Все познается в сравнении (сравнительная геномика). Геномика служит генетике

(на английском языке - genomics) - это наука, занимающаяся изучением геномов. Количество геномной информации резко возросло в последние годы в связи с улучшением технологии секвенирования ДНК. GenBank, база данных NIH (Национальные Институты Здоровья в США), на апрель 2011 года содержит 135 440 924 секвенированных ДНК.

1956 год стал основополагающим в процессе исследований генетики человека, поскольку в этом году была создана наука хромосология, и проведен съезд по генетике человека в Копенгагене.

Эволюция любой науки обусловлена уточнением моделей и теорий, но при этом новые предположения не отменяют старые истины, так что то, что было верно вчера, не обязательно ложно сегодня. Только псевдо науки являются неизменными веками и гордятся этим, как будто это является своего рода гарантией качества.

Нас осаждают со всех сторон многочисленные дисциплины, старые и новые, которые преподают медицинские практики с исключительными результатами, революционные устройства измерения отрицательных и положительных способностей.

В настоящее время не существует сектора в науке, который не исследовался где то и кем-то в мире: каждый день, научно-исследовательские центры-гиганты при университетах, частные институты и даже мелкие лаборатории, распространяют огромное количество новой информации о новейших исследованиях и дополнений к ним. Иногда эта информация довольно эксцентрична, например в таких секторах как невидимость, сексуальное поведение мух в Китае или молекулярный вес запахов, и в областях, которые оставляют место для увлекательных сценариев, например относящиеся к конструированию жизни в лаборатории или открытия новых планет, которые могли бы принять эту новую жизнь.

Пионером гонки за увеличением срока жизни человека является Крейг Вентер, генетик, предприниматель и филантроп, который стоит за проектом "Геном Человека", в марте этого года заявил, что его последний проект в области геномики, будет использовать капитал в 70 млн. долларов, чтобы создать новую компанию с названием Human Longevity Inc (HLI). Вентер не одинок в своих амбициях. Например, компания Calicо (Калифорнийская компания жизни) имеет цели, улучшения здоровья людей, решения проблемы старения и ассоциативных болезней, и Университет Калифорнии, Сан-Диего - где будут секционировать раковый геном и опухоли HLI всем пациентам, страдающим от рака и кто даст на это свое согласие.

С момента первого секвенирования в 2011 году, геномика быстро прогрессировала, и в настоящее время ученые, изучающие рак будут переходить на новый уровень "следующий рубеж в науке", говорит Липман, директор института Калифорнии. "Сейчас мы находимся в периоде, который будет приравнен исторически для геномики секционирования клеток рака, к периоду 90-х годов для развития интернета. Мы изучаем геном и технологии секционирования в надежде, что по этой шкале могут быть достигнуты быстрые результаты. На что раньше уходило 15-20 лет теперь реально можно будет достигнуть за 1-2 года. Борьба против рака быстро развивается, и это только верхушка айсберга ".

Факты из области геномики:

. В апреле 2003 года, «Проект генома человека» - был завершен после 13 лет исследований. В этот проект было инвестировано 2,7 млрд. долларов.
. В декабре 2005 года был запущен пилотный проект «Атлас генома рака», сроком на 3 года и стоимостью 100 миллионов долларов, предназначенный для изучения генетических соединений клеток рака.
. В мае 2007 года, геном Джеймса Уотсона, один из первооткрывателей ДНК, был "секвенирован" полностью, стоимость операции составила до одного миллиона долларов.
. С конца прошлого года, компания 23andMe предоставляет возможность определения последовательности генома (секвенирование) по цене всего 1000 $.
. В настоящее время, проект генома человека продолжается. После секвенирования обнаружено было около трех миллиардов пар оснований, которые составляют ДНК. Проект ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК), родился как результат международного сотрудничества более чем 80 стран и 35 научно-исследовательских групп, он обещает первую интерпретацию информации для описания поведения генома.

Исследователи смогли понять, как и где определенные биологические функции возникают, бросая вызов различным догмам и переоценкам того, что до вчерашнего дня считалось "нежелательной" ДНК или не кодированным (неактивным) ДНК. "Новые данные показывают, что геном содержит очень мало разделов которые не используется",- утверждается в заявлении «Консорциума и Европейской лаборатории молекулярной биологии» (EMBL-EBI), который возглавлял исследование вместе с «Национальным научно-исследовательским институтом генома человека» (NHGRI), «Национальный институт здоровья» (NIH) в США. Опровержение мифа о генетической детерминированности, совершенное проектом « Геном человека», знаменует начало новой постгеномной эры.

Новая культурная ситуация

До недавнего времени "дизайн" человека, то есть создание всех его характеристик было возложено на природу, никто не мог вмешаться, чтобы улучшить человеческое существо.
Каждый новый организм рождается из маленькой ячейки. Он наследует программу предков в форме ДНК, но не наследует физические тела своих предков. Он наследует сердце родителей, но у него новое сердце. Все начинается с нуля, с одной клетки, но с каждой новой жизнью программа ДНК может получить как улучшения, так и ухудшения.
Прежде чем оценить эффект геномики следует отметить, что было бы невозможно, и даже безответственно, отказаться от генетических методов манипуляции только потому, что эти методы могут быть использованы недобросовестными и эгоистическими людьми в своих целях.

Ни один государственный орган не имеет ту волшебную палочку, которая может заставить исчезнуть все технологии геномики. Главный вопрос развития геномики состоит не в том, чтобы думать, как блокировать этот прогресс, но скорее, как получить максимальную выгоду и минимизировать риски.

Оценка возможностей геномики в целях терапевтических возможностей и в области улучшения генетического фона зависят от этических принципов, которые будут приниматься в качестве ориентира.

Для тех, кто является сторонниками репродукции человека "под наблюдением", и которые готовы принять как факт, возможности использования искусственных методов будет очень легко принять и генетические манипуляции, но для кого-то, это будет неприемлемо.

Выходя за рамки принципов, от которых отталкивается наука, человечество должно иметь в виду, что все технологии геномики применяемые на человеке, имеют на первом плане самого человека. Этот фактор поднимает много знаков вопроса, в том числе и вопрос о том какой эффект может иметь генная инженерия в балансе экосистемы и морали самого человека, который в итоге и является бенефициаром такой науки как геномика.

Прежде чем говорить непосредственно о последствиях, которые могут иметь генетические манипуляции, уточняем, что желание улучшить дизайн человеческого существа, до рождения, это в первую очередь прямое влияние на селекцию, то есть "удаление того что отличается, что не совершенно, неудачно получилось ". Это тоже самое что выбросить неудачный эмбрион в мусор во время процедуры ЭКО.

В среде такой науки как геномика, мы можем говорить о возможности основать новый вид услуг, «ген служба», которая должна будет удовлетворить человеческое желание улучшить свой генофонд. Это услуга, скорее всего, будет платной с поддержкой государства или же строго коммерческой, где каждый человек, при условии, что он платежеспособен, сможет корректировать свою генную информацию.

Но существование этого "сервиса" будет невозможным без технического прогресса и некоторого изменения менталитета человека.

Как и любое лекарство, так и новые технологии геномики могут быть использованы для "сыворотки к гену", где существуют короткосрочные или долгосрочные риски. Всегда присутствует риск, что будут устранены гены, которые имеют еще не известные положительные аспекты и которые могут проявляться в различной среде. Например, тот же ген, который вызывает серповидно-клеточную анемию, делает организм более устойчивым к малярии.

Что касается генной терапии, мы должны предполагать изменения в половых клетках, как следствие соматической генной терапии. В определенных обстоятельствах это может быть законным (следует оценивать, можно ли позволять таким людям, размножаться, после лечения или нет), поскольку модификация половых клеток для лечения может привести к изменениям генетического наследия будущих поколений. Так же развивается генная терапия зародышей и появляется необходимость проводить эксперименты на эмбрионах. Естественно, что до достижения успеха в этих исследования, будет множество неудач, что предполагает то, что объект исследования умрет. Да, во имя науки и во блага будущих поколений можно эти жертвы оправдать, но это не может быть оправдано с этической точки зрения.

Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными.

Мишель де Монтень

То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым.

Как уже говорилось, сравнительный метод служит традиционным подходом в старых классических областях биологии (анатомия, эмбриология, цитология). Так, еще Дарвин свою точку зрения о происхождении человека обосновывал с помощью сравнительно-эволюционного метода, указывающего на многочисленное сходство в анатомии и физиологии человека и обезьян.

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике — сравнительная геномика — сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans , а также мыши — и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц — сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene — ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», — заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген — это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Какими бы уникальными мы не казались сами себе, в нашей ДНК есть довольно много сходства не только с обезьянами и мышами, но даже с маленьким червем C. elegans и мухой дрозофилой. Можно удивляться, но у нас около 50 % генов сходны с таковыми у червя. У человека и мыши еще больше одинаковых генов, хотя в эволюции человек и мышь разошлись уже около 100 миллионов лет назад. В геноме человека на сегодняшний день обнаружено лишь около 300 генов, которых нет у мыши, а общее их число примерно одинаковое. Таким образом, около 99 % генов человека соответствуют генам мыши, причем примерно 80 % из них почти полностью идентичны. Кроме того, до 90 % генов, ответственных за возникновение различных заболеваний, у человека и мыши сходны. Есть, разумеется, и небольшие различия. Так, у мыши гораздо больше генов, отвечающих за обоняние.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5 %! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот — шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Сравнения последовательностей ДНК человека с ДНК других организмов уже оказалось очень плодотворным методом поиска новых функционально важных последовательностей в геноме человека. Такой подход был использован и продолжает использоваться для выявления у человека новых белок-кодирующих и не кодирующих белок генов, а также для идентификации потенциальных регуляторных элементов и выяснения механизмов функционировании разных генных наборов. Для этой цели сейчас уже созданы специальные компьютерные программы, позволяющие «вылавливать» в разных геномах эволюционно консервативные области. Все это принципиально важно, поскольку, как уже подчеркивалось выше, мы не можем ставить генетические эксперименты на человеке, но, благодаря сравнительному методу, имеем возможность интерполировать на человека результаты, которые получаются при молекулярно-генетических исследованиях, проводимых на животных.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR-1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы — тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Важно отметить, что когда мы изучаем геном человека, то фактически мы познаем весь живой мир. Геном человека устроен необычайно сложно. Геномы животных и растений чаще всего значительно проще. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет очень легко от него перейти к изучению простого. А это сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных.

Сравнительная геномика дала ученым новый подход к пониманию вроде бы навсегда скрытого во мраке веков процесса эволюции и его механизмов. Так, например, проведенные сравнения геномов разных видов животных и человека показали наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них заключается в увеличении количества интронов в процессе эволюционного развития у человека, то есть эволюция как бы сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интроны). Проведенные исследования позволяют считают, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством умножения разнообразия их генов, сколько путем постепенного копирования, модификации и комбинации уже существующих генов, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Специфика и разнообразие строения и функционирования генетического аппарата велики даже среди эукариот. В то же время существует множество общих принципов и механизмов, и результаты их изучения на одних объектах часто с успехом могут переноситься на другие, включая и человека.

Весьма интересные результаты были получены, в частности, при сравнении распределения по хромосомам сходных последовательностей ДНК человека и других животных. Приведем лишь один пример. Как уже указывалось, между геномами человека и мыши имеется большое сходство. На рис. 37 на цветной вклейке изображено расположение в разных хромосомах мыши сходных сегментов отдельных хромосом человека. Глядя на этот рисунок, мы можем увидеть, что участки одних и тех же хромосом человека распределены во множестве хромосом мыши. Это справедливо и наоборот. А что это значит? Это говорит нам о тех путях, по которым шла эволюция млекопитающих (ведь мышь и человек млекопитающие). Тщательно проанализировав картину, изображенную на рис. 37, ученые установили, что на границах разных участков ДНК мыши, которые обнаруживаются в составе ДНК человека, содержатся различные подвижные генетические элементы, тандемные повторы и другие «горячие точки», по которым, вероятно, и шла перестройка (рекомбинация) в ходе многовекового процесса эволюции животных организмов.

Рис. 37 . Генетическое сходство (гомология) хромосом человека и мыши. Разными цветами и номерами на хромосомах мыши отмечены нуклеотидные последовательности человеческих хромосом, содержащие сходные сегмент.

Сравнительная геномика показала, что гены, одинаковые по эволюционному происхождению и выполняемой функции (гомологичные), часто оказываются сцепленными с одними и теми же гомологичными генами у разных видов. На основании этого предсказывают вероятный район локализации генов у одних видов, если известно, с какими генами они сцеплены у других, т. е. проводят «сравнительное картирование». Все это важно в связи с тем, что правила чисел и относительное положение генов на хромосоме не всегда предопределяют законы их функционирования. Так, белковый состав многих специализированных клеток мыши, крысы и человека выглядит похожим, хотя сами гены разбросаны на хромосомах по-разному.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления — эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Благодаря использованию методов и подходов сравнительной и эволюционной геномики уже получены сенсационные результаты, касающиеся такого сложного и интересного вопроса, как происхождение человека и эволюция его генома. Подробнее об этом и пойдет речь в следующей части книги.

| |
Немного фактов на грани с фантастикой Часть III. Происхождение и эволюция генома человека

Кандидат химических наук Ольга Белоконева.

Американские исследователи впервые сконструировали «в пробирке» полный геном бактерии и внедрили его в оболочку бактерии другого вида, получив при этом полноценную живую клетку, способную к размножению. Теперь на очереди - создание жизнеспособного организма с минимальным набором генов.

Технология создания бактерии со встроенным искусственным геномом.

Международная команда исследователей, создавших синтетическую жизнь.

Руководители работы Крейг Вентер (слева) и Гамильтон Смит.

Электронная микрофотография синтетической бактерии Mycoplasma mycoides.

То, что я не могу создать,
Я не в силах понять .
Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике

Обычно химики, изучающие природные соединения, в своей деятельности руководствуются следующей логикой: сначала находят новое вещество в природе, затем определяют его функции и структуру и в конце концов пытаются синтезировать это соединение в лаборатории, чтобы сравнить свойства природного соединения и его синтетического аналога. Только так можно доказать, что вещество данной химической структуры обладает определёнными свойствами. Но в генетических манипуляциях такой подход долгое время не работал - структура ДНК была уже известна, но обратную задачу не удавалось решить никому.

Бизнес, творящий науку

Ветеран вьетнамской кампании американец Крейг Вентер занимался биохимией, получил учёную степень, но надолго в лабораторных стенах не задержался. Молодого исследователя привлекал бизнес. В 1998 году он принял участие в создании биотехнологической компании Celera Genomics. На момент создания компании уже вовсю шла работа по расшифровке генома живых существ, в том числе и человека. Но прогресс был невелик из-за несовершенства технологии секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) ДНК. В составе команды исследователей Вентер принял участие в разработке новейшего метода секвенирования - метода «дробовика» (shotgun). С помощью этого метода уже через два года геном человека был расшифрован полностью. Вентер хотел продавать результаты исследования компании, но научное сообщество выразило недовольство, и ему пришлось уступить. Он выложил все результаты расшифровки генома в интернете и ушёл из Celera Genomics, создав новый институт имени самого себя.

Одним из пионерских начинаний института Крейга Вентера в 2000-е годы стали так называемые метагеномные проекты. Экспедиции, организованные институтом, проводили популяционный анализ генома различных организмов, живущих в Саргассовом и других морях. Используя геномные технологии, сотрудникам удалось описать генетическое разнообразие подводного царства, открыв при этом тысячи новых генов и новых видов живых существ.

Теперь, когда химическая структура многих сложных геномов была известна, по логике, надо было заняться синтезом искусственного генома, что и сделал Вентер. Другой идеей Вентера стало создание жизнеспособного организма с минимальным набором генов. Такую генетическую единицу вполне можно было бы назвать «элементом жизни» - «минимальной» клеткой. По аналогии в химии такой же простейшей единицей является атом водорода.

«Минимальной» клетки пока не существует, а организм с синтетическим геномом уже живёт и размножается в лаборатории Института Крейга Вентера. Это обыкновенная бактерия, которая отличается от прочих только тем, что её ДНК синтезирована «в пробирке».

От начала работ до исторической публикации в мае 2010 года в журнале «Science» под названием «Создание бактериальной клетки, которая контролируется химически синтезированным геномом» прошло долгих 15 лет, и обошёлся проект в 40 миллионов долларов. Этому крупному научному достижению предшествовал другой успех - в 2003 году команде Вентера удалось создать вирус с искусственным геномом.

Международной командой успешных исследователей двух отделений института - в Роквилле (штат Мериленд) и в Ла Йолла (штат Калифорния) - помимо Вентера руководят два других выдающихся учёных. Один из них - нобелевский лауреат 1978 года Гамильтон Смит. Нобелевскую премию он получил за открытие, которое положило начало эпохе химических манипуляций с геномом: он выделил рестриктазы - ферменты, разрезающие молекулу ДНК на отдельные фрагменты. Другой руководитель работ - выдающийся микробиолог, представитель известной научной династии Клайд Хатчисон III.

Синтетическая ДНК, состоящая из 1,08 миллиона нуклеотидов, стала самой длинной молекулой, синтезированной когда-либо в лабораторных условиях. Первая в истории синтетическая клетка содержит полностью искусственную хромосому, синтезированную из химических компонентов по компьютерной программе. Это уже не технологии генетической инженерии, когда учёным удавалось изменить или дополнить геном живых существ несколькими генами или набором генов, это - полная пересадка всего генома.

Трансплантация геномов

Эксперимент по созданию искусственной жизни заключался в следующем: учёные синтезировали геном одной бактерии и внедрили его в клетку бактерии другого вида. Полученный организм с оболочкой бактерии-реципиента Mycoplasma capricolum оказался идентичным бактерии-донору - Mycoplasma mycoides. Так впервые достоверно было показано, что ДНК действительно содержит полную информацию о работе всей живой клетки.

Полученные гибриды выглядели, росли и размножались так же, как Mycoplasma mycoides. Ещё один немаловажный признак того, что это была именно Mycoplasma mycoides, - сконструированная бактерия синтезировала белки, свойственные именно этому виду. Правда, от природной синтетическая бактерия всё-таки отличается. Жить и размножаться она может пока только в лаборатории, в специальной питательной среде, в природных условиях бактерия нежизнеспособна.

Часто спрашивают, почему нельзя было поместить искусственный геном внутрь собственной клетки? Потому что внутри этой клетки оставались характерные для неё белки, а значит, результаты эксперимента можно было бы объяснить их наличием. То есть появилась бы неопределённость в интерпретации результата.

Зачем нужны синтетические бактерии?

Реакция на исследования в научном сообществе неоднозначна. Многие считают, что о практическом применении технологии говорить преждевременно: одно дело - программировать безъядерные бактерии-прокариоты, а совсем другое - создавать искусственные хромосомы ядерных клеток эукариотов, то есть клеток всех растений, животных и человека. При адаптации технологии к ядерным клеткам возникает слишком много вопросов: как перенести ДНК в ядро, как создать и трансплантировать неядерную генетическую информацию и т.д.

Тем не менее Вентер считает, что выполненные исследования важны для фундаментальной науки, поскольку открывают новые перспективы в изучении происхождения жизни и поиске ответа на вопрос, какие гены отвечают за жизнь и размножение живого существа.

Работа Вентера сулит перспективы создания организмов с полностью заданными свойствами и функциями. Правда, это дело довольно отдалённого будущего. Пока учёным удалось «лишь» реализовать генетическую программу, уже существующую в природе. Но всё же перспективы синтетической геномики огромны. Ведь так заманчиво - меняя генетическую программу по своему усмотрению, создавать синтетические бактерии-фабрики, способные производить лекарства, питательные белковые вещества, биотопливо, очищать воду от загрязняющих веществ и многое-многое другое.

После успешного создания первого искусственного организма команда Вентера, да и не только она, сконцентрировала усилия на осуществлении другого проекта, логически вытекающего из этого достижения. Речь идёт о создании клетки, содержащей только гены, необходимые для поддержания жизни в её простейшей форме, то есть «минимальный» геном.

Элемент жизни

Определение «минимального» генома, обеспечивающего все необходимые функции, которые позволяют одноклеточному организму существовать в определённой среде, - не праздный вопрос. Решение этой проблемы необходимо для понимания происхождения жизни на Земле, что включает в себя изучение путей генетической эволюции и механизма происхождения геномов как таковых. Кроме того, «минимальная» клетка станет базисом для изучения всех генов, необходимых для жизнедеятельности.

Работы в этом направлении ведутся в основном с бактериями рода Mycoplasma. Геномы микоплазм, как уже говорилось, очень малы (от 580 до 1400 тысяч пар оснований) и хорошо изучены. Самый-самый короткий геном у Mycoplasma genitalium. Его длина - около 580 тысяч пар оснований, которые составляют 485 генов.

Изучая геномы микоплазм, Крейг Вентер и его коллеги очень близко подошли к пониманию того, что должен представлять собой «минимальный» геном будущих искусственных микробов. Как заявлено в уже поданном ими патенте, «минимальный» геном - основной строительный блок или, точнее, основное «шасси» для создания искусственных организмов - состоит менее чем из 400 генов. Внедряя «минимальный» геном в клетку и добавляя к ней другие гены, исследователи намереваются создавать простейшие организмы с новыми, заданными наперёд свойствами.

Фотографии с сайта Института Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) www.jcvi.org.

Геном человека [Энциклопедия, написанная четырьмя буквами] Тарантул Вячеслав Залманович

ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ (сравнительная геномика)

Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными.

Мишель де Монтень

То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым.

Ф. Бэкон

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике - сравнительная геномика - сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans , а также мыши - и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц - сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene - ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», - заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген - это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5 %! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот - шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR–1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы - тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления - эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Из книги Генетика окрасов собак автора Робинсон Рой

СРАВНИТЕЛЬНАЯ СИМВОЛИКА ГЕНОВ Читатели, которые интересуются литературой по генетике, рано или поздно сталкиваются с проблемой путаницы в обозначениях генов. Дело в том, что различные авторы пользуются различными символами для обозначения одного и того же гена. Это

Из книги Гомеопатическое лечение кошек и собак автора Гамильтон Дон

Острое заболевание в сравнении с хроническим заболеванием Особенностью острых (в основном инфекционных) заболеваний - например, инфекций детского возраста - является сравнительное постоянство их симптомов у разных пациентов. Это явление можно объяснить тем, что

Из книги Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами автора

Конституциональное назначение в сравнении с острым назначением Термин «конституциональное лечение и назначение» широко применяется в гомеопатии, однако смысл его иногда не совсем понятен. Дело в том, что нередко разные авторы трактуют этот термин по-разному. Тем не

Из книги Геном человека [Энциклопедия, написанная четырьмя буквами] автора Тарантул Вячеслав Залманович

ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ (функциональная геномика) Недостаточно знания, необходимо также применение; недостаточно хотеть, надо и делать. И. Гёте Хорошо известно выражение, что от слова «халва» во рту слаще не становится. Так же обстоит дело и с нашим геномом. В нем есть много

Из книги Эволюция автора Дженкинс Мортон

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Из книги Тропическая природа автора Уоллес Альфред Рассел

ОТ ГЕНА И БЕЛКА - К ЛЕЧЕНИЮ (медицинская геномика) Медицина поистине есть самое благородное из всех искусств. Гиппократ Самые худшие болезни - не смертельные, а неизлечимые. Эбнер-Эшенбах Известный русский биолог Н. Тимофеев-Ресовский писал: «В удивительном по своей

Из книги Основы психофизиологии автора Александров Юрий

ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ (сравнительная геномика) Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными. Мишель де Монтень То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым. Ф. Бэкон Как уже говорилось,

Из книги Логика случая [О природе и происхождении биологической эволюции] автора Кунин Евгений Викторович

СРАВНИТЕЛЬНАЯ АНАТОМИЯ Биологам, занимающимся сравнительной анатомией, давно известно, что виды, образующие более крупные группы (тип, класс или отряд), имеют в своем строении много схожих черт. Развитие техники генетического анализа позволило установить более прочные

Из книги Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции автора Добржанский Феодосий Григорьевич

Из книги Рождение сложности [Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы] автора Марков Александр Владимирович

Сравнительная редкость цветов Среди обитателей умеренного пояса сильно распространено мнение, что пышная растительность тропиков должна порождать также и великолепную флору цветов; такой взгляд подтверждается и многочисленностью крупных красивых цветов, разводимых

Из книги Синдром Паганини [и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде] автора Кин Сэм

Глава 19 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ Сравнительная психофизиология – наука, нацеленная на установление закономерностей и выявление различий в структурной и функциональной организации мозга, поведении и психике у животных разных видов, в том числе и у человека.

Из книги автора

Глава 3 Сравнительная геномика: эволюционирующие геномные ландшафты Пер. А. НеизвестногоВажность перехода к геномикеВ догеномную эру были установлены фундаментальные принципы молекулярной эволюции и было сделано немало конкретных наблюдений, имеющих большое значение

Из книги автора

Сравнительная геномика и ранняя эволюция животных Если не учитывать редкую и плохо изученную мелочь вроде трихоплакса, то самыми примитивными животными можно назвать губок, у которых еще нет настоящих тканей, нервной системы и кишечника. Губки противопоставляются

Из книги автора

Эпилог. Когда геномика переходит на личности Несмотря на все свои знания, многие подкованные в науке люди и даже многие ученые на каком-то подсознательном уровне все равно боятся своих генов. Все потому, что, как бы хорошо ты ни понимал что-то умом и как много контрпримеров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Клинические приложения сведений о геноме человека

Этапы изучения наследственной болезни	Клинические приложения
Регистрация болезни как наследственной формы	Медико-генетическое консультирование
Локализация гена в хромосоме	Дифференциальная диагностика на основе анализа сцепления генов
Выделение гена	Генотерапия
Определение дефекта гена	Диагностика (ДНК-специфическая)
Обнаружение первичного продукта гена	Диагностика (биохимическая). Улучшение лечения на основе понимания патогенеза

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

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

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

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

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

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