Изучение генома человека достижения и загадки. Ученые расшифровали генома человека и его описали

История возникновения проекта

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 академикА.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), наконец, завершена.

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 году 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 нематоды 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 интересным 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. На лицо 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.

Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома . Вообще говоря, геном человека высоко консервативен. 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 3% 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. 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.

Что можно ждать от геномных исследований в ближайшие 40 лет?

Вот как сформулировал прогноз Ф. Коллинз, руководитель программы «Геном человека» (США).

2010 год

Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, яростно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.

2020 год

На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

2030 год

Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее 1000 $. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.

2040 год

Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при/до рождения).

Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни детектируются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

Для большинства заболеваний доступна генная терапия.

Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря социоэкономическим мерам. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.

«Гены предрасположенности или болезни, которые нас выбирают»

Как всякое научное открытие, расшифровка генома человека привела к появлению новых важных научных направлений, бурным развитием которых ознаменовалось начало 21 века – функциональная геномика (functional genomics), генетическое разнообразие (human genome diversity), этические, правовые и социальные аспекты исследований генома человека (ethical’legal and social implications — ELSI).

Задачей функциональной геномики является изучение функций новых генов, точнее генных ансамблей, так называемых «генных сетей» в нормальном развитии органов, тканей и при различных заболеваниях. Исследование генетического разнообразия проливает свет на эволюцию человека, проблемы этногенеза, т.е. происхождение рас, национальностей, этнических групп и пр. Они особенно важны и для выяснения наследственной предрасположенности человека к различным, в том числе и наиболее частым заболеваниям . Огромное значение на современном этапе приобретают исследования путей адаптации человека к серьезным переменам в медицине и обществе, вызванными быстро нарастающей «генетизацией» человечества.

Одним из важнейших итогов изучения генома человека является возникновение и быстрое развитие нового направления медицинской науки – молекулярной медицины — медицины, основанной на диагностике, лечении и профилактике наследственных и ненаследственных болезней с помощью самих генов, точнее нуклеиновых кислот . Что же отличает молекулярную медицину от обычной медицины? Прежде всего, универсальность диагностики, основанная на точных методах анализа самих генов. Ее профилактическая направленность, то есть возможность диагностировать или с высокой вероятностью предсказывать то или иное заболевание (предиктивная медицина ). Четко выраженная индивидуальность лечения (лекарства должны подбираться каждому больному строго индивидуально). Наконец, использования для лечения разных наследственных и ненаследственных болезней самих генов и их продуктов (генная терапия). Что же такое предиктивная медицина? Как показывают результаты сравнительного анализа, частота индивидуальной вариабельности молекулярной структуры геномов разных людей составляет около 0,1%. Это означает, что такие различия (замены отдельных букв) встречаются очень часто – примерно через каждые 400 знаков, что предполагает наличие 9 000 000 замен на каждый геном. Важно, что такие варианты не редко встречаются внутри самих генов. Их результатом могут быть замены букв в генетическом коде (полиморфизмы), в результате которых синтезируются белки с необычными, часто сильно измененными свойствами, отличными от нормальных. Наличие таких функционально различных белков (изоферментов), гормонов и пр. создает уникальный биохимический паттерн каждого человека.

Подобные замены в генах (полиморфизмы) далеко не всегда нейтральны. Они, а точнее продукты таких генов, как правило, работают менее эффективно и делают человека уязвимым к тому или иному заболеванию . Особенно ярко эту мысль выразил Фрэнсис Коллинз — директор Международной Программы «Геном Человека»: «Никто из нас не совершенен. Все больше генетических тестов становится доступно и каждый из нас, в конечном счете, обнаруживает у себя мутацию, предрасполагающую к какой-нибудь болезни». Действительно, именно при помощи генетических тестов у человека любого возраста, а при необходимости даже внутриутробно, можно установить предрасположенность к тому или иному заболеванию. При этом, естественно, тестированию подвергаются не все, а только определенные гены (гены «предрасположенности», то есть гены, полиморфизмы (мутации) которых совместимы с жизнью, но при определенных неблагоприятных воздействиях внешних факторов (лекарства, диета, загрязнения воды, воздуха и пр.) или продуктов других генов могут быть причиной различных, так называемые мультифакториальных заболеваний. Существенно подчеркнуть, что причиной большинства заболеваний являются мутации не отдельных, а многих разных генов (т.н. генных сетей), обеспечивающих соответствующие метаболические процессы. В последнее время именно расшифровка составляющих элементов таких генных сетей при различных заболеваниях, выяснение роли полиморфизмов отдельных генов в их возникновении составляет горячую область предиктивной медицины.

Важным разделом предиктивной медицины является фармакогенетика — выяснение генетически обусловленных особенностей индивидуальной реакции организма на различные фармпрепараты. По некоторым данным ежегодно в мире погибает более 100 000 человека в связи с неправильной дозировкой лекарственных веществ, игнорирующей индивидуальную вариабельность действия лекарств. В настоящее время разработаны и широко используются в различных лабораториях и диагностических центрах, многочисленные генетические тесты. Часть из них направлена на выявление носителей мутантных генов, приводящих к различным тяжелым наследственным заболеваниям. Эти тесты особенно актуальны в семьях высокого риска, где уже есть больной ребенок . Они позволяют выяснить в семье носителей соответствующих мутантных генов и предотвратить рождение заведомо больного ребенка после своевременной дородовой (пренатальной) диагностики. Существует, однако, большая группа нейродегенеративных и некоторых онкологических заболеваний, первые клинические проявления которых наблюдаются сравнительно поздно, уже у взрослых. Для таких болезней разработаны методы досимптоматической диагностики.

В настоящее время, как показывает анализ мировой литературы, уже доступны для клинического применения около 150-200 генетических тестов Их широко применяют в различных центрах США и стран Западной Европы, особенно во Франции, Великобритании и в Германии. Во Франции, например, разработана и уже используется в медицинской практике система SESAM (System Expert Specialisee aux Analyae Medicale). Она основана на компьютерной интерпретации результатов генетического тестирования, а так же результаты биохимических, серологических и иммунологических анализов. В ходе ее выполнения уже используют свыше 80 тестов, которые обрабатывают при помощи специальной компьютерной программы. Особенно существенный вклад вносит данная программа в Предиктивную Медицину. Основной упор при этом делается на интерпретацию результатов различных генетических тестов, и, в первую очередь, тестов по изучению состояния генов системы детоксикации, ответственных за чувствительность человека к самым различным внешним воздействиям, особенно к химическим препаратам, лекарствам и другим ксенобиотикам. В Великобритании уже началось осуществление масштабного проекта по созданию Биобанка , содержащего генетическую информацию более 500 000 британцев разных рас и этнических групп с целью изучения диабета, рака, болезни Альцгеймера, сердечно-сосудистых заболеваний. Предполагается, что данный проект, в случае его успешной реализации, станет началом новой эры в медицине, так как с его помощью станет возможным прогнозировать и лечить заболевания, основываясь на индивидуальных генетических особенностях пациентов.

Программа массовой генетической паспортизации всего населения и, прежде всего, молодежи уже начата в Эстонии. В России такая Программа пока отсутствует. Однако различные предиктивные генетические тесты уже проводятся в разных молекулярных лабораториях и центрах Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Томска и Уфы.

Естественно, что гены системы детоксикации (они же — гены метаболизма) представляют собой лишь одно из многих семейств генов, тестирование которых важно для целей предиктивной медицины. Существенная роль в наследственной предрасположенности принадлежит и другим генам, в частности, генам, контролирующим трансмембранный перенос метаболитов, а так же генам, продукты которых играют ключевую роль в клеточном метаболизме (гены-триггеры).

Таким образом, как ни печально, приходится признать, что человек рождается уже с набором генов, предрасполагающих его к тому или иному тяжелому заболеванию. При чем в каждой семье и у каждого человека выраженность наследственной предрасположенности к конкретной болезни сугубо индивидуальна. Тестирование соответствующих генов позволяет не только выявить лиц с повышенным риском этих и других мультифакториальных заболеваний, но и оптимизировать стратегию их лечения.

Существенно подчеркнуть, что достаточно объективная информация о наследственной предрасположенности к любому мультифакториальному заболеванию, которую мы унаследовали от родителей, может быть получена в результате тестирования не одного или двух, но сразу нескольких различных генов — главных генов предрасположенности в той или иной генной сети. В настоящее время методы тестирования многокомпонентных генных сетей разработаны для более 25 мультифакториальных заболеваний. Ко всему сказанному добавим: идентификация всех генов человека, открытие новых генных сетей неизмеримо увеличивает возможности генетического тестирования наследственной предрасположенности и медико-генетического консультирования. Существенную помощь в этом могут оказать новые технологии. В частности, методы анализа с помощью микрочипов, которые позволяет одномоментно тестировать тысячи генетических полиморфизмов у одного человека или сразу несколько полиморфизмов у многих тысяч людей. Последний подход особенно важен для суждения о генетической структуре населения целого государства, что важно для планирования наиболее эффективной системы профилактики частых мультифакториальных болезней.

Итак , с помощью генетических тестов можно получить достаточно объективную информацию о том, какие болезни уже «выбрали» нас в момент формирования нашего генома на начальных этапах эмбрионального развития, то есть носителями каких мутантных генов мы являемся. Вполне реально уже сегодня узнать в какой мере уникальные особенности нашего генома могут представлять реальную угрозу для здоровья наших детей и близких родственников, могут привести нас самих к тяжелым, неизлечимым заболеваниям. Совокупность таких сведений о геноме каждого человека и позволяет говорить об индивидуальной базе данных. Внедрение в практическую медицину пренатальной (дородовой) диагностики наследственных болезней, скрининг (массовое обследование) носительства мутантных генов и генетических тестов активно способствуют формированию баз данных для отдельных индивидуумов и целых семей. Дополненная сведениями о кариотипе (наборе хромосом) и генетическим номером (уникальный генетический код каждого человека, устанавливаемый методами геномной дактилоскопии) и является основой расширенной индивидуальной базы данных человека — его «генетическим паспортом»). Проблема, однако, заключается в том, что далеко не каждый человек хочет и готов знать о подводных камнях своей наследственности. Не менее серьезной оказывается и проблема обязательной строгой конфиденциальности такой информации. Естественно, что решение этих и многих других проблем на пути широкого внедрения достижений современной генетики в жизнь требует их детального осмысления учеными и обществом. Назрела необходимость четкой юридической регламентации и гармоничной социальной адаптации применения достижений предиктивной медицины в практике здравоохранения.

«Геном Человека как Научная Основа Профилактической Медицины»
Стратегические направления исследований генома человека.

Исследования генома человека уже привели к возникновению таких новых научных направлений, и, соответственно, программ как «Функциональная Геномика»; «Генетическое Разнообразие Человека»; «Этические, Правовые и Социальные Аспекты Исследований Генома Человека». Эти направления активно проникают во все сферы жизни человека, и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающей «генетизации» человечества.

1. По мере стремительного увеличения числа картированных генов, все более очевидным становится недостаток данных об их функциях и, прежде всего, о функциональной значимости тех белков, которые они кодируют. Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5-6 тысяч. Какова функция остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов составляет важную стратегическую задачу исследований в программе «Функциональная Геномика» . Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток, создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, некодирующих белки; развитие новых технологий по сравнительному анализу экспрессии генов — вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.

2. Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, межиндивидуальные различия геномов как в их смысловой части (экзоны структурных генов), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны, пр.) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму. Последний является предметом пристального изучения быстро набирающей силы программы «Генетическое Разнообразие Человека» . Решение многих проблем этногенеза, геногеографии, происхождения человека, эволюции генома в филогенезе и этногенезе — вот круг фундаментальных проблем, стоящих перед этим быстро развивающимся направлением. Близко примыкают к нему и исследования по Сравнительной Геномике (Comparative Genomics). Одновременно с человеком проводится секвенирование геномов других млекопитающих (мышь), а также насекомых (дрозофилы), червей (Caenorhabditis elegans). Есть основания предполагать, что компьютеризованный анализ геномов различных животных позволит создать Периодическую Систему Геномов. Будет ли она по аналогии с известной Периодической Системой Химических Элементов Д.И.Менделеева двумерной или окажется многомерной покажет будущее. Однако сама возможность создания такой Биологической Периодической Системы сегодня уже не представляется фантастичной.

3. По мере все более полной «генетизации» жизни человека, т.е. проникновения генетики не только во все разделы медицины, но и далеко за ее пределы, в том числе в социальные сферы, нарастающей заинтересованностью всех слоев мирового сообщества в достижениях генетики, все более очевидным для ученых, чиновников, правительств и просто образованных людей становится необходимость решения многочисленных этических, юридических, правовых и социальных проблем порождаемых успехами в изучении генома человека и познании его функций. Серии Этических, Правовых и Социальных программ, направленных на изучение проблем адаптации человека и общества в целом к восприятию достижений генетики.

Расшифровка последней хромосомы

Ученые расшифровали последнюю хромосому генома человека. Составлена карта самой сложной хромосомы человека.

Хромосома 1 содержит почти в два раза больше генов, чем обычная хромосома, и составляет 8% генетического кода человека. Это самая крупная хромосома стала последней из 23 хромосом человека (22 парных плюс половые), расшифрованной в рамках проекта «Геном человека» (Human Genome), сообщает Reuters.
В данной хромосоме содержится 3141 ген, в том числе те, которые связаны с такими заболеваниями, как рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона. «Данное достижение закрывает важный этап проекта «Геном человека», — говорит Саймон Грегори, руководитель проекта, которым занимается британский Институт Сэнгера.

Хромосома 1 является самой крупной и содержит наибольшее число генов. «Поэтому с этим участком генома связано наибольшее число заболеваний», — говорит Грегори.

На секвенсирование хромосомы 1 понадобилось 10 лет работы 150 британских и американских ученых. Результаты работы помогут исследователям во всем мире развивать методы диагностики и лечение рака, аутизма, психических расстройств и других заболеваний.

Хромосомы находятся в ядре клетки, они представляют нитеобразные структуры и содержат гены, которые определяют индивидуальные характеристики человека. Геном человека, по оценкам, состоит из 20-25 тыс. генов. В ходе секвенсирования хромосомы 1 было обнаружено 1000 новых генов.
Библиография

Баранов В.С., Баранова Е.В., Иващенко Т.Э., Асеев М.В. Геном человека и гены «предрасположенности»: Введение в предиктивную медицину. СПб., 2000
Боринская С.А., Янковский Н.К. Структура генома прокариот // Молекулярная биология. 1999. Т. 33. № 6
Бочков Н.П. Генетика человека и клиническая медицина // Вестн. РАМН. 2001. № 10
Генная терапия — медицина будущего / Под ред. А.В.Зеленина. М., 2000
Горбунова В.Н., Баранов В.С Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СПБ., 1997
Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека. Новосибирск, 1997
Тяжелова Т.В., Иванов Д.В., Баранова А.В., Янковский Н.К. Новые гены человека в области 13q14.3, обнаруженные in silico // Генетика. 2003. Т. 39. №6
Янковский Н.К., Боринская С.А. Геном человека: научные и практические достижения и перспективы: Аналитический обзор // Вестник РФФИ. 2003.№ 2
Baranova A.V., Lobashev A.V., Ivanov D.V., Krukovskaya L.L., Yankovsky N.K., Kozlov A.P. In silico screening for tumour-specific expressed sequences in human genome // FEBS Lett. 2001. Nov. V. 9. № 508 (1)
Collins F.S., Green E.D., Guttmacher A.E., Guyer M.S. A vision for the future of genomics research. 2003. Nature. № 422
Mitochondrial DNA sequence diversity in Russians. Orekhov V., Poltoraus A., Zhivotovsky L.A., Spitsyn V., Ivanov P., Yankovsky N. // FEBS Lett. 1999. Feb. V. 19. № 445 (1)
Orekhov V., Ivanov P., Zhivotovsky L., Poltoraus A., Spitsyn V., Ginter E., Khusnutdinova E., Yankovsky N. MtDNA sequence diversity in three neighbouring ethnic groups of three language families from the European part of Russia // Archaeogenetics: DNA and the Population Prehistory of Europe / Ed. by. C. Renfrew, K. Boyle. Cambridge, 2000
The Human Genome // Nature. 2001. № 409
The Human Genome // Nature. 2003. № 421
Venter J.C., Adams M.D., Myers E.W. et al. The sequence of the human genome // 2001. Science. № 291

Материал взят из архива программы А. Гордона из раздела «Специальные проекты» сайта http://promo.ntv.ru, а также с сайта http://www.newsru.com из статьи «Ученые расшифровали последнюю хромосому генома человека» от 18 мая 2006 г.

Ученые выяснили, что основная часть генома человека - вовсе не мусор, как считалось раньше. Большой консорциум исследователей установил, что у 80 процентов ДНК есть какая-то биологическая функция. Это открытие достойно того, чтобы называться эпохальным, но правда ли ученые открыли именно то, о чем сообщается в пресс-релизах?

Не только гены

Проект, участники которого совершили столь громкое открытие, называется ENCODE (сокращение от Encyclopedia of DNA Elements, в переводе с английского - "энциклопедия фрагментов ДНК") и ставит перед собой по-настоящему всеобъемлющую цель - описать все последовательности генома человека, обладающие той или иной функцией. Задача очень важная: ДНК человека состоит из трех миллиардов "букв" (нуклеотидов), при этом собственно генов в ней всего 20 тысяч, и их общая длина слегка превышает 1 процент от всего размера генома. Зачем нужны остальные 99 процентов - долгое время было неясным.

Впрочем, один из возможных ответов на этот вопрос, крайне популярный у биологов конца прошлого века, отражен в названии, которым ученые в 1970-х окрестили весь непонятный массив генетических данных – "мусорная" ДНК (по-английски - junk DNA). Однако по мере дальнейшего изучения механизмов работы живой клетки становилось ясно, что гены - это далеко не единственное, что определяет, как будет реализована заложенная в ней наследственная информация.

Даже если в далеком будущем ученые выяснят, за что отвечает каждый из 20 тысяч генов Homo sapiens и бесчисленное множество их вариантов, то, глядя на распечатку генов конкретного человека, они все равно не смогут полностью описать, как он выглядит, насколько хорошо работают его сердце, легкие и другие органы, от каких болезней он страдает или сколько баллов наберет в тесте на IQ. Для того чтобы создать исчерпывающий портрет человека, помимо знания, какие именно у него есть гены, нужно как минимум понимать, какие регуляторные элементы управляют работой этих генов (кроме того, желательно учитывать, в каких условиях человек рос, но сегодня этот фактор считается куда менее значимым, чем раньше). Регуляторы "притягивают" специфические белки, которые могут запустить или выключить работу гена.

Но только знания последовательности генов и регуляторных элементов все равно недостаточно для создания полной картины работы генома. Еще один важный фактор - пространственное расположение в ядре фрагментов ДНК, на которых находятся гены и регуляторы. Очень может быть, что последовательность, запускающая работу гена, удалена от него на расстояние в десятки тысяч "букв" - но если нить ДНК изогнется в петлю так, что они соприкоснутся, ген будет активно функционировать.

Наконец, работа клетки зависит от того, как модифицирована ее ДНК. Ученые достаточно давно выяснили, что к "буквам" генетического кода могут быть "прикручены" различные химические довески, но истинная значимость таких изменений стала очевидной только в последние пару десятков лет. Часть модификаций (например, метилирование) "выключает" гены, другие "усовершенствования", наоборот, заставляют их работать без остановки. Помимо генов химическим изменениям могут подвергаться специфические белки под названием гистоны, вокруг которых обернута ядерная ДНК. Сложная укладка спиралей дезоксирибонуклеиновой кислоты позволяет "впихнуть" длиннющие нити в крошечное ядро - суммарная протяженность ДНК человека, например, составляет примерно два метра, а диаметр ядра при этом не превышает 20 микрометров (микрометр - миллионная часть метра).

Постепенно исследователи накапливали все больше данных о том, какие еще тонкости кроме собственно последовательности генов влияют на реализацию заложенной в организме информации. Организаторы проекта ENCODE поставили своей целью запротоколировать все эти "дополнения" к геному человека. Другими словами, они решили вычленить из массива "мусорной" ДНК все фрагменты, которые могут быть значимыми для работы клетки.

Проект стартовал в 2003 году, и в него было приглашено около 400 ученых со всего мира. Отдельные группы занимались разными "ветвями" исследования, а затем все их результаты объединялись, сравнивались и анализировались. Первый значимый рубеж был пройден в 2007 году, когда консорциум специалистов представил результаты анализа одного процента генома человека. Половина фрагментов была взята из хорошо изученных участков хромосом, а половина "представляла" геномную terra incognita . Предполагалось, что охарактеризованная учеными ДНК послужит своеобразным образцом, ориентируясь на который можно будет делать обобщающие выводы обо всем геноме.

Нынешний результат проекта ENCODE куда более существенен: на этот раз исследователи не ограничились одним процентом, а прошлись по всему человеческому геному. Всего ученые опубликовали 6 статей в одном из самых престижных научных журналов Nature , плюс еще два с половиной десятка материалов в журналах попроще. Специалисты искали все перечисленные выше потенциально значимые участки ДНК и, кроме того, оценивали, с какого процента "букв" синтезируется РНК. Этот процесс называется транскрипцией, и, собственно, именно он является прямым показателем того, что ген активен. Гены содержат информацию о белках в закодированном виде, но ферменты - строители белков расшифровывать этот код не умеют. Инструкции для них записываются на особую молекулу-посредник под названием матричная РНК (мРНК). Специальные белки считывают записанную в ДНК информацию и "переводят" ее на язык мРНК, понятный ферментам-строителям.

На заре изучения механизмов работы генома считалось, что транскрипция может идти только с генов. Один из открывателей структуры ДНК Френсис Крик даже постулировал это убеждение в своей знаменитой центральной догме молекулярной биологии, которая описывает процесс реализации генетической информации в клетке. Классический вариант центральной догмы гласит, что информация передается только по пути ДНК - РНК - белок, причем однонаправленно. Позже оказалось, что предложенная Криком схема на самом деле устроена несколько сложнее и потоки информации между тремя ее основными компонентами могут протекать более чем одним способом.

В частности, оказалось, что молекулы РНК образуются не только с генов, но и с участков той самой "мусорной" ДНК. Эти рибонуклеиновые кислоты представляют еще один тип регулировщиков работы генома и могут напрямую влиять на активность генов, определяя, как именно будет считываться записанная в них информация. Таким образом, участки ДНК вне генов, с которых идет такая транскрипция, уже нельзя причислить к "мусору". И по итогам нынешнего этапа ENCODE оказалось, что так или иначе РНК синтезируется с 60 процентами всей человеческой ДНК. Еще около 20 процентов генома подпадают под другие критерии потенциально значимых участков. И именно цифра 80 появилась во всех пресс-релизах и научно-популярных статьях, причем в большей части публикаций утверждалось, что вся эта ДНК, прежде считавшаяся ненужной, обладает некими биологическими функциями. И такую интерпретацию результатов можно назвать, как минимум, некорректной.

Легкое преувеличение

Все дело в том, что молекулярные машины, которые отвечают за внутреннюю кухню вокруг ДНК, несовершенны. Несмотря на удивительную точность и прецизионность своей работы - даже самая сложная человеческая техника пока далеко отстает от этого уровня - иногда эти машины ошибаются. Ферменты, копирующие ДНК, вставляют не ту "букву", белки, которые чинят поломки генома, вдруг пропускают целые куски или, наоборот, добавляют пару лишних фрагментов и так далее. Нередко такие ошибки оказываются для организма смертельными или же приводят к тяжелому недугу, но, с другой стороны, именно они формируют тот ресурс мутаций, без которых невозможны эволюционные изменения.

Многие из этих мутаций никак не сказываются на работе клетки, и эти безразличные для организма ошибки выпадают из "поля зрения" естественного отбора. Если лишняя копия гена не мешает работе остальных, то она может оставаться в геноме сколь угодно долго. Постепенно в ней будут накапливаться мутации, но если "буквы" в начале гена останутся неизменными, то ненужная копия будет продолжать транскрибироваться. Ферменты, синтезирующие РНК, узнают именно передние части генов (промоторы) и не умеют определять, "правильный" перед ними ген или "неправильный". Они начинают транскрипцию даже если ген обрывается на середине или от него вообще остался только коротенький "огрызок". В результате образуются короткие РНК, которые сразу же утилизируются специальными клеточными "мусорщиками". Недоделанные РНК не выполняют в клетке никакой полезной работы, однако по стандартам проекта ENCODE будет считаться, что участок ДНК, с которого идет подобная транскрипция, имеет какую-то функцию.

Так как ферменты могут ошибиться в любой момент, за миллионы лет в геноме появились не только лишние гены, но и лишние копии регуляторных участков, которые контролируют работу генов. И хотя такой регулятор давно не "привязан" ни к какому осмысленному фрагменту ДНК, его по-прежнему будут узнавать специальные белки, а значит, он попадет в список потенциально функциональных участков ENCODE.

Помимо генных фрагментов, порожденных ошибочной работой ферментов, в человеческих хромосомах очень много так называемых мобильных генетических элементов и остатков древних вирусов, которые умеют встраивать свои гены в ДНК клетки-хозяина. Мобильными генетическими элементами называют куски ДНК, способные перемещаться по геному. Они были открыты в конце 1940-х годов американской исследовательницей Барбарой Макклинток, однако у научного сообщества идея прыгающей ДНК получила признание только 30 лет спустя (а Нобелевскую премию за свои работы Макклинток получила и вовсе в 1983 году). И мобильные элементы, и когда-то встроившиеся в геном вирусы несут промоторы, так что с них тоже может идти транскрипция. Большинство чужеродных человеческому геному элементов давно перестали работать, но РНК с них зачастую синтезируются, и значит, эти фрагменты генома будут определяться проектом ENCODE как функциональные.

Таким образом, далеко не все участки ДНК из выделенных участниками ENCODE 80-ти процентов на самом деле выполняют в клетке хоть какую-нибудь функцию. Собственно, сами ученые и не утверждают, что все, найденное ими, действительно важно: биоинформатик Эван Бирни (Ewan Birney), координирующий процесс анализа полученных данных, в своем блоге признает, что сама по себе транскрипция, идущая с некоего участка ДНК, не является надежным показателем его функциональности. Главным признаком того, что данный фрагмент ДНК для чего-то используется, Бирни и его коллеги считают узнавание специфическими белками, которые запускают транскрипцию или выполняют функции регуляторов. Доля таких участков во всем геноме, по оценкам специалистов ENCODE, составляет около 20 процентов, причем сюда входят и участки ДНК внутри генов.

Однако и эту цифру рано называть окончательной - как уже говорилось выше, привлекать специфические белки могут остатки вирусной ДНК или фрагменты, оказавшиеся в геноме из-за "недосмотра" ферментов. Чтобы найти действительно важные для клетки последовательности, необходимо выяснить, какие из попавших в перечень ENCODE фрагментов ДНК сохраняются в геноме на протяжении длительного времени. Другими словами, ученым нужно отделить последовательности, находящиеся под давлением естественного отбора. Изменения в таких последовательностях приводят к гибели организма или делают его неспособным к размножению - и вот они, с большой долей вероятности, действительно выполняют в клетке какие-либо важные функции.

"Задача отделить действительно функциональные элементы от участков, которые транскрибируются случайно, потребует гораздо больше работы, чем уже было проделано", - считает ведущий исследователь Национального центра биотехнологической информации США Евгений Кунин. "Более того, это теоретически невозможно, чтобы 80 процентов последовательностей генома выполняло ту или иную биологическую функцию. Не может такая значительная часть генома быть предметом отбора", - пояснил Кунин "Ленте.ру".

Бирни признает, что окончательным маркером функционально важных участков ДНК должна быть их устойчивость при передаче из поколения в поколение. Однако ученый отмечает, что некоторые последовательности могут выпадать из этого правила - скажем, гены, отвечающие за форму носа, очень вероятно, не находятся под строгим давлением отбора. Но это не значит, что они не интересны исследователям, занимающимся генетикой человека.

Но если участники проекта ENCODE ориентируются на показатель в 20 процентов - почему во все пресс-релизы (в том числе, и пресс-релиз журнала Nature ) попала в четыре раза большая цифра? Бирни объясняет эту странность так: "Сначала я настаивал на [использовании обеих цифр]. Но поместить в один абзац сразу два процентных показателя - значит, потребовать слишком много усилий от читателей. Им необходимо понять, почему между этими двумя цифрами такая большая разница, а соответствующие объяснения могут оказаться чуть более длинными, чем способны вытерпеть большинство людей". В итоге исследователи остановились на варианте 80 процентов, потому что в него включены данные всех экспериментов ENCODE. Кроме того, он лучше подчеркивает главную мысль проекта, а именно, что геном - это не массив "мертвой" ДНК, а структура, наполненная жизнью и активностью.

Ложка меда

Собственно, словосочетание "биологическая функция" тоже появилось только в пресс-релизах. В оригинальных статьях ученые используют куда более нейтральное определение "биохимическая функция", которое прямо не указывает на значимость этой "функции" для организма.

Небольшая подмена понятий, которую позволили себе участники ENCODE, отнюдь не умаляет достоинств проекта. Это колоссальное по своим масштабам исследование, которое дает ученым массу ценнейшей информации для работы. Некоторые практические результаты есть уже сегодня. Проанализировав мутации (так называемые однонуклеотидные полиморфизмы или снипы), которые повышают вероятность, что у человека разовьется тот или иной недуг, специалисты выяснили, что до трети таких изменений располагаются в регуляторных участках, причем многие из этих участков активны только в иммунных клетках. Подобные данные уже позволяют исследователям искать причины заболеваний прицельно в конкретном типе клеток, а не перебирать все возможные варианты.

"Такие масштабные геномные проекты - это всегда позитивно, - считает директор института биологии гена РАН Павел Георгиев. - Они позволяют очень сильно экономить средства. В таких проектах большое сообщество ученых целенаправленно решает одну конкретную задачу, и это всегда эффективнее по сравнению с ситуацией, когда какие-то отдельные лаборатории с довольно ограниченными возможностями самостоятельно пытаются что-то сделать".

У всех подобных проектов, за исключением разве что самых "очевидных", вроде "Генома человека", есть одна общая проблема: как донести до публики их ценность. Результаты работы исследователей зачастую очень специфичны, и для того, чтобы объяснить их суть, требуется много времени. Отсюда и берутся громкие заголовки и передергивания вроде 80-процентной функциональности генома. Намеренно вводить читателей в заблуждение, конечно, нехорошо, но, с другой стороны, иногда только такой прием позволяет привлечь внимание к по-настоящему важному проекту. Так что лукавых ученых, наверное, можно понять.

Член-корреспондент Российской академии наук Л. КИСЕЛЕВ, председатель Научного совета Российской национальной программы "Геном человека" Министерства науки и технологий России.

Достижение века: после восьми лет работы многих исследовательских групп удалось точно определить 97 миллионов пар нуклеотидов и их местонахождение в спирали ДНК, хранящей полную наследственную информацию микроскопического червячка Сaenorhabditis elegans.

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.

Уже известный нам американский ученый Джеймс Уотсон в 1988 г. инициировал создание международного проекта "Геном человека". Данный проект оказался одним из самых дорогих научных проектов в истории изучения генетики. В проекте заняты тысячи специалистов из разных стран мира - биологи, химики, математики, физики и технические специалисты. На реализацию проекта было потрачено в 1990 г. 60 млн. долл., в 1991 г. -- 135 млн, в 1992-1995 гг. -- от 165 до 187 млн. в год.

Самый значительный вклад в финансирование этого проекта внесли США, Великобритания, Германия, Франция и Япония. Только США израсходовали в 1996-1998 гг. соответственно 200, 225 и 253 млн. долл.

Ученые разных стран вели исследования, финансируемые из государственных бюджетов, и объединяли их результаты в едином банке данных.

Цель проекта -- выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению.

Проект состоял из пяти основных этапов:

• 1. составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более чем на 2 млн. оснований, на языке специалистов - с разрешением 2 Мб (мегабаза -- от англ. слова "base" -- основание);
• 2. завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
• 3. получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
• 4. полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
• 5. нанесение на карту с разрешением в 1 Мб основание всех генов человека.

И вот в июле 2000 г. Лидеры стран "большой восьмерки" на саммите на острове Окинава официально объявили о том, что расшифрован геном человека.

Итоги проекта. Практическое применение результатов проекта.

По мнению специалистов, 85% информации абсолютно достоверны, т.е. последовательность ДНК в этом объеме перепроверена не один раз, и разночтения больше не выявляются.

Среди наиболее значимых результатов расшифровки генома человека следует выделить следующие:

1. определено примерное число генов человека, их оказалось 23 000, а не 80 000, как предполагалось ранее.

Учёные выдвинули мнение о том, что это происходит, в связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов)

• 2. генетические инструкции по формированию личности занимают меньше двух с половиной сантиметров на двухметровой ленте ДНК, заключенной практически внутри каждой клетки тела. Что удивляет самих ученых - насколько малая часть человеческого генома напрямую участвует в построении организма;
• 3. количество генов, несущих эти инструкции, - всего в пять раз больше, чем нужно для взращивания мухи;
• 4. из 3 млрд. генетических букв, составляющих человеческие гены, которые образуют ДНК, 99,9% одни и те же. Всего одна десятая процента и есть наша индивидуальность, что делает нас теми, кто мы есть - красивыми и не очень, здоровыми или больными, умными или глупыми, добрыми или, наоборот, жестокими;
• 4. женская яйцеклетка является и главным источником эволюционных новаций;
• 6. основную ответственность за генетические ошибки несет мужская сперма, в которой содержится вдвое больше мутаций, чем в женской яйцеклетке.

В ходе выполнения проекта "Геном человека" была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях.

Остальная часть является не кодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК (мы говорили о ней ранее).

Кроме того, реализация международного проекта "Геном человека" дала толчок развитию передовых технологий в самых разных отраслях, привела к появлению новых подходов в изучении вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине. Появилась новая отрасль - фармокогенетика. Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для идентификации личности. Разработан метод "генетической дактилоскопии".

Так же по последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК - точно устанавливать родство по материнской линии. Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных методов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов изучения, как муха дрозофила и круглый червь нематода.

Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.

Оказалось, что человек незначительно отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тыс. генов. Гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего.

Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, других вирусов. Найден ген, мутация которого может защитить человека от заражения вирусом иммунодефицита.

Принципы наследственности были обозначены впервые в 1900-х годах, когда естественные получили развитие и ввели в обиход (с полным определением) понятия геном человека и ген, в частности. Их исследование дало возможность ученым открыть секрет наследственности, и стало толчком для изучения наследственных болезней и их природы.

Вконтакте

Геном человека: общие понятия

Чтобы разобраться, что такое гены и процессы наследования организмом определенных свойств и качеств, следует знать и понимать термины и основные положения. Краткое изложение основных понятий даст возможность более глубоко вникнуть в данную тему.

Гены человека – это части цепи (дезоксирибонуклеиновая кислота в виде макромолекул), которая задает последовательность определенных полипептидов (семейства аминокислот) и несет основную наследственную информацию от родителей к детям.

Говоря простым языком, определенный ген содержит информацию о строении белка и несет ее от родительского организма к детскому, повторяя строение полипептидов и передавая наследственность.

Геном человека – это обобщающее понятие, обозначающее некоторое количество определённых генов. Впервые его ввел Ганс Винклер в 1920-м, однако спустя время несколько изменилось его изначальное значение.

Вначале он обозначал определенное количество хромосом (непарных и одинарных), а спустя время выяснилось, что в геноме 23 парных хромосомы и митохондриальная дезоксирибонуклеиновая кислота.

Генетическая информация – это данные которые заключены в ДНК, и несущие порядок построения белков в виде кода из нуклеотидов. Стоит также упомянуть, что подобная информация находится внутри и вне границ .

Гены человека исследовались на протяжении многих лет, за которые было претворено в жизнь множество экспериментов . До сих пор проводятся опыты, которые дают ученым новую информацию.

Благодаря последним исследованиям стало ясно, что не всегда четкая и последовательная структура наблюдается в дезоксирибонуклеиновых кислотах.

Существуют так называемые прерывистые гены, связи которых прерываются, что делает неверными все предыдущее теории о постоянстве этих частиц. В них время от времени происходят изменения, которые влекут за собой изменения и в структуре дезоксирибонуклеиновых кислот.

История открытия

Впервые научный термин был обозначен только в 1909 году ученым Вильгельмом Иогансеном, который был выдающимся ботаником в Дании.

Важно! В 1912 году появилось слово «генетика», которое стало названием целого отдела . Именно он занимается изучением генов человека.

Исследование частицы началось задолго до 20 века (данных в каком точно году нет), и складывалось из нескольких этапов:

1. В 1868 году известный ученый Дарвин выдвинул гипотезу о пангенезе. В ней он описывал отделение геммулы. Дарвин считал, что геммула – это определенная часть клетки, из которой затем образовываются половые клетки.
2. Через несколько лет Гуго де Фриз сформировал свою собственную теорию, отличную от дарвиновской, в которой описал процесс пангенеза внутри клеток. Он считал, что в каждой клетке есть частица, и она ответственна за некоторые свойства наследования вида. Он обозначил эти частицы как «пангены». Отличия двух гипотез заключается в том, что Дарвин считал геммулы частями тканей и внутренних органов, независимо от вида животного, а де Фриз представлял свои пангены как признаки наследования внутри конкретного вида.
3. В. Иогансен в 1900 году определил наследственный фактор как ген, взяв вторую часть от термина, использованного де Фризом. Он использовал слово для определения «зачатка», той частицы, которая является наследственной. При этом ученый подчеркивал независимость термина от ранее выдвинутых теорий.

Изучением наследственного фактора уже достаточно давно занимались биологи и зоологи, но только с начала 20-го века генетика начала развиваться с огромной скоростью, открывая для людей тайны наследования.

Расшифровка генома человека

С того момента, как ученые открыли наличие в организме человека гена, они стали исследовать вопрос информации, заключенной в нем. Уже более 80 лет ученые пытаются расшифровать ее. На сегодняшний день они добились в этом значительных успехов, что дало возможность влиять на наследственные процессы и менять структуру клеток у следующего поколения.

История расшифровки ДНК состоит из нескольких определяющих моментов:

1. 19 век – начало изучения нуклеиновых кислот.
2. 1868 год – Ф. Мишер впервые выделяет из клеток нуклеин или ДНК.
3. В середине 20 века О. Эвери и Ф. Гриффит выясняют при помощи опыта, проведенного на мышах, что за процесс трансформации бактерий отвечает именно нуклеиновая кислота.
4. Первый человеком, кто показал миру ДНК стал Р. Франклин. Спустя несколько лет после открытия нуклеиновой кислоты он делает фотографию ДНК, случайным образом используя рентген при исследовании структуры кристаллов.
5. В 1953 году дано точное определение принципу воспроизводства жизни у всех видов.

Внимание ! С того времени, как впервые общественности предоставили двойную спираль ДНК, произошло множество открытий, давших возможность понять природу ДНК и механизмы ее работы.

Человеком, который открыл ген , принято считать Грегора Менделя, впервые обнаружившего определенные закономерности в наследственной цепи.

А вот расшифровка ДНК человека произошла на основе открытия другого ученого – Фредерика Сенгера, который разработал методы чтения последовательностей белковых аминокислот и последовательность построения самой ДНК.

Благодаря работе множества ученых за три последних века были выяснены процессы формирования, особенности, и сколько генов находится в геноме человека.

В 1990 году начался международный проект «Геном человека», которым руководил Джеймс Уотсон. Его целью было выяснить, в какой последовательности выстраиваются нуклеотиды в ДНК, и выявить около 25 000 генов в человеке. Благодаря этому проекту человек должен был получить полное представление о формировании ДНК и расположению всех его составляющих частей, а также механизм построения гена.

Стоит уточнить, что программа не ставила своей задачей определить всю последовательность нуклеиновой кислоты в клетках, а лишь только некоторых областей. Началась она в 1990 году, но только в 2000 был выпущен черновик работы, а полное исследование завершено — в 2003 году . Исследование последовательности длиться до сих пор и 8% гетерохроматиновых областей все еще не определены.

Цели и задачи

Как любой научный проект, «Геном человека» ставил перед собой конкретные цели и задачи. Изначально ученые собирались выявить последовательности 3 млрд нуклеотидов и более. Затем отдельные группы исследователей выразили желание попутно определить также последовательность биополимеров, которая бывает аминокислотной или нуклеотидной. В итоге главные цели проекта выглядели следующим образом:

1. Создать карту генома;
2. Создать карту человеческих хромосом;
3. Выявить последовательность формирования полипептидов;
4. Сформировать методологию хранения и анализа собранной информации;
5. Создать технологию, которая поможет в достижении всех указанных выше целей.

Данный список задач упускает не менее важную, но не такую очевидную – это изучение этических, правовых и социальных последствий подобных исследований. Вопрос наследственности может вызывать разногласия среди людей и повлечь серьезные конфликты, поэтому ученые поставили за цель обнаружить решения этих конфликтов до их возникновения.

Достижения

Наследственные последовательности – это уникальное явление , которое наблюдается в организме каждого человека в той или иной форме.

Проект достиг всех поставленных задач раньше, чем исследователи предполагали. К концу проекта они расшифровали около 99,99 % ДНК, хотя ученые ставили перед собой задачу секвенировать только 95% данных. Сегодня, несмотря на успех проекта, остаются все еще неисследованные участки дезоксирибонуклеиновых кислот.

В итоге исследовательской работы было определено сколько генов в организме человека (около 20-25 тыс. генов в геноме), и все они охарактеризованы:

• количество;
• расположение;
• структурно-функциональные особенности.

Геном человека — исследования, расшифровка

Расшифровка человеческого генома

Вывод

Все данные будут подробно изложены в генетической карте человеческого организма. Претворение в жизнь такого сложного научного проекта дало не только колоссальные теоретические знания для фундаментальных наук, но и оказало невероятное влияние на само понимание наследственности. Это в свою очередь, не могло не отразиться на процессах предупреждения и лечения наследственных болезней.

Данные, полученные учеными, помогли ускорить другие молекулярные исследования и способствовать эффективному поиску генетической основы в заболеваниях, передающихся по наследству, и предрасположенности к ним. Результаты смогут повлиять на обнаружение соответствующих лекарств для профилактики множества заболеваний: атеросклероза, сердечной ишемии, болезней психического и онкологического характера.