного процесса и создание лекарств, направленных на специфические мишени бактерий.

Геномика, несмотря на её «молодой возраст», подразделяется на несколько почти самостоятельных направлений: структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику.

Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет границы и строение генов, межгенных участков и других структурных генетических элементов (промоторов, энхансеров и т.д.), т.е. составляет генетические, физические и транскриптные карты организма.

Функциональная геномика. Исследования в области функциональной гено-мики направлены на идентификацию функций каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Очевидно, это будет осуществляться путём изучения белковых ансамблей в разных клетках. Эту область исследований называют протеомикой.

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их строения и функционирования.

Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. Эволюционный подход к изучению генома человека позволяет проследить за длительностью формирования комплексов генов, отдельных хромосом, стабильностью его частей, недавно обнаруженными элементами «непостоянства» генома, процессом расообразования, эволюцией наследственной патологии.

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов и т.д.).

Все шаги эволюции живой природы, несомненно, должны были закрепляться в информационной системе ДНК (а для некоторых существ - в РНК), а также в организации её в клетке для выполнения консервативной функции сохранения наследственности и противоположной функции - поддержания изменчивости. Такое представление о формировании генома каждого вида наиболее обоснованно. Применительно к геному человека можно сказать, что эволюция человека - это эволюция генома. Такое представление подтверждается теперь многочисленными молекулярно-генетическими исследованиями, поскольку стало возможным сопоставление геномов разных видов млекопитающих, в том числе человекообразных обезьян, а также в пределах вида Homo sapiens геномов разных рас, этносов, популяций человека и отдельных индивидов.

Организация генома каждого эукариотического вида представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, кодонов, доменов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внехромосомной и внеядерной ДНК. В эволюционном преобразовании генома каждый из этих иерархических уровней мог вести себя совершенно дискретно (изменяясь, комбинируясь с другими и т.д.).

Наши представления о геноме человека - обширная область генетики человека, включающая по меньшей мере понятия «инвентаризации» генов, групп сцепления, картирования генов (локализация), секвенирования всей ДНК (генов, их мутаций и хромосом в целом), мейотических преобразований, функционирования отдельных генов и их взаимодействий, интеграции структуры и функции генома в целом. На решении всех этих вопросов была сосредоточена обширная многолетняя международная программа «Геном человека» (с 1990 по 2000 г.). Главным направлением работ были последовательное секвенирование участков генома и их «состыковка». Успешные разработки в этой области придали программе клинико-генетический аспект.

Клинические приложения сведений о геноме человека

Систематическое изучение генома человека фактически началось с применения менделевского анализа наследственных признаков человека (начало XX века). Генеалогический метод вошел тогда в широкую практику, и шаг за шагом стал накапливаться материал по «инвентаризации» дискретных наследственных признаков человека, но этот процесс постепенно замедлялся (за 50 лет было открыто не более 400 менделирующих признаков и 4 группы сцепления), возможности клинико-генеалогического метода в чистом виде были исчерпаны.

Бурный прогресс цитогенетики человека, биохимической генетики и особенно генетики соматических клеток в 60-х годах в комплексе с генеалогическим подходом поставил изучение генома человека на новые теоретические основы и высокий методический уровень. Обнаружение новых менделирующих признаков человека стало быстро продвигаться, особенно на биохимическом и иммунологическом уровне, появились возможности изучения сцепления и локализации генов.

Особый импульс изучению генома человека придали молекулярно-генетические методы, или технология генной инженерии (70-е годы). Процесс познания генома углубился до выделения гена в чистом виде и его секвенирования.

В отличие от классической, в новой генетике изменился подход к анализу генов. В классической генетике последовательность была следующей: идентификация менделирующего признака -> локализация гена в хромосоме (или группе сцепления) -> первичный продукт гена -> ген. В современной генетике стал возможным и обратный подход: выделение гена -> секвенирование -> первичный продукт, в связи с чем был введён новый термин для определения такого направления исследований: «обратная генетика» или «генетика наоборот».

Продолжаются совершенствование молекулярно-генетических методов и, что не менее важно, их автоматизация. В США и Великобритании были разработаны и внедрены автоматические приборы по секвенированию геномов. Их назвали геномотронами. В них осуществляется до 100 000 полимеразных реакций в час. Это означает, что в течение недели может быть просеквенирован участок (или участки) длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов.

Большую роль в расшифровке генома человека играют вычислительная техника и информационные системы. Благодаря им решаются вопросы накопления информации (базы данных) из разных источников, хранения её и оперативного использования исследователями из разных стран.

Расшифровка генома человека – событие столь же важное в истории человечества, как открытие электричества, изобретение радио или создание компьютеров.

Немного истории. В 1988 году Национальный институт здоровья США начал проект «Геном человека» , возглавил который нобелевский лауреат Джеймс Уотсон . Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е. полностью картировать все гены человека.

Планировалось, что работа но определению нуклеотидной последовательности ДНК человека (секвенирование ДНК ) должна окончиться в 2005-м году . Однако после первого года работы стало ясно, что скорости секвениронания ДНК очень низкие и для полного завершения работы такими темпами потребуется около 100 лет .

Стало очевидно, что необходим поиск новых технологий секвенирования, создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. Это было невыполнимо в рамках отдельно взятого государства , и к программе подключились другие страны.

Широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации ^ Human Genom Organisation (HUGO). С 1989 г. в проект включилась и Россия. Все хромосомы человека были поделены между странами-участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы . В проекте оказались задействованы несколько тысяч ученых из 20 стран .

В 1996 были созданы всемирные банки данных по ДНК человека. Любая вновь определенная последовательность нуклеотидов размером более 1 тыс. оснований должна была быть обнародована через Интернет в течение суток после ее расшифровки, в противном случае статьи с этими данными в научные журналы не принимались. Любой специалист в мире мог воспользоваться этой информацией.

К началу 1998 г. было секвенировано всего около ^ 3% генома . В это время к работе неожиданно подключилась частная американская компания из штата Мериленд «Celera Genomics» под руководством Крега Вентера , которая объявила, что закончит свою работу на 4 года раньше международного консорциума.

Началась беспримерная в науке гонка. Два коллектива работали независимо, не жалея сил, чтобы придти к финишу первыми. В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти методы анализа сейчас используются в медицине, криминалистике и т.д.

В июне 2000 года два конкурирующих коллектива объединили свои данные, официально объявив о завершении работ. А в феврале 2001 года появились научные публикации чернового варианта структуры генома человека. Качество секвенирования достаточно высокое и предполагает всего 1 ошибку на 50 тыс.п.н .

«Геном человека» вошел в историю как один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов. На него было потрачено в сумме более ^ 6 миллиардов долларов.

Возникает естественный вопрос: геном какого же человека определен в результате этих титанических усилий, кто этот конкретный человек? Согласно имеющимся данным, фирма Celera в основном ориентировалась на геном одного человека, о котором известно лишь, что это белый мужчина среднего возраста. Скорее всего, это был сам глава корпорации Крег Вентер. Международный консорциум использовал в своей работе материал не менее семи различных людей.

Геном человека состоит из 24 хромосом и 3,2 млрд. п.н. Хромосомы человека были пронумерованы согласно размеру : наибольший - у хромосомы 1, наименьший - у хромосомы 22. Со временем выяснилось, что хромосома 22 содержит больше ДНК, чем хромосома 21, но порядок нумерации не стали менять, чтобы не вносить путаницу. Отдельно идут две половые хромосомы: X и Y (условно их можно назвать томами № 23 и № 24 Энциклопедии человеческого генома).

^ В геноме женщин содержится лишь 23 хромосомы из 24-х , и все они представлены в соматических клетках двумя экземплярами. У мужчин в клетках содержится полная Энциклопедия человека, все 24 хромосомы, но две из них (хромосомы X и Y) существуют в единичных экземплярах.

Разные хромосомы сильно отличаются друг от друга по числу и свойствам генов (в первой, самой большой, хромосоме содержится 263 млн. п.н., составляющих 2237 гена, а в 21 хромосоме – 50 млн.п.н. и 82 гена). www . ensembl . org

Также отличаются хромосомы и по важности записанной в них информации. Число генов, ассоциируемых с различными болезнями больше всего в Х хромосоме – 208; в 1 хмс – 157; и в 11 хмс – 135. Меньше всего таких генов в Y хмс – всего 3. Тем не менее, только совокупность всех хромосом обеспечивает клетки полной информацией, позволяющей человеку нормально развиваться и жить. В отсутствие любой из пар хромосом жизнь конкретного индивидуума становится невозможной.

При потере по каким-либо причинам только одной из пары хромосом состояние человека сильно отличается от нормы. Например, частичная моносомия 5-ой хромосомы приводит к синдрому кошачьего крика . У детей с этой аномалией отмечается необычный плач, что обусловлено изменением гортани, а также черепа и лица.

В клетках человека также имеется ДНК , расположенная не в хромосомах, а в митохонд-риях. Это тоже часть генома человека, называемая М-хромосомой . В отличие от ядерного генома митохондриальные гены располагаются компактно, как в геноме бактерий, и имеют свой собственный генетический код (своеобразный «генетический жаргон»). МитДНК ответственна в клетке за синтез всего лишь нескольких белков. Но эти белки очень важны для клетки, поскольку участвуют в обеспечении клетки энергией.

Предполагают, что митохондрии появились в клетках эукариот в результате симбиоза высших организмов с аэробными бактериями.

МитДНК передается из поколения в поколение только по женской линии . При оплодотворении в яйцо проникает сперматозоид с набором отцовских хромосом, но без отцовских митохондрий. Только яйцеклетка предоставляет зароды-шу свою митДНК. Поэтому митДНК удобно использовать для определения степени родства как внутри вида, так и между различными таксонами.

Одной из целей исследования генома человека являлось построение точной и подробной карты всех хромосом. Генетическая карта представляет собой схему, описывающую порядок расположения на хромосоме генов и других генетических элементов. (снипсы-повторы-гены ).

В кодировании белков принимает участие не более 1,5 % хромосомной ДНК человека (т.е. генетические инструкции по формированию человеческого индивидуума занимают лишь 3 см на двухметровой молекуле ДНК человека ).

Анализ генома человека позволил выявить у него порядка ^ 40 тыс . генов (на сегодня). Самые короткие гены содержат всего 20 п.н. (гены эндорфинов , вызывающих ощущение удовольствия). Самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц (миодистрофин), содержит порядка 2,5 млн. п.н.

^ Плотность расположения генов в хромосомах сильно различается. Средняя плотности составляет около 10 генов на 1 млн.п.н. Однако в хромосоме 19 плотность составляет 20 генов , а в Y-хромосоме - всего 1,5 гена на млн. Если сравнить плотность генов с плотностью расселения людей, то Y-хромосома напоминает нашу Сибирь, а хромосома 19 - Европейскую часть России. Плотность расположения генов падает по мере эволюционного усложнения организмов. Для сравнения: в геноме бактерий содержится свыше 1000 генов на 1,0 млн. и. н., у дрожжей около 450 генов на 1,0 млн. п. н., а у червя С. elegans - около 200 .

Как у людей имеются семьи, так и гены объединяют в семейства по их схожести. В геноме человека присутствуют около 1,5 тыс. таких семейств. Причем только около сотни из них специфичны для человека и позвоночных животных. Основная же масса генных семейств имеется как у человека, так и у дождевого червя.

Разные гены одного семейства возникали в ходе эволюции из одного гена-предшественника как следствие мутаций. «Родственные» гены чаще всего выполняют сходную функцию. Например, геном человека имеет около 1 000 генов-рецепторов обоняния.

В семействах генов иногда встречаются псевдогены . Это гены, утратившие способность к экспрессии. Перед их названием ставят греческую букву . He совсем ясно, зачем геному нужны такие гены, почему он сохранил их в эволюции и не избавился от них. В геноме человека имеется около 20 000 таких псевдогенов . В частности, в огромной семействе генов обоняния около 60% являются псевдогенами. Считается, что массивная потеря функциональных генов произошла за последние 10 млн. лет в связи со снижением роли обоняния у человека по сравнению с другими млекопитающими.

Около 20 % генов человека функционируют во всех типах клеток человека. Остальные же гены работают только в определенных тканях и органах. Например, глобиновые гены экспрессируются только в клетках крови, поскольку основная их функция – обеспечивать перенос кислорода.

Примером высочайшей специализации генов служат обонятельные гены . В каждой клетке органа обоняния человека – обонятельной луковице - работает только 1 ген из 1000 возможных. Сильнейшее недоумение ученых вызвал тот факт, что некоторые из этих генов, кроме обонятельной луковицы, активизируются еще в одном типе клеток – сперматозоидах . Как это связано с восприятием запаха, пока не совсем ясно.

Картирование хромосом также позволило выявить локализацию участков, отвечающих за некоторые болезни человека.

Например, в первой хромосоме гены связанны с раком протоков молочной железы. Во второй – с ожирением. В третьей – с шизофренией. В четвертой хромосоме обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию алкоголизма. Мутации в концевом участке Х -хромосомы вызывают предрасположенность к гомосекесуализму.

Внимание специалистов также привлекли гены, связанные с некоторыми особенностями поведения человека . Эти гены кодируют белки, участвующие в передаче сигналов между нервными клетками (например, белок серотонин). Ген, кодирующий рецептор серотонина, ученые назвали «геном самоубийства». Мутации по этому гену вызывают у людей склонностью к отрицательным эмоциям и суицидные наклонности.

Другой передатчик сигналов в нервной системе - дофамин – вещество, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Избыток дофамина вызывает у животных исследовательскую гиперактивность.. Было обнаружено, что один из генов, кодирующих белки-рецепторы дофамина, может существовать в разных аллельных формах (длинной и короткой). Люди с длинной аллелью больше склонны к поиску новых впечатлений, поэтому обнаруженный ген так и назвали «геном поиска новизны». У американцев длинная аллель гена рецептора дофамина встречается в 25 раз чаще, чем, скажем, у жителей Южной и Восточной Азии. Из истории мы знаем, как заселялась Америка европейцами. В первую очередь, это были энергичные люди, склонные к авантюризму, любопытные и импульсивные. Вот они то и внесли длинную аллель «гена поиска новизны» в современную американскую популяцию.

Недавно обнаружены два гена, которые отвечают за материнские инстинкты (эти гены так и были названы генами «материнского инстинкта» ). При этом, ко всеобщему удивлению, выяснилось, что оба гена дочки получают от отцов. Животные, у которых гены «материнского инстинкта» отсутствовали, не заботились о новорожденных.

Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от генов, ответственных за физические параметры, наличие «больных» генов, формирующих психику и поведение, еще не означает стопроцентную обреченность человека па определенные отрицательные проявления. Во-первых, как правило, не один, а совокупность генов отвечает за душевные характеристики. Между ними существует очень сложное и порой весьма неоднозначное взаимодействие, эффект которого зависит от множества различных факторов. Во-вторых, как считает большинство ученых, психика и поведение человека лишь процентов на 50 определяются генами .

Одним из методов изучения влияния окружающей среды на проявление генотипа является наблюдение за однояйцовыми близнецами. Такой подход в генетике получил название «близнецовый метод ».

Однояйцовые близнецы образуются в результате деления одной и той же зиготы и содержат идентичные геномы. Хотя появление близнецов - довольно редкое явление (считается, что у человека одна двойня приходится па 80-85 родов), тем не менее, имеющихся случаев достаточно для проведения соответствующих исследований.

Одним из наиболее четких способов идентификации человека являются отпечатки пальцев . Характерные «узоры» закладываются у зародыша уже на третьем месяце развития и сохраняются без изменения в течение всей жизни. При сравнении кожных «узоров» у близнецов было выявлено, что они очень похожи, но, что удивительно, не всегда полностью идентичны.

При исследовании ряда других признаков также наблюдали их небольшие вариации у близнецов: цвет глаз и волос, форма уха.

Крупномасштабное сравнение однояйцовых близнецов друг с другом показало, что возникновение таких инфекционных заболеваний , как корь, коклюш, ветряная оспа практически полностью зависит от возбудителя заболевания, а вот полиомиелит и туберкулез определяются кроме того наследственными свойствами человека. В частности, заболеваемость туберкулезом обоих однояйцовых близнецов более чем в 3 раза выше, чем у двух разнояйцовых близнецов.

Исследование близнецов, проведенное в Каролинском институте в Стокгольме, убедительно показало существенное воздействие факторов окружающей среды (курения, загрязнений, питания, образа жизни) на развитие некоторых форм злокачественных заболеваний. Вместе с тем отмечено влияние генетических факторов на возникновение рака простаты, рака прямой кишки и рака груди.

При анализе близнецов удалось выяснить, что умственное развитие также могут объясняться генетически. Если один из пары однояйцовых близнецов слабоумен, то второй оказывается таким же почти всегда.

Российскими учеными было проведено исследование детей-близнецов в возрасте от 7 до 12 месяцев на предмет того, в какой мере генетика и среда влияют на агрессивность, раздражительность, активность и общительность . Оказалось, что первые три черты темперамента находятся под жестким генетическим контролем: агрессивность поведения младенца:на 94 процента определяется его генотипом, активность - па 89 процентов, раздражительность - па 85 процентов. А общительность почти на 90% формируется под влиянием среды, которую создают родители.

Благодаря методу близнецового анализа на генетический уровень вышла и широко обсуждаемая проблема гомосексуализма . Уже имеются достоверные данные, что около 57% однояйцовых близнецов, братьев мужчин-гомосексуалов также являются гомосексуалами. Для женщин-лесбиянок эта цифра составляет приблизительно 50%.

Осознание гомосексуализма как наследственной болезни возможно поможет решить как проблему гомофобии (плохо ненавидеть больных людей), так и проблему агрессивного гомосексуализма (эти люди требуют признания их здоровыми и полноценными, порой даже гордятся своей особенностью). Однако, если рассматривать гомосексуализм как болезнь, как патологию, ситуация кардинально меняется. Трудно представить себе человека, гордо стоящего с плакатом: «Я страдаю шизофренией, поэтому требую к себе уважения, как к полноценному члену общества!».

Согласно современным оценкам, продолжительность жизни человека, также связана с генетическими факторами, роль которых оценивается на уровне 65-70%.

Многочисленные и разнообразные данные позволяют утверждать, что геном определяет многое в нас, но и окружающая среда весьма заметно вмешивается в нашу сущность. Взаимосвязь между генами и окружающей средой ученые иногда сравнивают с заряженным пистолетом и курком. Пистолет не выстрелит, пока не будет нажат курок. Также обстоит ситуация и в клетке, где в качестве заряженного пистолета служит ген, а функцию курка выполняют всевозможные факторы окружающей среды. Имеется и другое сравнение - с карточной игрой: хороший игрок может выиграть и с плохими картами.

Чтобы разобраться в тех многочисленных взаимосвязях, которые существуют между проявлением отдельных вариантов генов и влиянием па этот процесс различных факторов окружающей среды, был создан специальный международный проект - The Environmental Genome Project. Среди множества задач данного проекта главной является, конечно же, изучение влияния окружающей среды па продолжительность жизни, а также на возникновение и развитие различных заболевании человека. В конечном итоге этот проект может оказаться не менее важным и сложным, чем знаменитый и очень дорогостоящий проект по секвенированию генома человека. А в том, что он будет продолжаться по времени значительно дольше, чем геномный проект, нет никакого сомнения.

Медицинская генетика – направление, посвященное наследственности, наследственным патологиям и здоровью, лечению и профилактике генетических заболеваний, а также проблемам наследственной передачи предрасположенности к болезням.

Что таке генетика?

Важной частью медицинской генетики является клиническая генетика, чьей задачей является обнаружение, и профилактика наследственной патологии.

Трудно переоценить роль генетики в современной медицине. Как выяснилось, она огромна, и даже те немалые знания, которые накоплены в этой области к настоящему времени, представляют собой, по мнению ученых, лишь вершину айсберга.

Так, врачами, проводящими , было установлено, что многие виды рака наследственно обусловлены, в частности:

• лейкоз;
• большинство онкологических заболеваний детского возраста;
• и др.

Новые технологии, дары научно-технического прогресса, открыли новые возможности для генетики, и из преимущественно теоретической дисциплины она стала прикладной. Расшифровка генома человека открыла возможность вмешательства в геном, исключения одних генов и активации других – вот то направление, в котором развивается медицинская генетика.

Одно из важных направлений, которым занимается генетика – репродукция. Столь популярный метод лечения бесплодия, как ЭКО, который прочно вошел в медицинскую практику, тоже стал возможным благодаря развитию медицинской генетики. Кроме того, при всегда проводится генетическая диагностика при наличии показаний у пациента.

Методы зарубжной генетики

Существуют следующие методы генетики человека:

• Генеалогический. Метод состоит в отслеживании и изучении родословных, позволяет определять закономерности, по которым наследуются те или иные признаки, в том числе и те, что отвечают за наследственно-обусловленные болезни.
• Близнецовый. Метод изучает влияние среды на генотип человека при помощи сравнения однояйцевых близнецов, проживающих в разных условиях.
• Цитогенетический. Метод, состоящий в микроскопическом исследовании хромосом. С его помощью определяются хромосомные заболевания (например, один из вариантов синдрома Дауна).
• Секвестрирование. Метод, состоящий в изучении ДНК человека на молекулярном уровне.
• Дерматоглифический. Метод основывается на изучении рельефа кожи пальцев, ладоней и стоп. С его помощью диагностируется ряд наследственных патологий.
• Биохимический. Используется для исследования наследственно-обусловленных заболеваний обмена веществ, в основе которых лежат ферментные нарушения.
• Популяционно-статистический метод – изучение закономерностей наследственных признаков в больших группах населения.

Генетическая диагностика за рубежом

Консультация генетика включает в себя генетическую диагностику. Генетический анализ позволяет определить не только возможность появления наследственных болезней, но и предрасположенности к целому ряду распространенных заболеваний.

Для проведения генетического анализа берется кровь (5 мл), кроме того, проводится тщательное изучение анамнеза пациента – это нужно для того, чтобы правильно интерпретировать полученные результаты.

Чаще всего люди обращаются в генетический центр или или любой другой стране при наличии определенных подозрений на возможную наследственную патологию, при наличии такой патологии у одного из членов семьи (в том числе и рожденного ребенка) и во время беременности, при наличии определенных показаний.

Генетическая диагностика у беременных, при обоснованных подозрениях на возможность наследственно-обусловленной патологии, проводится в том числе и инвазивными методами:

Лечение генетических заболеваний за границей

Генетика за рубежом, благодаря наличию ультрасовременного оборудования и подготовленных специалистов, имеет большие возможности в диагностике наследственной патологии всех видов. В отделение генетики пациенты обращаются как по направлению врача при наличии определенных показаний (например, семьи, планирующие ребенка, при наличии подтвержденной генетической патологии у уже рожденных детей) или по собственному желанию.

Независимо от того, будет ли это крупный институт генетики, центр генетики или отделение генетики, пациент получит квалифицированную помощь в полном объеме.

Каждый медико-диагностический центр, занимающийся ЭКО, также располагает возможностью генетической диагностики по современным стандартам – вот почему среди детей, рожденных при помощи искусственного оплодотворения, практически нет тех, кто страдал бы наследственными заболеваниями.

Стоимость лечения в центрах генетики за границей

Если вам нужна консультационная помощь по вопросам генетики, сайт UNIMED предлагает заполнить вам контактную форму и связаться с нами. Мы предоставим Вам исчерпывающую информацию, в том числе и касательно возможной стоимости генетической диагностики и лечения. Также на этом портале вы можеет узнать официальные и других странах.

25 апреля теперь уже далекого 1953 г. журнал Nature опубликовал небольшое письмо молодых и никому неизвестных Ф.Крика и Дж.Уотсона редактору журнала, которое начиналось словами: «Мы хотели бы предложить свои соображения по поводу структуры соли ДНК. Эта структура имеет новые свойства, которые представляют большой биологический интерес». Статья содержала около 900 слов, но – и это не преувеличение – каждое из них было на вес золота.

«Ершистая молодежь» посмела выступить против нобелевского лауреата Лайнуса Полинга, автора знаменитой альфа-спирали белков. Полинг буквально накануне опубликовал статью, согласно которой ДНК представляла собой трехцепочечную спиральную структуру, наподобие девичьей косы. Тогда никто не знал, что у Полинга был просто недостаточно очищенный материал. Но и Полинг оказался отчасти прав – сейчас трехцепочечность некоторых участков наших генов хорошо известна. Это свойство ДНК даже пытались одно время использовать в борьбе с раком, выключая с помощью олигонуклеотидов те или иные раковые гены (онкогены).

Биологии нуклеиновых кислот долго не везло. Достаточно сказать, что первую нобелевскую премию за открытие строения нуклеотидов немец А.Коссель получил еще в 1910 г. А знаменитая реакция Фельгена для окрашивания ДНК была предложена накануне Первой мировой войны и усовершенствована в 1920-е гг. Тогда и могла бы начаться новая эра биологии, однако...

Однако биологи были уверены, что «монотонная» ДНК с ее только четырьмя различающимися основаниями просто не могла нести генетическую информацию о миллионах самых разнообразных белков. И хотя уже применялась азбука Морзе с тремя кодирующими элементами, менталитет исследователей еще не достиг уровня информационной эры с ее двоичной системой записи («0» и «1») любой информации.

Лишь к началу 1950-х гг. отдельные ученые стали обращать внимание на ДНК, роль которой в передаче наследственных признаков у микроорганизмов установил в 1943 г. Освальд Эйвери. Результатам Эйвери поверил Сальвадор Лурия, который вместе с Максом Дельбрюком организовал неподалеку от Нью-Йорка лабораторию на биостанции в местечке Колд-Спринг Харбор.

Заметим в скобках, что физик М.Дельбрюк был учеником Н.В. Тимофеева-Ресовского в биологии и соавтором их совместной с К.Циммером знаменитой статьи, посвященной определению размеров гена. Лурия с Дельбрюком изучали жизненный цикл бактериофагов – вирусов микроорганизмов, в результате чего и пришли к предположениям о биологической роли ДНК. Лурия послал своего аспиранта Джеймса Уотсона в Кавендишскую лабораторию в Кембридже, где Морис Уилкинс и Розалинд Франклин исследовали строение ДНК с помощью рентгена (англичане лидировали в рентгеноструктурном анализе биомолекул).

В лаборатории Уилкинса работал также еще довольно молодой физик Фрэнсис Крик, известный в узких лабораторных кругах своим научным скепсисом: для него просто не существовало никаких авторитетов, чем он и заработал себе репутацию скандалиста. Статью Полинга в лабораторию принес его сын, который помог, кстати, Уотсону и Крику уяснить роль попарного комплементарного соединения азотистых оснований. Статья стала последней каплей перед озарением, или пониманием... тем, что оформилось в открытие молодых ученых.

Научное сообщество, однако, не сразу признало их открытие. Достаточно сказать, что сначала Нобелевскую премию за работы в области ДНК «судьи» из Стокгольма присудили в 1959 г. известным американским биохимикам Северо Очоа и Артуру Корнбергу. Очоа был первым (1955), кто сумел синтезировать рибонуклеиновую кислоту (РНК). Корнберг же получил премию за синтез ДНК в пробирке (1956).

В 1962 г. настал черед Крика, Уотсона и Уилкинса. Р.Франклин к тому времени уже умерла от рака в возрасте 37 лет, иначе это был бы единственный случай в истории Нобелевских премий, когда награду вручили бы четверым, хотя это и не допускается уставом. Вклад Франклин в развитие рентгеноструктурного анализа ДНК был просто неоценим.

После открытия Уотсона и Крика важнейшей проблемой стало выявление соответствия между первичными структурами ДНК и белков. Поскольку в составе белков обнаруживается 20 аминокислот, а нуклеиновых оснований всего 4, то для записи информации о последовательности аминокислот в полинуклеотидах необходимо не менее трех оснований. На основании таких общих рассуждений варианты «трехбуквенных» генетических кодов предложили физик Г.Гамов и биолог А.Нейфах. Однако их гипотезы были чисто умозрительными и не вызвали большого отклика среди ученых.

Трехбуквенный генетический код к 1964 г. расшифровал Ф.Крик. Вряд ли он тогда предполагал, что в обозримом будущем станет возможной расшифровка генома человека. Эта задача долгое время казалась неразрешимой. Однако два открытия позволили сдвинуть проблему с места.

В 1970 г. не известные широкой научной общественности Г.Темин и Д.Балтимор опубликовали в Nature статьи, посвященные обратной транскриптазе (ОТ) – ферменту РНК-содержащих, в том числе раковых, вирусов, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, т.е. осуществляют реакцию, обратную той, которую до тех пор наблюдали в клетках.

Открытие обратной транскриптазы позволило выделить первые гены. Но процесс этот был крайне трудоемким и чрезвычайно дорогим. А спустя 15 лет некий химик из Калифорнии предложил на суд коллег уникальную полимеразную цепную реакцию (ПЦР), сразу же ставшую знаменитой. В этой реакции фермент, полимераза, «ходит как челнок» по фрагменту ДНК, поэтому ПЦР позволяет нарабатывать любые количества этого фрагмента, необходимые для анализа*.

ПЦР, а также появление новейшей электронной техники и компьютеров сделали вполне реальной задачу расшифровки всего генома человека. Долгие дебаты закончились в конце сентября 1988 г., когда во главе проекта HUGO – Организации по расшифровке генома человека – был поставлен Дж.Уотсон.

Журнал Time назвал в связи с этим Уотсона «охотником за генами». Сам же ученый сказал следующее: «Это захватывающая перспектива. Тридцать лет назад мы не могли и мечтать о том, чтобы узнать структуру генома даже мельчайшего вируса. А сегодня мы уже расшифровали геном вируса СПИДа и почти полностью прочитали геном кишечной палочки объемом в 4,5 млн букв ген-кода. Точное знание детальной структуры генома человека – это восхитительно!».

И вот геном прочитан
Завершение работ по расшифровке генома человека консорциумом ученых планировалось к 2003 г. – 50-летию открытия структуры ДНК. Однако конкуренция сказала свое слово и в этой области.

Крейг Вентер основал частную компанию «Селера», которая продает генные последовательности за большие деньги. Включившись в гонку по расшифровке генома, она за один год сделала то, на что у международного консорциума ученых из разных стран ушло десять лет. Это стало возможным благодаря новому методу чтения генетических последовательностей и использованию автоматизации процесса чтения.

Итак, геном прочитан. Казалось бы, надо радоваться, но ученые пришли в недоумение: уж очень мало генов оказалось у человека – примерно в три раза меньше, чем ожидалось. Раньше думали, что генов у нас около 100 тыс., а на самом деле их оказалось около 35 тыс. Но даже не это самое главное.

Недоумение ученых понятно: у дрозофилы 13 601 ген, у круглого почвенного червя – 19 тыс., у горчицы – 25 тыс. генов. Столь малое количество генов у человека не позволяет выделить его из животного царства и считать «венцом» творения.

Зато там, где располагаются гены, активность ДНК и ферментов, синтезирующих ее копии в виде молекул информационной РНК, повышается в 200–800 раз! Это – «горячие точки» генома.

В геноме человека ученые насчитали 223 гена, которые сходны с генами кишечной палочки. Кишечная палочка возникла примерно 3 млрд лет назад. Зачем нам такие «древние» гены? Видимо, современные организмы унаследовали от предков какие-то фундаментальные структурные свойства клеток и биохимические реакции, для которых необходимы соответствующие белки.

Нет поэтому ничего удивительного и в том, что половина белков млекопитающих имеют сходство аминокислотных последовательностей с белками мухи дрозофилы. В конце концов мы дышим одним и тем же воздухом и потребляем животные и растительные белки, состоящие из одних и тех же аминокислот.

Удивительно, что с мышью мы имеем 90% общих генов, а с шимпанзе – вообще 99%!

В нашем геноме много последовательностей, доставшихся нам в «наследство» от ретровирусов. Эти вирусы, к которым относятся вирусы рака и СПИДа, вместо ДНК в качестве наследственного материала содержат РНК. Особенностью ретровирусов является, как уже говорилось, наличие обратной транскриптазы. После синтеза ДНК по РНК вируса вирусный геном встраивается в ДНК хромосом клетки.

Таких ретровирусных последовательностей у нас много. Время от времени они «вырываются» на волю, в результате чего возникает рак (но рак в полном соответствии с законом Менделя проявляется лишь у рецессивных гомозигот, т.е. не более чем в 25% случаев). Совсем недавно было сделано открытие, которое позволяет понять не только механизм встраивания вирусов, но и назначение некодирующих последовательностей ДНК. Оказалось, что для встраивания вируса необходима специфическая последовательность из 14 букв генетического кода. Таким образом, можно надеяться, что вскоре ученые научатся не только блокировать агрессивные ретровирусы, но и целенаправленно «внедрять» нужные гены, и генотерапия из мечты превратится в реальность.

В организме млекопитающих ретровирусы играют и еще одну немаловажную роль. В отношении млекопитающих, у которых плод развивается внутри организма матери, правомерен вопрос: почему иммунная система матери позволяет развиваться организму, который наполовину генетически ей чужероден, поскольку половина генома плода отцовская?

Все дело в ретровирусах, которые блокируют активность иммунных Т-лимфоцитов, ответственных за отторжение органов и тканей, содержащих чужеродные белки, например, после трансплантации органов. Эти ретровирусы активируются в геноме клеток плаценты, которая образуется тканями плода.

Недавно был обнаружен вирус, который блокирует развитие (экспрессию) ретровируса. Если этим вирусом-блокатором заразить беременную мышь, то мышата рождаются нормальными и в срок. Но если его ввести в клетки плаценты, то происходит выкидыш плода, так как активируются Т-лимфоциты матери.

Не стоит забывать, что ретровирусные последовательности возникают также непосредственно на концах хромосом – теломерах. Как известно, теломеры состоят из одноцепочечной ДНК, которая синтезируется ферментом теломеразой по матрице РНК. Считается, что теломеры являются нашими молекулярными часами, поскольку они укорачиваются с каждым клеточным делением. Раньше считалось, что в теломерах нет генов, однако расшифровка генома показала, что генов там довольно много и они активны в детстве и молодом возрасте, постепенно «угасая» по мере старения организма.

Не так уж бездеятельны и тандемные повторы. В норме они имеют определенное число повторяющихся троек, пятерок и даже семерок букв. Но в некоторых случаях в результате мутаций число повторов начинает нарастать, что ведет к нестабильности генома. Дело доходит даже до «поломок» концов хромосом. Фрагментация концевых участков хромосомы может привести к перемещениям (транслокации) участков ДНК в другую хромосому, а также синтезу таких форм белка, которые вызывают гибель нервных клеток, как это наблюдается при наследственной хорее Гентингтона.

К.Вентер говорил, что понимание генома потребует сотни лет. Ведь мы до сих пор не знаем функций и роли более чем 25 тыс. генов. И даже не знаем, как подступиться к решению этой задачи, поскольку большинство генов просто «молчит» в геноме, никак себя не проявляя.

Следует учитывать, что в геноме накопилось множество псевдогенов и генов-«перевертышей», которые также неактивны. Похоже, что некодирующие последовательности являются как бы изолятором активных генов. В то же время, хотя генов у нас и не слишком много, они обеспечивают синтез до 1 млн (!) самых разных белков. Как же это достигается при таком ограниченном наборе генов.

Как оказалось, в нашем геноме существует специальный механизм – альтернативный сплайсинг. Заключается он в следующеем. На матрице одной и той же ДНК происходит синтез разных альтернативных и-РНК. Сплайсинг и означает «расщепление», когда образуются разные молекулы РНК, которые как бы «расщепляют» ген на разные варианты. Этот приводит к невообразимому разнообразию белков при ограниченном наборе генов.

Функционирование генома человека, как и всех млекопитающих, регулируется различными транскрипционными факторами – специальными белками. Эти белки связываются с регуляторной частью гена (промотером) и таким образом регулируют его активность. Одни и те же факторы могут по-разному проявлять себя в разных тканях. У человека есть свои собственные, присущие только ему, транскрипционные факторы. Выявить эти чисто человеческие особенности генома еще только предстоит ученым.

СНП
Существует и еще один механизм генетического разнообразия, который выявился только в процессе прочтения генома. Это сингулярный нуклеотидный полиморфизм, или, так называемые факторы СНП.

Полиморфизмом в генетике называют ситуацию, когда гены одного и того же признака существуют в разных вариантах. Примером полиморфизма, или, другими словами, множественных аллелей, служат группы крови, когда в одном хромосомном локусе (участке) могут находиться варианты генов А, В или О.

Сингулярность по-латыни означает одиночество, что-то единственное. СНП – это изменение «буквы» генетического кода без «последствий для здоровья». Считается, что у человека СНП встречается с частотой 0,1%, т.е. каждый человек отличается от других одним нуклеотидом на каждую тысячу нуклеотидов. У шимпанзе, представляющей собой более древний вид, и к тому же гораздо более гетерогенный, число СНП при сравнении двух разных особей достигает 0,4%.

Но если различия в СНП не сказываются на здоровье особей, то чем они интересны и важны? Во-первых, изучение СНП имеет большое теоретическое значение. Именно они позволяет сравнивать возрасты популяций и определять пути их миграции. Так, например, в мужской половой хромосоме (Y) выделены 22 фактора СНП, анализ которых у 1007 европейцев позволил определить, что 80% европейских мужчин имеют сходный «СНП-паттерн», т.е. «рисунок». Это говорит о том, что тысячи поколений назад 4/5 европейских мужчин имели общего предка!

Но и практическое значение СНП велико. Возможно, не все знают, что сегодня самые распространенные лекарства эффективны не более чем для четверти населения. Минимальные генетические отличия, обусловленные СНП, определяют эффективность лекарств и их переносимость в каждом конкретном случае. Так, у больных диабетом выявили 16 специфических СНП. Всего при анализе 22-й хромосомы определили местоположение 2730 СНП. В одном из генов, кодирующих синтез рецептора адреналина, выявлено 13 СНП, которые могут комбинироватьcя друг с другом, давая 8192 различных варианта (гаплотипа).

Насколько скоро и полно начнет использоваться полученная информация, пока не совсем ясно. Пока же приведем еще один конкретный пример.

Среди астматиков довольно популярно лекарство албутерол, который взаимодействует с указанным рецептором адреналина и подавляет приступ удушья. Однако из-за разнообразия гаплотипов людей лекарство действует не на всех, а некоторым больным оно вообще противопоказано. Это обусловлено СНП: люди с последовательностью букв в одном из генов ТЦТЦЦ (Т–тимин, Ц–цитозин) не реагируют на албутерол, если же концевой цитозин заменен на гуанин (ТЦТЦГ), то реакция есть, но частичная. Для людей же с тимином вместо концевого цитозина в этом участке – ТЦТЦТ – лекарство токсично!

Протеомика
Эта совершенно новая отрасль биологии, изучающая структуру и функции белков и взаимосвязи между ними, названа по аналогии с геномикой, занимавшейся геномом человека. Само рождение протеомики уже объясняет, зачем нужна была программа «Геном человека». Поясним на примере перспективы нового направления.

В далеком 1962 г. вместе с Уотсоном и Криком в Стокгольм были приглашены из Кембриджа Джон Кэндрью и Макс Перутц. Они были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина, ответственных за перенос кислорода в мышцах и эритроцитах соответственно.

Напомним, что даже в начале 1990-х гг. расшифровка структуры каждого нового белка представляла значительные трудности. Каждый анализ занимал до десятка лет. И хотя сейчас вместо рентгеновских лучей используют ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), однако времени и денег на определение пространственной структуры каждого белка уходит очень много.

Протеомика позволяет ускорить и удешевить эти работы. К.Вентер отметил, что он 10 лет потратил на выделение и секвенирование гена адреналинового рецептора человека, теперь же его лаборатория тратит на это 15 с. Еще в середине 90-х гг. нахождение «адреса» гена в хромосомах занимало 5 лет, в конце 90-х – полгода, а в 2001 г. – одну неделю! Кстати, ускорению определения положения гена помогает информация о СНП, которых сегодня насчитываются уже миллионы.

Вернемся к протеомике. Знание аминокислотных последовательностей и трехмерной структуры определенных белков позволило разработать программы сопоставления генетических последовательностей с аминокислотными, а затем программы предположительного расположения их в трехмерной структуре полипептидов. Знание трехмерной структуры позволяет быстро находить химические варианты молекул, в которых блокирован, например, активный центр, или определять положение активного центра у мутантного фермента.

Известно, что повышение артериального давления вызывается ферментом АСЕ, сокращенное название которого переводится с английского как ангиотензин-конвертирующий фермент. Образующийся под действием фермента ангиотензин воздействует на стенки артерии, что и ведет к гипертонии. Уже относительно давно были найдены блокаторы фермента АСЕ, которые стали продаваться в качестве лекарств от повышенного давления. Однако, эти лекарственные средства оказались малоэффективными.

Анализ генома позволил выделить ген АСЕ-2, который кодирует более распространенный и эффективный вариант фермента. Затем была определена виртуальная структура белкового продукта, после чего подобраны химические вещества, активно связывающиеся с белком АСЕ-2. Так был найден новый препарат против артериального давления, причем за вдвое меньшее время и всего лишь за 200 вместо 500 млн долларов!

Признаемся, что это был пример «догеномного» периода. Теперь же, после прочтения генома, на первый план выходит протеомика, цель которой – быстрее разобраться с тем миллионом белков, которые потенциально могут существовать в наших клетках. Протеомика позволит более тщательно диагностировать генетические отклонения и блокировать неблагоприятное действие мутантных белков на клетку.

А со временем можно будет планировать и «исправление» генов.

Созданного 4 года назад с целью максимально полной расшифровки информации, закодированной в геноме человека, сообщили о завершении первого этапа работы. Более 300 исследователей из США и других стран провели детальный анализ структуры и функции одной сотой части человеческого генома (30 млн пар оснований из 3 млрд). В клетках человека обнаружено неожиданно большое разнообразие транскриптов — молекул РНК, синтезированных на матрице геномной ДНК. Выяснилось, что первичному прочтению (транскрипции) подвергается 80% генома, несмотря на то, что кодирует белки лишь 2% генома. Этот и другие результаты говорят о том, что механизмы функционирования генома сложнее, чем принято считать, и сам «язык», на котором записана наследственная информация, нам еще не до конца понятен.

Хотя геном человека был объявлен «прочтенным вчерне» еще в 2000-2001 гг., а в 2003-2004 гг. заговорили о «почти совсем полном прочтении», наука по-прежнему далека от полного понимания закодированной в геноме информации. Для решения этой глобальной задачи в 2003 году Национальным институтом по изучению генома человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) был запущен проект ENCODE (Enc yclopedia o f D NA E lements), объединивший сотни ученых и десятки научных коллективов из США и других стран.

Задача-максимум, стоящая перед участниками проекта, состоит в том, чтобы выяснить, зачем нужен и что кодирует каждый из 3 млрд нуклеотидов человеческого генома. Причем выяснить не только теоретически, in silico (путем компьютерного анализа последовательностей ДНК), но и подтвердить результаты экспериментально. До решения этой задачи, разумеется, еще очень далеко. Пока же ученые отрапортовали о завершении первого этапа работы, целью которого была в основном отработка методик и проба сил.

Ученые использовали весь обширный арсенал средств и методов современной генетики, геномики и молекулярной биологии. В частности, широко использовалось сравнение человеческого генома с геномами других млекопитающих (см.: Геном макака резуса расскажет об эволюции человека , «Элементы», 19.04.2007; Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих , «Элементы», 13.05.2007). Такое сравнение позволяет выявить «консервативные», то есть схожие у разных видов участки генома. Консерватизм обычно свидетельствует о функциональной важности данного участка (см.: Сравнение геномов человека и мыши помогло обнаружить новый способ регуляции работы генов , «Элементы», 21.04.2007).

Но главным «коньком» проекта ENCODE является тотальный анализ транскриптома , то есть тех молекул РНК, которые синтезируются клеткой на матрице геномной ДНК в ходе транскрипции — «прочтения» генетической информации. Напомним, что информация, закодированная в классических белок-кодирующих генах, реализуется в два этапа: сначала на матрице ДНК синтезируется РНК (транскрипция), затем на матрице РНК синтезируется белок (трансляция).

Ранее уже было известно, что только 2% генома человека кодируют белки. Лишь эти два процента генетического «текста» подвергаются не только транскрипции, но и трансляции. Было известно и то, что транскрипции подвергаются также и многие нетранслируемые участки генома. Это, во-первых, гены функциональных РНК (транспортных, рибосомных и разнообразных регуляторных), во-вторых — интроны, некодирующие «вставки», имеющиеся в большинстве белок-кодирующих генов. Перед трансляцией интроны вырезаются из молекул РНК (это называется сплайсингом). Одно из главных достижений проекта ENCODE состоит в том, что наконец удалось выяснить, какая доля геномной ДНК подвергается транскрипции в человеческих клетках. Оказалось — целых 80%, гораздо больше, чем предполагалось. До начала выполнения проекта было известно, что в той сотой части генома, которую предстояло изучить, есть 8 генов нетранслируемых РНК. Оказалось, что в действительности их тысячи.

Исследователи пока не могут точно сказать, какую функцию выполняют все эти транскрипты. Не исключено, что некоторые из них не выполняют никакой специальной функции и являются всего лишь побочным продуктом деятельности ферментов РНК-полимераз — деятельности, которая, вероятно, является отчасти хаотической (о хаотических аспектах работы некоторых белков см.: Работу регуляторного белка впервые пронаблюдали под микроскопом , «Элементы», 31.05.2007; Разгадан механизм движения «шагающего белка» , «Элементы», 29.05.2007). Но многие из обнаруженных транскриптов все-таки зачем-то нужны. Это подтверждается тем, что в них имеются консервативные участки, почти одинаковые у человека и мыши.

Изучение транскриптов, считанных с обычных белок-кодирующих генов, тоже преподнесло сюрпризы. Всего в пределах изученного участка генома находится 400 таких генов. Более чем у 80% из них анализ транскриптов выявил наличие неизвестных ранее функциональных фрагментов — экзонов (экзонами, в отличие от интронов, называют те участки гена, которые кодируют белок). Некоторые из этих экзонов, как выяснилось, находятся в геномной ДНК на расстоянии тысяч пар нуклеотидов от всех остальных экзонов того же гена, иногда они даже оказываются внутри другого гена. То, что гены высших организмов состоят из кодирующих кусочков-экзонов, разделенных некодирующими вставками-интронами, было известно давно, но никто не знал, что экзоны многих человеческих генов находятся так далеко друг от друга и так причудливо разбросаны. Более того: были обнаружены транскрипты, содержащие экзоны двух разных генов.

Всё это заставляет признать, что мы до сих пор не очень хорошо представляем себе, что же такое ген и как он работает. Некоторые из участников проекта позволили себе даже высказаться в прессе в том смысле, что, мол, ген — понятие отчасти устаревшее, а на самом деле фундаментальными единицами генома являются транскрипты (как сказал кто-то из теоретиков — «мы до сих пор живем в мире РНК»). Другие не согласны с этим: по их мнению, ген остается центральным объектом молекулярной биологии, только вот определение этого понятия нужно подкорректировать.

В ходе выполнения проекта исследователи разработали целый ряд новых методик, которые пригодятся им в дальнейшем — например, научились гораздо лучше искать регуляторные участки ДНК, в том числе сайты начала транскрипции (промоторы) — последовательности нуклеотидов, сигнализирующие РНК-полимеразам о том, что в этом месте следует начинать транскрипцию. До начала выполнения проекта ENCODE в этой части генома человека было известно 532 промотора, сейчас их уже 775, и вдобавок много предположительных, ожидающих экспериментального подтверждения.

Назовем еще некоторые из полученных результатов:

Гистоны — специальные белки, на которые «наматывается» геномная ДНК в клеточном ядре — определенным образом модифицируются вблизи сайтов начала транскрипции и других регуляторных элементов; по характеру этих модификаций можно даже предсказывать наличие тех или иных регуляторных элементов в данном участке ДНК.

Примерно 5% нуклеотидов в геноме млекопитающих безусловно находятся под действием стабилизирующего (очищающего) отбора, иными словами, они консервативны — темп их эволюционных изменений сильно замедлен.

Для 60% этих консервативных оснований имеются экспериментальные подтверждения наличия функции — то есть они действительно зачем-то нужны, что-то кодируют.

Многие фрагменты ДНК с экспериментально подтвержденной функциональной ролью не являются, однако, эволюционно консервативными — последовательность нуклеотидов в них быстро менялась в ходе эволюции млекопитающих. По-видимому, многие из этих участков кодируют функции, не являющиеся жизненно важными. Такие участки могут служить хорошим «материалом для отбора». Кстати, сами исследователи именно этот результат считают наиболее неожиданным: раньше думали, что практически всё функциональное в геноме должно быть консервативным.

Функциональные фрагменты ДНК имеют разную степень вариабельности в пределах человеческой популяции: одни из них почти одинаковы у всех людей, другие могут очень сильно различаться.

Стоимость первого этапа исследований составила $42 млн. На продолжение работы NHGRI намерен выделять $23 млн ежегодно. Предполагается, что через 4 года весь геном человека будет подвергнут столь же глубокому анализу, как и изученная на сегодняшний день сотая часть. Ускорение и удешевление процесса будет обеспечено за счет новых методик, разработанных участниками проекта.

Источники:
1) The ENCODE Project Consortium. Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project (полный текст — Pdf, 4,5 Мб) // Nature . 2007. V. 447. P. 799-816.
2) Elizabeth Pennisi. DNA Study Forces Rethink of What It Means to Be a Gene // Science . 2007. V. 316. P. 1556-1557.

Об исследованиях генома человека см. также:
1) Проект «Геном человека» .
2) Эволюция человека сопровождалась изменением активности генов-регуляторов , «Элементы», 13.03.2006.
3) Люди отличаются от шимпанзе не тем, чем хотели , «Элементы», 30.11.2006.
4) Будут ли расшифрованы генетические основы разума? , «Элементы», 09.10.2006.
5) Почему шимпанзе не болеют раком , «Элементы», 08.02.2006.