С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном . Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером. Тогда уже существовал другой научный термин - генотип , введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма. Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин - геном. В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи . И это стало новым этапом в развитии генетики.
В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов. Такая формулировка звучит не совсем понятно для неспециалиста, а главное, она неточна в современном понимании этого слова. Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК. Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, - это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.
Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе (экспрессии ) генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.
Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации ), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам сегодня, когда речь идет о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены. В этой книге мы будем подразумевать именно такое определение. Вместе с тем следует помнить, что в некоторых других структурах (органеллах) клетки также присутствует генетическая информация, необходимая для функционирования организмов. В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.
Понятно, что знание одной лишь структуры ДНК вовсе не достаточно для полного описания наследственной системы клетки. Этому выводу в литературе дана следующая аналогия: сведения о числе и форме кирпичей не могут раскрыть замысла готического собора и хода его постройки. В более широком смысле наследственную систему клетки составляют не только структура ДНК, но и другие ее компоненты, совокупность которых и факторы окружающей среды определяют, как геном будет работать, как пойдет ход индивидуального развития и как возникший организм будет жить потом.
Геном человека - геном биологического вида Homosapiens . В большинстве нормальных клеток человека содержится полный набор составляющих геном 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две - X-хромосома и Y-хромосома - определяют пол (XY - у мужчин или ХХ - у женщин). Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидовДНК, образующих 20 000-25 000. В ходе выполнения проекта «Геном человека» содержимое хромосом находящихся в стадии интерфаза в клеточном ядре (вещество эухроматин), было выписано в виде последовательности символов. В настоящее время эта последовательность активно используется по всему миру в биомедицине. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта. Только для 1,5 % всего материала удалось выяснить функцию, остальная часть составляет так называемую мусорную ДНК . В эти 1,5 % входят гены, которые кодируют РНК и белки, а также их регуляторные последовательности, интроны и, возможно, псевдогены.
Геном человека состоит из 23 пар хромосом (в сумме 46 хромосом), где каждая хромосома содержит сотни генов разделённых межгенным пространством . Межгенное пространство содержит регуляторные участки и ничего не кодирующую ДНК.
В геноме присутствует 23 пары различных хромосом: 22 из них не влияют на пол, а две хромосомы (X и Y) задают пол. Хромосомы с 1-й по 22-ю пронумерованы в порядке уменьшения их размера. Соматические клетки обычно имеют 23 хромосомных пары: по одной копии хромосом с 1-й по 22-ю от каждого родителя соответственно, а также X хромосому от матери и Y или X хромосому от отца. В общей сложности получается, что в соматической клетке содержится 46 хромосом.
По результатам проекта Геном человека, количество генов в геноме человека составляет около 28000 генов. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. В связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.
Интересно,что число генов человека не намного превосходит число генов у более простых модельных организмов, например, круглого червя Caenorhabditiselegans или мухи Drosophilamelanogaster . Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческийпротеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественныеэкзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.
Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бандами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.
Кроме кодирующих белок генов человеческий геном содержит тысячи РНК-генов, включая транспортную РНК (tRNA), рибосомную РНК, микро РНК (microRNA) и прочие не кодирующие белок РНК последовательности.
Похожая информация.
Это было семь лет назад - 26-го июня 2000 года. На совместной пресс-конференции с участием президента США и премьер-министра Великобритании представители двух исследовательских групп - International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) и Celera Genomics - объявили о том, что работы по расшифровке генома человека, начавшиеся ещё в 70-х годах, успешно завершены, и черновой его вариант составлен. Начался новый эпизод развития человечества - постгеномная эра.
Что может дать нам расшифровка генома, и стоят ли потраченные средства и усилия достигнутого результата? Фрэнсис Коллинз (Francis S. Collins ), руководитель американской программы «Геном человека», в 2000 году дал следующий прогноз развития медицины и биологии в постгеномную эру:
- 2010 год - генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, активно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем, особенно это чувствуется в развивающихся странах.
- 2020 год - на рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде.
- 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 (ещё до рождения). Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.
Для многих заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря улучшению социо-экономических условий. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.
Неравенство в мире сохраняется, создавая напряженность на международном уровне.
Как видно из прогноза, геномная информация в недалеком будущем может стать основой лечения и профилактики множества болезней. Без информации о своих генах (а она умещается на стандарный DVD-диск) человек в будущем сможет вылечить разве что насморк у какого-нибудь целителя в джунглях. Это кажется фантастикой? Но когда-то такой же фантастикой была поголовная вакцинация от оспы или интернет (заметьте, в 70-х его еще не существовало)! В будущем генетический код ребенка будут выдавать родителям в роддоме. Теоретически, при наличии такого диска, лечение и предотвращение любых недугов отдельно взятого человека станет сущим пустяком. Профессиональный врач сможет в предельно сжатые сроки поставить диагноз, назначить эффективное лечение, и даже определить вероятность появления разных болезней в будущем. К примеру, современные генетические тесты уже позволяют точно определить степень предрасположенности женщины к раку груди. Почти наверняка, лет через 40–50 ни один уважающий себя врач без генетического кода не захочет «лечить вслепую» - подобно тому, как сегодня хирургия не может обойтись без рентгеновского снимка.
Давайте зададимся вопросом - а достоверно ли сказанное, или, может быть, в действительности всё будет наоборот? Смогут ли люди наконец победить все болезни и придут ли они ко всеобщему счастью? Увы. Начнем с того, что Земля маленькая, и счастья на всех не хватит. По правде сказать, его не хватит даже для половины населения развивающихся стран. «Счастье» предназначено в основном для государств, развитых в плане науки, в частности - наук биологических. Например методика, с помощью которой можно «прочесть» генетический код любого человека, уже давно запатентована. Это отлично отработанная автоматизированная технология - правда, дорогостоящая и очень тонкая. Хочешь, покупай лицензию, а хочешь - придумывай новую методику. Только вот денег на подобную разработку хватит далеко не у всех стран! В итоге ряд государств будет обладать медициной, существенно опережающей уровень остального мира. Естественно, в слаборазвитых странах Красным Крестом будут строиться благотворительные больницы, госпитали и геномные центры. И постепенно это приведет к тому, что генетическая информация пациентов развивающихся стран (которых большинство), сосредоточится у двух-трех держав, финансирующих эту благотворительность. Что можно сделать, имея такую информацию - даже представить трудно. Может, и ничего страшного. Однако возможен и другой исход. Битва за приоритет, сопровождавшая секвенирование генома, наглядно подтверждает важность доступности генетической информации. Давайте кратко вспомним некоторые факты из истории программы «Геном человека».
Противники расшифровки генома считали поставленную задачу нереальной, ведь ДНК человека в десятки тысяч раз длиннее молекул ДНК вирусов или плазмид. Главный аргумент против был: «проект потребует миллиарды долларов, которых недосчитаются другие области науки, поэтому геномный проект затормозит развитие науки в целом. А если все-таки деньги найдутся и геном человека будет расшифрован, то полученная в результате информация не оправдает затрат... » Однако Джеймс Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК и идеолог программы тотального прочтения генетической информации, остроумно парировал: «лучше не поймать большую рыбу, чем не поймать маленькую » , . Аргумент учёного был услышан - проблему генома вынесли на обсуждение в конгресс США, и в итоге была принята национальная программа «Геном человека».
В американском городе Бетесда, что недалеко от Вашингтона, находится один из координационных центров HUGO (HUman Genome Organization ). Центр координирует научную работу по теме «Геном человека» в шести странах - Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. В работу включились учёные из многих стран мира, объединенные в три команды: две межгосударственные - американская Human Genome Project и британская из Wellcome Trust Sanger Institute - и частная корпорация из штата Мериленд, включившаяся в игру чуть позже, - Celera Genomics . Кстати, это пожалуй первый случай в биологии, когда на таком высоком уровне частная фирма соревновалась с межгосударственными организациями.
Борьба происходила с использованием колоссальных средств и возможностей. Как отмечали некоторое время назад российские эксперты, Celera стояла на плечах у программы «Геном Человека», то есть использовала то, что уже было сделано в рамках глобального проекта. Действительно, Celera Genomics подключилась к программе не сначала, а когда проект уже шёл полным ходом. Однако специалисты из Celera усовершенствовали алгоритм секвенирования. Кроме того, по их заказу был построен суперкомпьютер, который позволял складывать выявляемые «кирпичики» ДНК в результирующую последовательность быстрее и точнее. Конечно, все это не давало компании Celera безоговорочного преимущества, однако считаться с ней как с полноправным участником гонки заставило.
Появление Celera Genomics резко повысило напряженность - те, кто был занят в государственных программах, почувствовали жёсткую конкуренцию. Кроме того, после создания компании остро встал вопрос об эффективности использования государственных капиталовложений. Во главе Celera стал профессор Крейг Вентер (Craig Venter ) , который имел огромный опыт научной работы по государственной программе «Геном человека». Именно он и заявил, что все публичные программы малоэффективны и что в его фирме геном секвенируют быстрее и дешевле. А тут появился ещё один фактор - спохватились крупные фармацевтические компании. Дело в том, что если вся информация о геноме окажется в открытом доступе, они лишатся интеллектуальной собственности, и нечего будет патентовать. Озабоченные этим, они вложили миллиарды долларов в Celera Genomics (с которой, вероятно, было проще договориться). Это еще более укрепило её позиции. В ответ на это коллективам межгосударственного консорциума срочно пришлось повышать эффективность работ по расшифровке генома. Сначала работа шла несогласованно, но потом были достигнуты определенные формы сосуществования - и гонка начала наращивать темп.
Финал был красивым - конкурирующие организации по взаимной договоренности одновременно объявили о завершении работ по расшифровке генома человека , . Произошло это, как мы уже писали - 26 июня 2000 года. Но разница во времени между Америкой и Англией вывела на первое место США.
Рисунок 1. «Гонка за генóм», в которой участвовали межгосударственная и частная компании, формально завершилась «ничьей»: обе группы исследователей опубликовали свои достижения практически одновременно. Руководитель частной компании Celera Genomics Крейг Вентер опубликовал свою работу в журнале Science в соавторстве с ~270 учёными, работавшими под его началом . Работа, выполненная международным консорциумом по секвенированию человеческого генома (IHGSC), опубликована в журнале Nature , и полный список авторов насчитывает около 2800 человек, работавших в почти трёх десятках центров по всему миру .
Исследования в сумме продлились 15 лет. Создание первого «чернового» варианта генома человека обошлось в 300 миллионов долларов. Однако на все исследования по этой теме, включая сравнительные анализы и решение ряда этических проблем, было выделено в сумме около трех миллиардов долларов. Celera Genomics вложила примерно столько же, правда, она истратила их всего за шесть лет. Цена колоссальная, но эта сумма ничтожна в сравнении с той выгодой, которую получит страна-разработчик от ожидаемой вскоре окончательной победы над десятками серьезных заболеваний. В начале октября 2002 года в интервью «Ассошиэйтед пресс» президент Celera Genomics Крейг Вентер заявил, что одна из его некоммерческих организаций планирует заняться изготовлением компакт-дисков, содержащих максимум информации о ДНК клиента. Предварительная стоимость такого заказа - более 700 тысяч долларов. А одному из первооткрывателей структуры ДНК - доктору Джеймсу Уотсону - уже в этом году были подарены два DVD-диска с его геномом общей стоимостью 1 млн. долларов , - как видим, цены падают. Так, вице-президент фирмы 454 Life Sciences Майкл Эгхолм (Michael Egholm ) сообщил , что в скором времени компания сможет довести цену расшифровки до 100 тыс. долларов.
Широкая известность и масштабное финансирование - палка о двух концах. С одной стороны, за счет неограниченных средств работа продвигается легко и быстро. Но с другой стороны, результат исследований должен получиться таким, каким его заказывают. К началу 2001 года в геноме человека со стопроцентной достоверностью было идентифицировано больее 20 тыс. генов. Эта цифра оказалось в три раза меньше, чем было предсказано всего за два года до этого. Вторая команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинсом независимым способом получила те же результаты - между 20 и 25 тыс. генов в геноме каждой человеческой клетки. Однако неопределенность в окончательные оценки внесли два других международных совместных научных проекта. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы Human Genome Studies ) настаивал , что в их банке содержится информация о 140 тыс. генов. И этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Его фирма вложила деньги в патенты и собирается зарабатывать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека. Другая группа заявила о 120 тыс. идентифицированных генов человека и также настаивала, что именно эта цифра отражает общее число генов человека.
Тут необходимо уточнить, что эти исследователи занимались расшифровкой последовательности ДНК не самого генома, а ДНК-копий информационных (называемых также матричными) РНК (иРНК или мРНК). Другими словами, исследовался не весь геном, а только та его часть, что перекодируется клеткой в мРНК и направляет синтез белков. Поскольку один ген может служить матрицей для производства нескольких различных видов мРНК (что определяется многими факторами: тип клетки, стадия развития организма и т. д.), то и суммарное число всех различных последовательностей мРНК (а это именно то, что запатентовала Human Genome Studies ) будет значительно бóльшим. Скорее всего, использовать это число для оценки количества генов в геноме просто некорректно.
Очевидно, что наспех «приватизированная» генетическая информация будет в ближайшие годы тщательно проверяться, пока точное число генов станет, наконец, общепринятым. Но настораживает тот факт, что в процессе «познания» патентуется вообще все, что только можно запатентовать. Тут даже не шкура не убитого медведя, а вообще все, что находилось в берлоге, было поделено! Кстати, на сегодня дебаты сбавили обороты, и геном человека официально насчитывает только 21667 генов (версия NCBI 35 , датированная октябрём 2005 года). Следует отметить, что пока большая часть информации всё-таки остаётся общедоступной. Сейчас существуют базы данных, в которых аккумулирована информация о структуре генома не только человека, но и геномов многих других организмов (например, EnsEMBL). Однако попытки получить исключительные права на использование каких-либо генов или последовательностей в коммерческих целях всегда были, есть сейчас и будут предприниматься впредь.
На сегодня основные цели структурной части программы уже в основном выполнены - геном человека почти полностью прочитан. Первый, «черновой» вариант последовательности, опубликованный в начале 2001 года , был далек от совершенства. В нём отсутствовало приблизительно 30% последовательности генома в целом, из них около 10% последовательности так называемого эухроматина - богатых генами и активно экспрессирующихся участков хромосом. Согласно последним подсчётам, эухроматин составляет примерно 93,5% от всего генома . Оставшиеся же 6,5% приходятся на гетерохроматин - эти участки хромосом бедны генами и содержат большое количество повторов, которые представляют серьезные трудности для ученых, пытающихся прочесть их последовательность . Более того, считается, что ДНК в гетерохроматине находится в неактивном состоянии и не экспрессируется. (Этим можно объяснить такое «невнимание» ученых к оставшимся «малым» процентам человеческого генома.) Но даже имевшиеся на 2001 год «черновые» варианты эухроматиновых последовательностей содержали большое количество разрывов, ошибок и неверно соединенных и ориентированных фрагментов. Нисколько не умаляя значения для науки и ее приложений появление этого «черновика», стоит однако отметить, что использование этой предварительной информации в крупномасштабных экспериментах по анализу генома в целом (например, при исследовании эволюции генов или общей организации генома) выявило множество неточностей и артефактов. Поэтому дальнейшая и не менее кропотливая работа, «последние вершки», была абсолютно необходима.
Рисунок 2. Слева: Автоматизированная линия подготовки образцов ДНК для секвенирования в Центре Геномных исследований института Уайтхеда. Справа: Лаборатория в , заполненная автоматами для высокопроизводительной расшифровки последовательностей ДНК.
Завершение расшифровки заняло еще несколько лет и привело почти что к удвоению стоимости всего проекта. Однако уже в 2004 г. было объявлено, что эухроматин прочитан на 99% с общей точностью одна ошибка на 100 000 пар оснований. Количество разрывов уменьшилось в 400 раз. Аккуратность и полнота прочтения стала достаточной для эффективного поиска генов, отвечающих за то или иное наследственное заболевание (например, диабет или рак груди). Практически это означает, что исследователям больше не надо заниматься трудоемким подтверждением последовательностей генов, с которыми они работают, так как можно полностью положиться на определенную и доступную каждому последовательность всего генома.
Таким образом, изначальный план проекта был значительно перевыполнен. Помогло ли это нам в понимании того, как устроен и работает наш геном? Безусловно. Авторы статьи в Nature , в которой был опубликован «окончательный» (на 2004 год) вариант генома , провели с его использованием несколько анализов, которые были бы абсолютно бессмысленны, имей они на руках только «черновую» последовательность. Оказалось, что более тысячи генов «родились» совсем недавно (по эволюционным меркам, конечно) - в процессе удвоения исходного гена и последующего независимого развития дочернего гена и гена-родителя. А чуть меньше сорока генов недавно «умерли», накопив мутации, сделавшие их совершенно неактивными. Другая статья, вышедшая в том же номере журнала Nature , прямо указывает на недостатки метода, использованного учеными из Celera . Следствием этих недостатков стали пропуски многочисленных повторов в прочитанных последовательностях ДНК и, как результат, недооценённая длина и сложность всего генома. Чтобы не повторять подобных ошибок в будущем, авторы статьи предложили использовать гибридную стратегию - комбинацию высокоэффективного подхода, использовавшегося учеными из Celera , и сравнительно медленного и трудоемкого, но и более надежного метода, применявшегося исследователями из IHGSC.
Куда дальше будет направлено беспрецедентное исследование «Геном человека»? Кое-что об этом можно сказать уже сейчас. Основанный в сентябре 2003 года международный консорциум ENCODE (ENCyclopaedia Of DNA Elements ) поставил своей целью обнаружение и изучение «управляющих элементов» (последовательностей) в геноме человека. Действительно, ведь 3 млрд. пар оснований (а именно такова длина генома человека) содержат всего лишь 22 тыс. генов, разбросанных в этом океане ДНК непонятным для нас образом. Что управляет их экспрессией? Зачем нам такой избыток ДНК? Действительно ли он является балластом, или же все-таки проявляет себя, обладая какими-то неизвестными функциями ?
Для начала, в качестве пилотного проекта, ученые из ENCODE «пристально вгляделись» в последовательность, составляющую 1% от генома человека (30 млн. пар оснований), используя новейшее оборудование для исследований в молекулярной биологии. Результаты были опубликованы в апреле нынешнего года в Nature . Оказалось, что бóльшая часть генома человека (в том числе участки, считавшиеся ранее «молчащими») служит матрицей для производства различных РНК, многие из которых не являются информационными, поскольку не кодируют белков. Многие из этих «некодирующих» РНК перекрываются с «классическими» генами (участками ДНК, кодирующими белки). Неожиданным результатом было и то, как регуляторные участки ДНК были расположены относительно генов, экспрессией которых они управляли. Последовательности многих из этих участков мало изменялись в процессе эволюции, в то время как другие участки, считавшиеся важными для управления клеткой, мутировали и изменялись в процессе эволюции с неожиданно высокой скоростью . Все эти находки поставили большое количество новых вопросов, ответы на которые можно получить лишь в дальнейших исследованиях.
Другая задача, решение которой станет делом недалекого будущего, - определение последовательности оставшихся «малых» процентов генома, составляющих гетерохроматин, т. е. бедных генами и богатых повторами участков ДНК, необходимых для удвоения хромосом в процессе деления клетки. Наличие повторов делает задачу расшифровки этих последовательностей неразрешимой для существующих подходов, и, следовательно, требует изобретения новых методов. Поэтому не удивляйтесь, когда году в 2010 выйдет очередная статья, объявляющая об «окончании» расшифровки генома человека - в ней будет рассказано о том, как был «взломан» гетерохроматин.
Конечно, сейчас в нашем распоряжении имеется лишь некий «усредненный» вариант человеческого генома. Образно говоря - мы сегодня имеем лишь самое общее описание конструкции автомобиля: мотор, ходовая часть, колёса, руль, сиденья, краска, обивка, бензин с маслом и т. д. Ближайшее рассмотрение полученного результата свидетельствует о том, что впереди - годы работ по уточнению наших знаний по каждому конкретному геному. Программа «Геном человека» не прекратила свое существование, она лишь меняет ориентацию: от структурной геномики осуществляется переход к геномике функциональной, предназначенной установить, как управляются и работают гены. Более того, все люди на уровне генов отличаются так же, как одни и те же модели автомобилей отличаются различными вариантами исполнения одних и тех же агрегатов. Не только отдельные основания в последовательностях генов двух разных людей могут отличаться, но и количество копий крупных фрагментов ДНК, порой включающих в себя несколько генов, может сильно варьировать. А это означает, что на передний план выходят работы по детальному сравнению геномов, скажем, представителей различных человеческих популяций, этнических групп, и даже здоровых и больных людей. Современные технологии позволяют быстро и точно проводить такие сравнительные анализы, а ведь еще лет десять назад об этом никто и не мечтал. Изучением структурных вариаций человеческого генома занимается очередное международное научное объединение . В США и Европе значительные средства выделяются на финансирование биоинформатики - молодой науки, возникшей на стыке информатики, математики и биологии, без которой никак не разобраться в безграничном океане информации, накопленном в современной биологии. Биоинформационные методы помогут нам ответить на многие интереснейшие вопросы - «как происходила эволюция человека?», «какие гены определяют те или иные особенности человеческого организма?», «какие гены ответственны за предрасположенность к болезням?» Знаете, как говорят англичане: “This is the end of the beginning ” - «Это конец начала». Вот именно эта фраза точно отражает нынешнюю ситуацию . Начинается самое главное и - я совершенно уверен - самое интересное: накопление результатов, их сравнение и дальнейший анализ.
«...Сегодня мы выпускаем в свет первое издание „Книги жизни“ с нашими инструкциями , - сказал в эфире телеканала «Россия» Фрэнсис Коллинз. - Мы будем обращаться к нему десятки, сотни лет. И уже скоро люди зададутся вопросом, как они могли обходиться без этой информации ».
Другую точку зрения можно проиллюстрировать, процитировав академика Кордюма В. А.:
«...Надежды же на то, что новая информация о функциях генома будет полностью открытой, чисто символические. Можно прогнозировать, что возникнут (на базе уже имеющихся) гигантские центры, которые смогут все данные соединить в одно связное целое, некую электронную версию Человека и реализовывать её практически - в гены, белки, клетки, ткани, органы и что угодно ещё. Но во что? Угодное кому? Для чего? В процессе работ по программе „геном человека“ стремительно совершенствовались методы и аппаратура для определения первичной последовательности ДНК. В крупнейших центрах это превратилось в некое подобие заводской деятельности. Но даже на уровне лабораторных индивидуальных приборов (вернее их комплексов) уже создано столь совершенное оборудование, что оно способно определить за три месяца такую по объему последовательность ДНК, которая равна всему геному человека. Не удивительно, что возникла (и тут же начала стремительно реализоваться) идея определения геномов индивидуальных людей. Безусловно, это очень интересно - сравнить отличия разных индивидуумов на уровне их первоосновы. Польза от такого сравнения тоже несомненная. Можно будет установить, у кого имеются какие нарушения в геноме, прогнозировать их последствия и устранить то, что может привести к болезням. Здоровье будет гарантированным, да и жизнь продлится весьма существенно. Это с одной стороны. С другой же стороны всё совсем не очевидно. Получить и проанализировать всю наследственность индивидуума означает получение полного, исчерпывающего биологического досье на него. Оно, при желании того, кто его знает, позволит столь же исчерпывающе делать с человеком всё что угодно. По уже известной цепочке: клетка - молекулярная машина; человек состоит из клеток; клетка во всех своих проявлениях и во всём диапазоне возможных ответов, записана в геноме; с геномом можно ограниченно уже и сегодня манипулировать, а в обозримом будущем вообще манипулировать практически как угодно... »
Однако, наверное, пугаться таких мрачных прогнозов еще рано (хотя знать о них, безусловно, нужно). Для их осуществления надо полностью перестраивать многие социальные и культурные традиции. Очень хорошо по этому поводу сказал в интервью доктор биологических наук Михаил Гельфанд, и. о. заместителя директора Института проблем передачи информации РАН: «...если у вас есть, предположим, один из пяти генов, предопределяющих развитие шизофрении, то что может случиться, если эта информация - ваш геном - попала в руки вашего потенциального работодателя, который ничего в геномике не понимает! (и как следствие - вас на работу могут не принять, посчитав это рискованным; и это не смотря на то, что шизофрении у вас нет и не будет - прим. автора.) Другой аспект: с появлением индивидуализированной медицины, основанной на геномике, полностью изменится страховая медицина. Ведь одно дело - предусматривать риски неизвестные, а другое дело - совершенно определенные. Если честно, то все западное общество в целом, не только российское, к геномной революции сейчас не готово...» .
Действительно, чтобы разумно пользоваться новой информацией, надо ее понимать. А для того чтобы понять геном - не просто прочитать, этого далеко не достаточно, - нам потребуются десятилетия. Слишком уж сложная картина вырисовывается, и чтобы осознать её, нам надо будет поменять многие стереотипы. Поэтому на самом деле расшифровка генома ещё продолжается и будет продолжаться. И будем ли мы стоять в стороне или станем, наконец, активными участниками этой гонки - зависит от нас.
Литература
- Киселёв Л. (2001). Новая биология началась в феврале 2001 года . «Наука и Жизнь» ;
- Киселёв Л. (2002). Вторая жизнь генома: от структуры к функции . «Знание–Сила» . 7 ;
- Ewan Birney, The ENCODE Project Consortium, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó, et. al.. (2007). Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project . Nature . 447 , 799-816;
- Lincoln D. Stein. (2004). Human genome: End of the beginning . Nature . 431 , 915-916;
- Гельфанд М. (2007). Постгеномная эра . «Коммерческая биотехнология» .
Содержание статьи
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). Исходная идея проекта зародилась в 1984 среди группы физиков, работавших в Министерстве энергетики США и желавших заняться другой задачей после завершения работ в рамках ядерных проектов.
В 1988 Объединенный комитет, куда входили Министерство энергетики США и Национальные институты здоровья, представили обширный проект, в задачи которого – помимо секвенирования генома человека – входило всестороннее изучение генетики бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши (эти организмы широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека). Кроме того, предусматривался детальный анализ этических и социальных проблем, возникающих в связи с работой над проектом. Комитету удалось убедить Конгресс выделить на проект 3 млрд. долларов (один нуклеотид ДНК – за один доллар), в чем немалую роль сыграл ставший во главе проекта Нобелевский лауреат Дж.Уотсон . Вскоре к проекту присоединились другие страны (Англия, Франция, Япония и др.). В России в 1988 с идеей секвенирования генома человека выступил академик А.А.Баев, и в 1989 в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека».
В 1990 была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д.Мирзабеков. С самого начала работ по геномному проекту ученые договорились об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-й и 19-й хромосом. Вскоре финансирование этих работ в нашей стране было урезано, и реального участия в секвенировании Россия не принимала. Программа геномных исследований в нашей стране была полностью перестроена и сконцентрирована на новой области – биоинформатике, которая пытается с помощью математических методов понять и осмыслить все, что уже расшифровано.
Закончить работу предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005. Однако скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год по всему миру, то на исходе 1999 частная американская фирма «Celera», возглавляемая Дж.Вентером (J.Venter), расшифровывала не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Этого удалось достичь благодаря тому, что секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок; они работали круглосуточно, функционировали в автоматическом режиме и сразу же передавали всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизировалась, аннотировалась и становилась доступной ученым всего мира. Кроме того, фирма «Celera» широко использовала данные, полученные в рамках Проекта другими его участниками, а также разного рода предварительные данные. 6 апреля 2000 состоялось заседание Комитета по науке Конгресса США, на котором Вентер заявил, что его компания завершила расшифровку нуклеотидной последовательности всех существенных фрагментов генома человека и что предварительная работа по составлению нуклеотидной последовательности всех генов (предполагалось, что их 80 тыс. и что они содержат примерно 3 млрд. нуклеотидов) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось.
Доклад был сделан в присутствии представителя HUGO, крупнейшего специалиста по секвенированию д-ра Р.Уотерсона. Расшифрованный фирмой «Celera» геном принадлежал анонимному мужчине, т.е. содержал как X-, так и Y-хромосомы, а HUGO использовали в своих исследованиях материал, полученный от разных людей. Между Вентером и HUGO велись переговоры о совместной публикации результатов, однако они закончились безрезультатно из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. По мнению компании «Celera», об этом можно говорить лишь в том случае, если гены полностью секвенированы и известно, как расшифрованные сегменты располагаются в молекуле ДНК. Этому требованию удовлетворяли результаты «Celera», в то время как результаты HUGO не позволяли однозначно определить взаимное положение расшифрованных участков. В результате в феврале 2001 в специальных выпусках двух авторитетнейших научных журналов, «Science» и «Nature», были раздельно опубликованы результаты исследований «Celera» и HUGO и приведены полные нуклеотидные последовательности генома человека, охватывающие около 90% его длины.
Общебиологическое значение исследований, проведенных в рамках Проекта.
Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых; без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Их расшифровка ведется все возрастающими темпами. Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 генома бактерии Haemophilus influenzae , позже были полностью расшифрованы геномы более 20 бактерий, среди которых – возбудители туберкулеза , сыпного тифа , сифилиса и др. В 1996 картировали геном первой эукариотической клетки (клетки, содержащей оформленное ядро) – дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolits elegans (нематоды). Завершена расшифровка генома первого насекомого – плодовой мушки дрозофилы и первого растения – арабидопсиса. У человека уже установлено строение двух самых маленьких хромосом – 21-й и 22-й. Все это создало основы для создания нового направления в биологии – сравнительной геномики.
Знание геномов бактерий, дрожжей и немтоды дает биологам-эволюционистам уникальную возможность сравнения не отдельных генов или их ансамблей, а целиком геномов. Эти гигантские объемы информации только начинают осмысливаться, и нет сомнения, что нас ждет появление новых концепций в биологической эволюции. Так, многие «личные» гены нематоды, в отличие от генов дрожжей, скорее всего связаны с межклеточными взаимодействиями, характерными именно для многоклеточных организмов. У человека генов только в 4–5 раз больше, чем у нематоды, следовательно, часть его генов должна иметь «родственников» среди известных теперь генов дрожжей и червя, что облегчает поиск новых генов человека. Функции неизвестных генов нематоды изучать гораздо проще, чем у аналогичных генов человека: в них легко вносить изменения (мутации) или выводить их из строя, одновременно прослеживая изменения свойств организма. Выявив биологическую роль генных продуктов у червя, можно экстраполировать эти данные на человека. Другой подход – подавление активности генов с помощью особых ингибиторов и отслеживание изменений в поведении организма.
Весьма нтересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает компьютерный анализ, у C.elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно – занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы, межгенные участки и т.д., т.е. на ДНК с неизвестными функциями. Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Налицо парадокс: эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с «разбавлением» генома – на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации «ни о чем», на самом деле просто непонятой и непрочитанной нами. Много лет назад Ф.Крик , один из авторов «двойной спирали» – модели ДНК, – назвал эту ДНК «эгоистической», или «мусорной». Возможно, какая-то часть ДНК человека действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что основная доля «эгоистической» ДНК сохраняется в ходе эволюции и даже увеличивается, т.е. почему-то дает ее обладателю эволюционные преимущества. Никаких объяснений такого феномена в настоящее время не существует, и без детального анализа нуклеотидных последовательностей геномных ДНК их дать невозможно.
Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома. Вообще говоря, геном человека высококонсервативен. Мутации в нем могут либо повредить его, и тогда они приводят к тому или иному дефекту или гибели организма, либо оказаться нейтральными. Последние не подвергаются отбору, поскольку не имеют фенотипического проявления. Однако они могут распространяться в популяции, и если их доля превышает 1%, то говорят о полиморфизме (многообразии) генома. В геноме человека очень много участков, различающихся всего одним-двумя нуклеотидами, но передающихся из поколения в поколение. С одной стороны, этот феномен мешает исследователю, поскольку ему приходится разбираться, имеет ли место истинный полиморфизм или это просто ошибка секвенирования, а с другой – создает уникальную возможность для молекулярной идентификации отдельного организма. С теоретической точки зрения вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных.
Практические приложения.
Самые большие надежды и ученые, и общество возлагают на возможность применения результатов секвенирования генома человека для лечения генетических заболеваний. К настоящему времени в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе и такие серьезные, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, хорея Гентингтона, наследственный рак молочной железы и яичников. Структуры этих генов полностью расшифрованы, а сами они клонированы. Еще в 1999 была установлена структура 22-й хромосомы и определены функции половины ее генов. С дефектами в них связано 27 различных заболеваний, в том числе шизофрения, миелолейкоз и трисомия 22 – вторая по распространенности причина спонтанных абортов. Самым эффективным способом лечения таких больных была бы замена дефектного гена здоровым. Для этого, во-первых, необходимо знать точную локализацию гена в геноме, а во-вторых – чтобы ген попал во все клетки организма (или хотя бы в большинство), а это при современных технологиях невозможно. Кроме того, даже попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается ею как чужой, и она пытается избавиться от него. Таким образом, «вылечить» удается только часть клеток и только на время. Еще одно серьезное препятствие на пути применения генной терапии – мультигенная природа многих заболеваний, т.е. их обусловленность более чем одним геном. Итак, массового применения генной терапии в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать, хотя успешные примеры такого рода уже есть: удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена. Исследования в этой области ведутся по всему миру, и, может быть, успехи будут достигнуты раньше, чем предполагается, как это и произошло с секвенированием генома человека.
Еще одно важное применение результатов секвенирования – идентификация новых генов и выявление среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Так, есть данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыто уже семь генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Это позволит проводить раннюю (и даже пренатальную) диагностику заболеваний, предрасположенность к которым уже установлена.
Широкое применение несомненно найдет и еще один феномен: обнаружилось, что разные аллели одного гена могут обусловливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства лекарств, предназначенных разным группам пациентов. Это поможет избежать побочных эффектов терапии, снизить миллионные затраты. Возникает целая новая отрасль – фармакогенетика, которая изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут повлиять на эффективность лечения. Появятся совершенно новые подходы к созданию лекарственных средств, основанные на открытии новых генов и изучении их белковых продуктов. Это позволит перейти от неэффективного метода «проб и ошибок» к целенаправленному синтезу лекарственных веществ.
Важный практический аспект вариабельности генома – возможность идентификации личности. Чувствительность методов «геномной дактилоскопии» такова, что достаточно одной капли крови или слюны, одного волоса, чтобы с абсолютной достоверностью (99,9%) установить родственные связи между людьми. После секвенирования генома человека этот метод, использующий теперь не только специфические маркеры в ДНК, но и однонуклеотидный полиморфизм, станет еще более надежным. Вариабельность генома породила направление геномики – этногеномику. Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для данного этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология, лингвистика. Еще одно интересное направление – палеогеномика, занимающаяся исследованием древней ДНК, извлеченной из останков, найденных в могильниках и курганах.
Проблемы и опасения.
Финансирование «геномной гонки» и участие в ней тысяч специалистов основывались прежде всего на постулате, что расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК сможет решить фундаментальные проблемы генетики. Оказалось, однако, что лишь 30% генома человека кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов в ходе развития. Каковы функции остальных участков ДНК и есть ли они вообще – остается совершенно неясным. Около 10% генома человека составляют так называемые Alu -элементы длиной 300 п.н. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции у приматов, и только у них. Попав к человеку, они размножались до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом, то образуя сгустки, то прерывая гены.
Другая проблема касается самих кодирующих участков ДНК. При чисто молекулярно-компьютерном анализе возведение этих участков в ранг генов требует соблюдения сугубо формальных критериев: есть в них знаки пунктуации, необходимые для прочитывания информации, или нет, т.е. синтезируется ли на них конкретный генный продукт и что он собой представляет. В то же время роль, время и место действия большинства потенциальных генов пока неясны. По мнению Вентера, для определения функций всех генов может потребоваться не меньше ста лет.
Далее необходимо договориться, что вкладывать в само понятие «геном». Часто под геномом понимается лишь генетический материал как таковой, однако с позиции генетики и цитологии его составляет не только структура элементов ДНК, но и характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать и как пойдет индивидуальное развитие при определенных условиях среды. И наконец, нельзя не упомянуть о феномене так называемой «неканонической наследственности», привлекшем к себе внимание в связи с эпидемией «коровьего бешенства». Эта болезнь стала распространяться в Великобритании в 1980-х годах после того, как в корм коровам стали добавлять переработанные головы овец, среди которых встречались овцы, больные скрэпи (нейродегенеративное заболевание). Сходная болезнь стала передаваться людям, употреблявшим в пищу мясо больных коров. Обнаружилось, что инфекционным агентом являются не ДНК или РНК, а белки прионы (от англ. prions, protein infections particles, белковые инфекционные частицы). Проникая в клетку-хозяина, они изменяют конформацию нормальных белков-аналогов. Феномен прионов обнаружен также у дрожжей.
Таким образом, попытка представить расшифровку генома как чисто научно-техническую задачу несостоятельна. А между тем такой взгляд широко пропагандируется даже весьма авторитетными учеными. Так, в книге Код кодов (The Code of Codes , 1993) У.Гилберт, открывший один из методов секвенирования ДНК, рассуждает о том, что определение нуклеотидной последовательности всей ДНК человека приведет к изменениям в наших представлениях о самих себе. «Три миллиарда пар оснований могут быть записаны на одном компакт-диске. И любой может вытащить из кармана свой диск и сказать: «Вот он – Я!» Между тем необходимо знать не только порядок следования звеньев в цепи ДНК и не только взаимное расположение генов и их функции. Важно выяснить характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать в конкретных условиях – внутренних и внешних. Ведь многие болезни человека обусловливаются не дефектами в самих генах, а нарушениями их согласованных действий, системы их регуляции.
Расшифровка генома человека и других организмов не только привела к прогрессу во многих областях биологии, но и породило множество проблем. Одна из них – идея «генетического паспорта», в котором будет указано, несет ли данный человек опасную для здоровья мутацию. Предполагается, что эти сведения будут конфиденциальными, но никто не может гарантировать, что не произойдет утечки информации. Прецедент уже был в случае «генетической паспортизации» афроамериканцев с той целью, чтобы определить, являются ли они носителями гена гемоглобина, содержащего мутацию, которая связана с серповидноклеточной анемией. Эта мутация распространена в Африке в малярийных районах, и если она присутствует в одном аллеле, то обеспечивает носителю устойчивость к малярии, обладатели же двух копий (гомозиготы) умирают в раннем детстве. В 1972 в рамках борьбы с малярией на «паспортизацию» было истрачено более 100 млн. долл., а после выполнения программы выяснилось, что а) у здоровых людей, носителей мутации, возникает комплекс вины, эти люди чувствуют себя не совсем нормальными, и такими их начинают воспринимать окружающие; б) появились новые формы сегрегации – отказ в приеме на работу. В настоящее время некоторые страховые компании выделяют средства на проведение ДНК-тестов в отношении ряда заболеваний, и если будущие родители, носители нежелательного гена, не соглашаются на прерывание беременности и у них рождается больной ребенок, им могут отказать в социальной поддержке.
Другая опасность – эксперименты по трансгенозу, созданию организмов с пересаженными от других видов генами, и распространению таких «химер» в окружающей среде. Здесь особую опасность представляет необратимость процесса. Если атомную станцию можно закрыть, использование ДДТ и аэрозолей прекратить, то изъять из биологической системы новый организм невозможно. Мобильные гены, открытые МакКлинток у растений, и сходные с ними плазмиды микроорганизмов передаются в природе от вида к виду. Ген, вредный или полезный (с точки зрения человека) для одного вида, может со временем перейти к другому виду и непредсказуемым образом изменить характер своего действия. В Америке мощная биотехнологическая компания «Монсанто» создала сорт картофеля, в клетки которого включен бактериальный ген, кодирующий токсин, который убивает личинок колорадского жука. Утверждается, что этот белок безвреден для человека и животных, однако страны Европы не дали разрешения на выращивание у себя этого сорта. Картофель испытывается в России. Опыты с трансгенными растениями предусматривают строжайшую изоляцию делянок с подопытными растениями, однако на охраняемых полях с трансгенными растениями Института фитопатологии в Голицыне под Москвой ремонтные рабочие выкопали картошку и тут же ее съели. На юге Франции ген устойчивости к насекомым «перескочил» от культурных растений к сорнякам. Другой пример опасного трансгеноза – выпуск в озера Шотландии лосося, который набирает вес в 10 раз быстрее, чем обычный лосось. Существует опасность, что этот лосось попадет в океан и нарушит сложившееся популяционное равновесие у других видов рыб.
Геном человека насчитывает примерно 38000 генов, представляющих собой индивидуальные единицы наследственности.
Линии герминативных клеток (половых, репродуктивных, клеток зародышевой линии) содержат одну копию генетического материала и называются гаплоидными, соматические клетки (не относящиеся к клеткам зародышевой линии) содержат две полные копии и называются диплоидными. Гены объединены в длинные сегменты дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которые в процессе клеточного деления совместно с белками образуют компактные сложные структуры - хромосомы. Каждая соматическая клетка имеет 46 хромосом (22 пары аутосом, или неполовых хромосом, и 1 пару половых хромосом - ХУ у мужчин и XX у женщин). Половые клетки (яйцеклетки, сперматозоиды) содержат 22 аутосомы, 1 половую хромосому, т. е. всего 23 хромосомы. Слияние половых клеток приводит к образованию полного диплоидного набора из 46 хромосом, который вновь реализуется в клетках эмбриона.
Молекула генома человека имеет три структурных блока: пентозного сахара (дезоксирибоза), фосфатной группы и четырех видов азотистых оснований - пуриновых (аденин и гуанин) или пиримидиновых (тимин и цитозин). Эти четыре типа оснований формируют алфавит генетического кода. Основной субъединицей ДНК служит нуклеотид, состоящий из молекулы дезоксирибозы, одной фосфатной группы и одного основания. Они соединяются в определенной последовательности - аденин с тимином, цитозин с гуанином. Различные длинные последовательности нуклеотидных оснований кодируют разные белки. Отдельные триплеты соответствуют транспортным РНК, каждая из которых соответствует определенной аминокислоте. Каждый геном человека содержит около 3 млрд нуклеотидных пар, которые в совокупности кодируют весь набор белков организма человека.
Только небольшая часть ДНК клетки (10% общего содержания ДНК) активно функционирует во время метаболически активного периода клеточного цикла. Некоторая часть неактивного генетического материала может иметь важное значение для регуляции экспрессии генов или для поддержания структуры и функции хромосом.
Большая часть генома человека содержится в ядрах клеток. Митохондрии (клеточные органеллы, продуцирующие энергию) содержат свой собственный уникальный геном. Митохондриальная хромосома имеет двухцепочную кольцевую молекулу ДНК, включающую 16000 пар нуклеотидных оснований ДНК, последовательность которой полностью расшифрована. Белки, входящие в состав митохондрий, могут синтезироваться в самих митохондриях на основе информации, содержащейся в митохондриальном геноме, или в синтезироваться на основании генетической информации, содержащейся в ядерном геноме человека, и транспортироваться в органеллы. Все митохондрии передаются от матери (так как сперматозоид обычно не передает митохондрии в оплодотворенную яйцеклетку); митохондрии с различным геномом в пределах одной клетки представляют различные линии материнских клеток, от которых они произошли.
Структура и функции генома человека
Основная цель генома человека - продукция структурных протеинов и ферментов. Этот процесс включает ряд стадий, называемых транскрипцией, процессингом и трансляцией. Для передачи информации исходная молекула ДНК «расплетается» с образованием одноцепочной ДНК, при этом одна или другая цепь (или обе) действует как матрица для копирования. Если это происходит во время репликации клетки, каждая цепь ДНК копируется с образованием двух новых двухцепочных дочерних молекул ДНК; этот процесс называется репликацией. Если процесс происходит во время метаболически активного периода клеточного цикла, копируется только одна цепь ДНК с формированием одноцепочной матричной (информационной) РНК (мРНК); этот процесс называется транскрипцией. Код для каждого гена переписывается с ДНК на мРНК, включая информацию, необходимую для кодирования аминокислот (экзоны), и некодирующие нуклеотидные последовательности, расположенные между экзонами (интроны).
Образующаяся в результате мРНК отличается от ДНК, так как содержит рибозу вместо дезокси- рибозы и пиримидиновое основание урацил вместо тимина. Первичный транскрипт мРНК перед тем как покинуть ядро подвергается процессингу, при котором из молекулы мРНК удаляются некодирующие участки-интроны, а оставшиеся кодирующие участки-экзоны соединяются в единую цепь с формированием функциональной мРНК, которая затем мигрирует в цитоплазму, где идет трансляция. Во время трансляции мРНК регулирует продукцию белка на рибосоме путем формирования комплементарных связей между тремя нуклеотидами, называемыми кодонами, и тремя дополнительными нуклеотидами на молекуле транспортной РНК — антикодонами. При продвижении рибосомы вдоль РНК от кодона к кодону ферменты объединяют соседние аминокислоты, связанные с молекулами тРНК, с формированием ковалентных пептидных связей. Структура полипептидных цепей и образующихся в конечном счете белков определяется нуклеотидными последовательностями мРНК.
«Сегодня, через десять лет после завершения Проекта по расшифровке генома человека, можно сказать: биология – намного сложнее, чем раньше представляли себе ученые», - так пишет Эрика Чек Хейден в выпуске Nature News за 31 марта и в выпуске журнала Nature за 1 апреля.1
Проект по расшифровке генома человека стал одним из самых больших научных достижений конца ХХ ст. Некоторые сравнивают его с Манхэттенским проектом (программа США по разработке ядерного оружия) или программой "Аполлон" (пилотируемые космические полеты НАСА). Ранее чтение последовательности из ДНК символов считалось скучной и кропотливой работой. Сегодня, расшифровка генома является чем-то естественным. Но вместе с появлением новых данных о геномах разнообразных организмов – от дрожжевых грибков до неандертальцев, стало очевидно: «По мере того, как секвенирование и другие прогрессивные технологии предоставляют нам новые данные, сложность биологии растет просто на глазах» , - пишет Хейден.
Некоторые открытия были удивительно простыми. Генетики ожидали обнаружить в человеческом геноме 100 тыс. генов, а их оказалось примерно 21 тыс. Но, к своему удивлению, наряду с ними ученые обнаружили и другие вспомогательные молекулы – факторы транскрипции, маленькие РНК, белки-регуляторы, активно и взаимосвязано действующие по схеме, которая просто не укладывается в голове. Хейден сравнила их с множеством Мандельброта во фрактальной геометрии, что доказывает еще более глубокий уровень сложности биологических систем.
«В самом начале мы думали, что пути передачи сигналов являются довольно простыми и прямыми, - говорит биолог из университета Торонто в Онтарио Тони Поусон. -Теперь мы понимаем, что передача информации в клетках происходит через целую информационную сеть, а не по простым, отдельным путям. Эта сеть – намного сложнее, чем мы думали».
Хейден признает, что концепция «мусорной ДНК» разбита в пух и прах . Относительно же представления, согласно которому регуляция генов является прямым и линейным процессом, т.е. гены кодируют белки-регуляторы, контролирующие транскрипцию, она отметила: «Всего десять лет постгеномной эры в биологии уничтожили такое представление». «Новый взгляд биологии на мир некодирующей ДНК, которую раньше называли «мусорной ДНК», очаровывает и сбивает с толку». Если эта ДНК мусорная, то почему человеческий организм расшифровывает от 74% до 93% этой ДНК? Изобилие маленьких РНК, образуемых этими некодирующими участками и то, как они взаимодействуют друг с другом, стало для нас полной неожиданностью.
Понимание всего этого рассеивает некую изначальную наивность Проекта по расшифровке генома человека . Исследователи намеревались «раскрыть тайны всего: от эволюции до происхождения болезней» . Ученые надеялись найти лекарство от рака и через генетический код проследить путь эволюции. Так было в 1990-х гг. Биолог-математик из университета Пенсильвании (Филадельфия) Джошуа Плоткин сказал: «Уже само существование этих необычайных белков-регуляторов говорит о том, каким невероятно наивным является наше понимание основных процессов, к примеру, каким образом запускается и останавливается работа клетки» . Генетик Принстонского университета (Нью-Джерси) Леонид Кругляк говорит: «Наивно полагать, что для понимания любого процесса (будь то биология, прогноз погоды или что-нибудь другое) достаточно просто взять огромное количество данных, пропустить их через программу анализа данных и понять, что происходит в ходе этого процесса» .
Однако некоторые ученые до сих пор ищут простоту в сложных системах. Принципы нисходящего анализа пытаются создать модели, в которых базовые точки отсчета становятся на свое место.
Новая дисциплина "Системная биология" разработана, чтобы помочь ученым понять сложность существующих систем. Биологи надеялись, что, перечислив все взаимодействия в схеме работы белка p53, клетки или между группой клеток, а затем, переснеся их на вычислительную модель, они смогут понять, как работают все биологические системы.
За бурные постгеномные годы системные биологи начали огромное количество проектов, построенных на основе этой стратегии: они попытались создать биологические модели таких систем, как клетка дрожжевых грибков, E. coli, печень и даже «виртуальный человек». В настоящее время все эти попытки натолкнулись на одно и то же препятствие: невозможно собрать всю значимую информацию о каждом взаимодействии, включенном в модель.
Схема работы белка p53, о котором говорит Хейден, является замечательным примером неожиданной сложности. Обнаруженный в 1979 г. белок p53 сначала считался промоутером (способствующим фактором) рака, а не его подавителем. «Несколько других белков были исследованы более досконально, чем белок p53 , – отметила ученая. -Однако история белка p53 оказалась намного более сложной, чем мы полагали вначале» . Она раскрыла некоторые подробности:
«Теперь исследователям известно, что белок p53 связывается с тысячами участками ДНК, и некоторые из этих участков являются тысячами пар оснований других генов. Этот белок оказывает влияние на рост, гибель и структуру клеток, а также на восстановление ДНК. Он также связывается с множеством других белков, которые могут изменять его активность, и эти взаимодействия между белками можно регулировать путем добавления таких химических модификаторов, как фосфатные и метиловые группы. С помощью процесса, известного как альтернативный сплайсинг, белок p53 может приобретать девять разных форм , каждая из которых имеет свою собственную активность и химические модификаторы. Теперь биологи понимают, что белок p53 участвует в таких не связанных с раком процессах, как фертильность и ранние этапы эмбрионального развития. Кстати, совершенно безграмотно пытаться понять один только белок p53. В связи с этим биологи переключились на изучение взаимодействий белка p53, как показано на рисунках с рамочками, кружочками и стрелочками, которые символически изображают его сложный лабиринт связей».
Теория взаимодействий – новая парадигма, которая пришла на смену однонаправленной линейной схеме «ген - РНК – белок». Эта схема называлась раньше «Центральной догмой» генетики. Теперь же всё выглядит неимоверно живым и энергичным, с промоутерами, блокаторами и интерактомами, цепями обратной связи, процессами прямой связи и «непостижимо сложными путями сигнальной трансдукции». «История белка p53 – это еще один пример того, как с появлением технологий геномной эры меняется понимание биологов» , - отметила Хейден. -Это расширило наши представления об известных взаимодействиях белков, и разрушило старые идеи о путях передачи сигналов, в которых такие белки, как p53, запускали в действие определенное множество нисходящих последовательностей».
Биологи допустили распространенную ошибку, посчитав, что большее количество информации принесет больше понимания. Некоторые ученые до сих пор продолжают работать по типу «снизу верх», полагая, что в основе всего лежит простота, которая рано или поздно обнаружится. «Люди привыкли всё усложнять» , - отметил один исследователь из города Беркли. В то же время другой ученый, планировавший раскрыть геном дрожжевого грибка и его взаимосвязи к 2007 г., вынужден был отложить свои планы на несколько десятилетий. Совершенно ясно, что наше понимание остается очень поверхностным. В заключение Хейден отметила: «прекрасные и загадочные структуры биологической сложности (такие как мы видим во множестве Мандельброта) показывают, насколько они далеки от разгадки» .
Но в раскрытии сложности есть и светлая сторона. Мина Бисселл, исследователь рака из национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Калифорния), признает: «Предсказания о том, что Проект по расшифровке генома человека поможет ученым разгадать все тайны, довел меня до отчаяния». Хейден приводит : «Известные люди заявили, что после проведения этого проекта им всё станет ясно» . Но в действительности Проект помог понять лишь то, что «Биология – сложная наука, и именно это и делает её прекрасной» .
Ссылки:
- Эрика Чек Хейден, «Геном человека за десять лет: жизнь очень сложная», журнал Nature 464, 664-667 (1 апреля, 2010) | doi:10.1038/464664a.
Кто прогнозировал сложность: дарвинисты или сторонники Разумного замысла? Вы уже знаете ответ на этот вопрос. Дарвинисты снова и снова показывают, что они ошибаются в этом вопросе. По их мнению, жизнь имеет простое происхождение (Маленький теплый пруд, в котором плавают мечты Дарвина). Ранее они считали, что протоплазма – простая материя, а белки – простые структуры, а генетика - простая наука (помните дарвиновские пангены?). Они верили, что перенос генетической информации и транскрипция ДНК – простые процессы (Центральная догма), а в происхождении генетического кода нет ничего сложного (мир РНК, или гипотеза «замороженного случая» Крика). Сравнительная геномика, считали они, – простой раздел генетики, который позволяет через гены проследить эволюцию жизни. Жизнь, по их мнению, – свалка мусора мутаций и естественного отбора (рудиментарные органы, мусорная ДНК). Всё просто, просто, просто. Простаки...