Реферат на тему:
Графическое представление нормального человеческого кариотипа.
Геном человека — геном биологического вида Homo sapiens. 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 нуклеотидов ДНК, образующих 20000—25000 генов. [1] 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. [2] 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 хромосомы: 22 из них не влияют на пол, а две хромосомы (X и Y) задают пол. Хромосомы с 1-ой по 22-ую пронумерованы в порядке уменьшения их размера. Соматические клетки обычно имеют 23 хромосомных пары: по одной копии хромосом с 1-ой по 22-ую 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 Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster. 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 человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, 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.
В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.
Идентификация регуляторных последовательностей в человеческом геноме частично была произведена на основе эволюционной консервативности (свойства сохранения важных фрагментов хромосомной последовательности, которые отвечают примерно одной и той же функции). Согласно некоторой гипотезе, в эволюционном дереве ветвь разделяющая человека и мышь появилась приблизительно 70-90 миллионов лет назад [3]. Для двух геномов компьютерными методами были выявлены консервативные последовательности (последовательности идентичные или очень слабо отличающиеся в сравниваемых геномах) в не кодирующей части и оказалось, что они активно участвуют в механизмах регуляции генов для обоих организмов [4].
Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу. Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8-раз меньший объём «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов [5].
Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома [2]. Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:
Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.
Соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на «мусорную ДНК». Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.
Эксперименты с ДНК-микрочипами показали, что достаточно серьёзный объём участков генома, не являющихся генами, вовлечён в процесс транскрипции [6].
wreferat.baza-referat.ru
Геном человека
"Науки составляют знания, логически соединенные в систему и проникнутые идеей".
М. Куторга
До расшифровки генома осталось... 100 лет
Интервью корреспондентки Светланы Белостоцкой с доктором биологических наук, заместителем директора по науке Института молекулярной генетики РАН, членом HUGO - Международной организации по исследованию генома человека, Вячеславом Тарантулом.
"2000": Насколько важна для науки расшифровка генома человека, которая вот-вот будет завершена?
В.Т.: Сразу хочу подчеркнуть, что те исследования по определению последовательности нуклеотидов в ДНК, которые завершают сейчас американцы - это еще не расшифровка генома. Пройден принципиально важный, но только начальный технологический этап расшифровки генома, не требующий никаких существенных усилий кроме больших материальных вложений. Расшифровать - значит понять смысл написанного. Мы же пока ничего не расшифровали.
Мы просто клинописью написали длинный-длинный текст - 3 миллиарда букв. Но мы его не понимаем. О каких-то участках ДНК мы можем кое-что сказать, о других вообще ничего не знаем. Если раньше мы изучали какой-то ген, мы его узнаем в этой надписи, но большинство генов никто до сих пор не изучал. По повседневным оценкам, в геноме человека зашифровано примерно 80000 генов. Мы знаем о структуре в лучшем случае 6-8 тысяч генов, а это только десятая часть генома. О существовании 90% генов и кодируемых ими белковых молекул, регулирующих работу нашего организма, мы до сих пор даже не подозревали.
Теперь же, имея структурную карту ДНК, можно перейти к основному этапу работы - брать неизвестные участки ДНК, распознавать неизвестные гены и смотреть, за что они отвечают в организме, какие биологически активные и важные для нормального метаболизма вещества они кодируют. Даже если болезнь окажется наследственной, зная механизм патологии, то есть к чему приводит та или иная мутация, можно будет найти подходы к лечению. Если мутация, скажем, привела к нехватке какого-либо белка, этот белок восполнят через питание или инъекции, активируют или инактивируют с помощью лекарственных средств или методов генной терапии. В Америке эта программа уже реализуется по всем известным мутациям в известных генах.
В России сейчас мы диагностируем 30 наследственных заболеваний. Однако важно не только определить функцию того или иного гена, но и понять, как он ведет себя на протяжении всей жизни. Здесь мало знать, что функция гена гемоглобина - переносить кислород. Возможно, что способность белка хватать кислород с возрастом слабеет, потому что в гене что-то происходит. Все это тоже предстоит тщательно изучить.
"2000": Продолжительность жизни того или иного вида тоже записана в генетическом коде?
В.Т.: Да, конечно. Но понять, каким образом и с чем конкретно это связано, мы пока не можем. Хотя известно, что такая болезнь, как преждевременное старение, связана с определенными мутациями в определенном гене. Осталось понять, какова функция белка, кодируемого этим геном, и какова его роль в метаболизме клетки.
"2000": А что, если сравнить геномы человека и крокодила, который живет 300 лет, и посмотреть, за счет чего у нас такая разная продолжительность жизни?
В.Т.: Именно сравнение генетических кодов разных организмов и даст в конечном итоге понимание проблем старения. Но для этого надо для начала прочитать геном животных долгожителей. На сегодняшний день мы не имеем даже генетического кода мыши, не говоря уж о крокодиле. А это опять огромный много миллиардный проект. Если американцы, прочитав структуру генома человека, возьмутся за мышь или крокодила, мы будем это только приветствовать.
"2000": Сколько же времени займет подлинная расшифровка нашего генома?
В.Т.: Думаю, за сто лет мы справимся.
"2000": Выходит, реальные плоды ни нам, ни нашим детям не доведется испытать на себе?
В.Т.: Это не совсем так. Так же как программа СОИ когда-то дала толчок целому ряду передовых технологий в самых разных отраслях - от металлургии до вычислительной техники, проект "Геном человека" привел к появлению новых подходов в вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине. Не говоря уж о той же вычислительной технике. Ведь чтобы обработать такой массив данных, потребовались новые компьютеры и новые компьютерные программы.
Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных ме тодов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов, как муха дрозофила и круглый червь нематода. Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.
Оказалось, что человек только в 4 раза отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тысяч генов. Мы узнали, что гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего. Но поскольку генетические манипуляции с человеком запрещены, гены этих организмов изучены лучше, чем гены человека. И теперь, зная функции тех или иных генов дрозофилы, мы можем проводить аналогии с их действием в организме человека.
Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, всевозможных вирусов. Сегодня структуру любого нового патогена можно про читать буквально за неделю. Не случайно чисто молекулярный подход к лечению СПИДа, на наш взгляд, гораздо эффективнее традиционной химиотерапии. Внесение новых генов в пораженные вирусом СПИДа Т-лимфоциты препятствуют развитию вируса. Он перестает размножаться и, в конечном итоге, погибает.
Кроме того, сегодня найден ген, мутация которого вообще защищает человека от заражения вирусом иммунодефицита. В разных регионах мира частота такой мутации различна. Наиболее часто она встречается в Швеции и Германии. У нас в России таких мутантов около 5%. Сейчас мы пытаемся выяснить функцию этого гена, чтобы использовать его для борьбы со СПИДом. Все эти исследования стали возможны лишь благодаря современным методам, разработанным в ходе расшифровки генома человека.
***
"Прогресс медицины - великое благо для человечества. но слишком уж часто он связан с недопустимыми, безнравственными, а то и преступными деяниями - экспериментами на юдях".
Г. Ратнер
Неизлечимых болезней больше не будет
Интервью корреспондентки журнала "2000" Ирины Барадецкой с психологом, членом Русского психоаналитического общества Владимиром Осиповым.
"2000": В Соединенных Штатах 50% американцев в ходе социологических опросов называли деятельность участников проекта "Геном человека" аморальной, неэтичной, направленной против человека. Вы согласны с такой трактовкой работы ученых?
В.О.: Мне кажется, что этика и научные исследования находятся в несколько разных плоскостях. Это как создание атомной бомбы. Ученый, совершивший открытие, не виноват в том, как оно будет использоваться. Я смотрю на открытия генетиков как некое познание мира и законов. И если мы будем знать эти законы, то это не значит, что мы себя от чего-то обезопасим. Само по себе открытие генетиков несет так много положительных моментов, что будет преступлением не использовать этот шанс для лечения и предотвращения многих генетических заболеваний.
"2000": А что именно дает миру расшифровка генома?
В.О.: Прежде всего, это сверх ранняя диагностика, которая поможет более успешному лечению болезней, передаваемых наследственным путем. Будут найдены лекарства от рака, диабета, астмы, эпилепсии, сердечно- сосудистых заболеваний и многих других недугов, против которых сегодняшняя медицина бессильна. Кроме того, появится возможность разобраться в механизме старения, увеличить среднюю продолжительность жизни. Ведь сегодня в мире каждый сотый ребенок рождается с врожденными пороками развития, наследственными болезнями.
Генетический анализ плода на ранних стадиях беременности позволит избежать рождения детей с тяжелыми патологиями. И речь уже идет не только о прерывании беременности, но и о возможном устранении дефекта in utero. Изучение и описание генного аппарата человека также обещает прорыв в области фармакологии, в частности в производстве нового поколения медикаментов, предназначенных определенным группам пациентов в соответствии с их индивидуальными особенностями. Как полагают врачи, предварительное генетическое исследование позволит начать наиболее эффективное и безвредное для данного пациента "персональное лекарство".
Изучением особенностей строения ДНК уже занимается целая новая отрасль - фармокогенетика. Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для индифекции личности. Уже разработан метод "генетической дактилоскопии". По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК - точно устанавливать родство по материнской линии.
"2000": Кто может иметь доступ к генетической информации, полученной в ходе тестирования, кому принадлежит право собственности на эту информацию и образцы, собранные при проведении тестов?
В.О.: Данные, полученные в ходе просеивания, заинтересуют многих: органы трудоустройства, образования, правоохранительные и судебные органы, социальные службы и страховые компании. Все это создает угрозу бесцеремонного вторжения в тайну личности, дискриминации по генетическим признакам и нуждается в этико-правовой регламентации.
"2000": Не менее трудный вопрос - что произойдет с человеком, если он узнает о возможной предрасположенности к какой- либо болезни?
В.О.: Недавно в докладе рабочей группы по психическим расстройствам и генетике при Наффилдском совете по биоэтике (Великобритания) говорилось о недопустимости попыток использования генетического тестирования для предсказания предрасположенности к распространенным заболеваниям, таким, как шизофрения или болезнь Альцгеймера. Это. считают британские биоэтики, может ввести в заблуждение: люди, у которых подобные гены обнаружатся, будут думать, что они обречены.
И это может быть тяжелым испытанием для психики. Еще одна проблема связана с воздействием на генетический аппарат не только пациента, но и его потомков. До сих пор все международные конвенции провозглашают, что такое вмешательство недопустимо, поскольку право человека на естественный неизменный геном - это одна из сторон его права на сохранение человеческого достоинства.
"2000": А что произойдет, если со временем всех будут подвергать обязательному генетическому тестированию?
В.О.: смотря как эта информация будет использоваться. Вот, например, в армии США знают ДНК своих солдат и могут определить, кто действительно погиб, а не сваливать всех в одну яму. Мне кажется. это зависит от тех норм морали, которые мы сами в себе несем.
"2000": Почему на сегодняшний день у открытия генетиков больше противников, чем сторонников? Откуда такой консерватизм и неприятие новаций?
В.О.: Подобная реакция опирается на боязнь непредсказуемости результатов. То, что этот метод может быть использован во вред кому-то, - не аргумент, ибо во вред может быть использовано все, что угодно: вилка, нож, электродрель. Однако никто не запрещает их выпускать. Кроме того, если удалось запретить применение ядерного и химического оружия, то почему этого нельзя сделать и в отношении генной терапии? Во всем этом есть одна серьезная психологическая проблема. Открытия генетиков - это в какой-то степени четвертый удар по мировоззрению человека.
Сначала выяснили, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Затем - теория происхождения видов Дарвина, Фрейд заговорил о сексуальном. И вдруг выясняется, что есть возможность заглянуть внутрь человека и что-то там исправить. Люди начинают чувствовать себя беспомощными участниками эксперимента. Все боятся какого-то ошеломляющего результата, что мы узнаем о себе такое, что изменит само представление о нас и о нашем месте в мире.
Статья журнала "2000"
Нечто интересное
Клетки человека. Через 40 лет после смерти Генриетты Лакс клетки ее организма все еще остаются живыми. Из них была выделена одиночная клетка, в которой не хватало хромосомы - 11; последняя как теперь известно, подавляет процесс появления новообразований. В результате эта клетка оказывается бессмертной и служит ценным объектом медико-биологических исследований.
"Книга рекордов Гиннесса"
www.referatmix.ru
Реферат на тему:
Графическое представление нормального человеческого кариотипа.
Геном человека — геном биологического вида Homo sapiens. 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 нуклеотидов ДНК, образующих 20000—25000 генов. [1] 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. [2] 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 хромосомы: 22 из них не влияют на пол, а две хромосомы (X и Y) задают пол. Хромосомы с 1-ой по 22-ую пронумерованы в порядке уменьшения их размера. Соматические клетки обычно имеют 23 хромосомных пары: по одной копии хромосом с 1-ой по 22-ую 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 Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster. 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 человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, 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.
В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.
Идентификация регуляторных последовательностей в человеческом геноме частично была произведена на основе эволюционной консервативности (свойства сохранения важных фрагментов хромосомной последовательности, которые отвечают примерно одной и той же функции). Согласно некоторой гипотезе, в эволюционном дереве ветвь разделяющая человека и мышь появилась приблизительно 70-90 миллионов лет назад [3]. Для двух геномов компьютерными методами были выявлены консервативные последовательности (последовательности идентичные или очень слабо отличающиеся в сравниваемых геномах) в не кодирующей части и оказалось, что они активно участвуют в механизмах регуляции генов для обоих организмов [4].
Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу. Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8-раз меньший объём «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов [5].
Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома [2]. Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:
Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.
Соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на «мусорную ДНК». Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.
Эксперименты с ДНК-микрочипами показали, что достаточно серьёзный объём участков генома, не являющихся генами, вовлечён в процесс транскрипции [6].
www.wreferat.baza-referat.ru
ЛЕКЦИЯ
ПРОГРАММА “ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА”
Геном секвенировали в 2003 г‚ т.е. к пятидесятилетнему юбилею открытия двойной спирали ДНК (1953)‚ планировалось к 2005 г.
В 1988 г. один из первооткрывателей знаменитой двойной спирали ДНК, нобелевский лауреат Дж. Уотсон, публично высказал мысль о том, что наука вплотную приблизилась к раскрытию химической основы наследственности, причем не какого-либо низшего организма, а "царя природы" - человека. В том же самом 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). После консультаций с коллегами он обратился к М.С. Горбачеву с письмом, в котором предложил организовать государственный научный проект по изучению генома человека. В России, как и за ее пределами, эта идея также была встречена весьма критически, однако время шло, и очень скоро научное сообщество во всем мире стало обсуждать ее всерьез. С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее в 1999 г. возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO‚ Human Genome Project), вице-президентом которой несколько лет был академик А.Д. Мирзабеков. Это один из самых дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории цивилизации. Если в 1990 г. на него было потрачено около 60 млн долларов в целом, то в 1998 г. одно только правительство США израсходовало 253 млн долларов, а частные компании – и того больше.
Координационный центр HUGO находится в американском городе Бетесда, недалеко от Вашингтона, и относится к системе национальных институтов здоровья (National Institutes of Health). Возглавляет его Фрэнсис Коллинз - директор Института геномных исследований в Бетесде. Центр координировал научную работу в шести странах - Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. Но национальные программы по геномике сегодня имеют более 20 стран (20 лабораторий), а членами HUGO являются представители более 50 стран. Национальные программы есть в развивающихся странах, например в Китае и Бразилии, где правительства понимают важность геномной программы. В научном совете много лет работали А. Мирзабеков и я. Сейчас Россию в нем представляет профессор Н. К. Янковский.
Важно подчеркнуть, что с самого начала работ по геномному проекту мир договорился об открытости, доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Это значит, что любая лаборатория, закончив расшифровку нуклеотидной последовательности какого-либо фрагмента ДНК, немедленно посылает результаты в международную базу данных в Америку или Германию. Из таких баз данных ученые, занимающиеся биоинформатикой, черпают информацию для своих расчетов. Сейчас существуют десятки мощных баз данных, в которых аккумулирована гигантская информация о структуре не только генома человека, но и геномов многих других организмов.
В 1989 г в СССР по решению правительства было открыто финансирование и организован Научный совет по программе "Геном человека" под руководством А.А. Баева. Расположившийся в головном учреждении программы - Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, совет весьма быстро создал инфраструктуру, объединил исследования многих разрозненных групп. В России по проекту работает около 100 групп. Все хромосомы человека поделены между странами-участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы.
Российская программа развивалась по ряду направлений: медицинская геномика‚ функциональная геномика и биоинформатика. Одно из главных - биоинформатика. Что это такое? Биоинформатика - компьютерный анализ всей совокупности данных по нуклеотидным последовательностям ДНК. Сейчас в базах данных находится несколько миллиардов нуклеотидных пар человеческого генома и геномов других живых организмов. В этом море информации еще нужно разобраться, описать, понять, что следует за чем, где начало гена, где его конец, где регуляторные участки. Не определить, а предсказать. Расшифровать нуклеотидную последовательность - это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген, значит понять, как буквы складываются в слова. Вероятность правильного предсказания сегодня достигает 85%. Биоинформатика не дает конечной информации, она дает исходную информацию. А затем наличие того или иного гена проверяется экспериментально. Биоинформатика предсказывает: вот здесь ген начинается, а здесь - заканчивается. Ученые-экспериментаторы "вырезают" предполагаемый ген из ДНК и проверяют, действительно ли этот фрагмент отвечает за синтез определенной белковой молекулы. Иногда оказывается, что ученые-биоинформатики предсказали гены правильно, а иногда - нет.
Еще один аспект, который особенно бурно развивается в многонациональной России – это определение генома разных народностей. Ее населяют разные этнические группы. Оказывается, что геном у разных народностей слегка различается. Можно в ДНК выделить определенный "рисунок" нуклеотидов (особое расположение), который будет говорить о том, что этот человек - башкир, а этот - татарин. Геномы представителей разных этнических групп не идентичны, но различия между ними чрезвычайно незначительны, хотя и абсолютно достоверны, и поэтому возможно сравнивать разные этнические группы.
Такой подход связывает геномику с историей, лингвистикой, археологией, палеонтоло гией, этнографией. И возникают поразительно интересные находки. Как вы думаете, к какой этнической группе ближе всего русские?
Славяне близки по материнской линии (поскольку изучается митохондриальная ДНК, передающаяся ребенку от матери) к нашим западным соседям: немцам, угрофиннам.
Сейчас ведутся работы по изучению Y-хромосомы, что гораздо сложнее, чем изучать митохондриальную ДНК. Через два-три года мы будем знать, как выглядит русский этнос по отношению к своим соседям уже по отцовской линии.
Работа очень увлекательная и ведется весьма активно. Участвуют исследователи из Томска, Москвы, Уфы и Тарту (Эстония). Международное сообщество смотрит на результаты наших исследований во все глаза: ведь мы имеем уникальные этносы.
Прежде всего, можно будет подбирать лекарственные препараты "по национальному признаку". Ведь не секрет, что многие признаки сцеплены с принадлежностью человека к определенной этнической группе. Поэтому такие исследования не только очень интересны, но они еще и создают основу будущей индивидуальной медицины.
Новая медицина станет не только индивидуальной, а профилактической (превентивной). Врачи смогут не только лечить болезнь, но и предотвращать ее возникновение. Геномика позволит сделать и это
В ядре каждой соматической клетки человека содержится 23 пары хромосом: на каждую хромосому приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека равна почти 2 м, количество нуклеотидных пар составляет 6,4 млрд. Общая длина ДНК во всех клетках человеческого тела (их примерно 5х1013) составляет 1011 км, что почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца. Число генов у человека находится в пределах от 30 до 40 тысяч.
Предположение о числе генов в геноме человека с момента начала проекта сократилось вдвое (от 80-100 тыс). Выявлено большое количество "бессмысленных" участков. Они устроены не так, как гены‚ более того – это значительная часть генома. (95%). Вот в 5% генома, где находятся те самые 32 тысячи генов, мы знаем многое о структуре и немногое о функциях. По-научному "бессмысленные" участки называют некодирующими. Некоторые американские ученые называют их "junk" - барахлом, мусором или "эгоистической ДНК". Однако‚ если мы не понимаем, для чего нужны какие-то участки ДНК, сие еще не значит, что они - мусор.
У бактерии "бессмысленных" участков вообще нет. У дрожжей почти нет. По мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше некодирующей ДНК. Я думаю, что некодирующие последовательности ДНК могут оказаться резервуаром эволюции, складом "запчастей". Если с каким-либо геном что-то не в порядке, возможно, клетка использует фрагменты некодирующей ДНК для ремонта поврежденного гена.
В "бессмысленной" ДНК есть испорченные гены, погибшие в результате каких-то мутаций. Их называют псевдогенами.
Во-вторых, наши далекие предки - неандертальцы или кроманьонцы болели вирусными заболеваниями, и эти вирусы (а вирусы состоят из молекул ДНК или РНК и белковой оболочки) иногда попадали в геном и оставались там навсегда. Иными словами, часть нашего генома - молекулярное кладбище древнейших вирусов.
Затем, в нашем геноме есть масса повторяющихся участков. Действительно, очень интересно, почему человек - "венец эволюции" имеет огромную долю "неработающего" генома.
Рис. 2. Примерное распределение генов человека по их функциям.
1 – производство клеточных материалов; 2 – производство энергии и ее использование; 3 – коммуникации внутри и вне клеток; 4 – защита клеток от инфекций и повреждений; 5 – клеточные структуры и движение; 6 – воспроизводство клеток; 7 – функции не выяснены
По своему геному мы мало отличаемся от мыши. Различия в структуре генов - процентов 10-15, не больше. А от шимпанзе мы отличаемся на 1‚23%. Это показало первое в мире исследование, проведенное международной группой специалистов во главе с японским профессором Иосиюки Сакаи.
Проблема происхождения человека стала гораздо сложнее, чем ученые думали раньше. Подсознательно мы надеялись набрать сотню генов, отличающих человека от шимпанзе. И мы скажем по-французски "voila" - вот они эти гены, благодаря которым мы "выбились" в люди. А пока их нет.
Различия обнаружены в другом: в геноме человека много вставленных в него чужеродных элементов – ретровирусов, а у обезьян их почти нет.
Основной задачей программы является построение исчерпывающих генетических карт большого разрешения каждой из хромосом человека, которое должно завершиться определением полной первичной структуры ДНК всех хромосом.
В течение последних лет исследования проводились в следующих направлениях:
1. Компьютерный анализ полного генома человека и его частей на основе информации в открытых базах данных. Разработка принципиально новых подходов к хранению, обработке и получению структурной информации из баз данных на основе вновь созданного программного обеспечения.
2. Идентификация новых генов на основе физического, хромосомного и функционалного картирования, клонирования и секвенирования. Структурный и функциоеналный анализ вновь найденных генов и регуляции их активности.
3. Установление cause-and-effect генетических отношений между генами и предрасположенностью к широкораспространенным заболеваниям различной природы. Выявление роли индивидуальных генов и их мутаций в этиологии и развитии некоторых заболеваний человека.
4. Развитие методов генной и геномной диагностики заболеваний человека на основезнания физической карты и последовательностей нуклеотидов.
5. Разработка методов генной терапии моногенных заболеваний на основе знаний о молекулярно-генетических механизмах их возникновения и развития.
6. Разработка открытых юридических, этичских, законодательных/ правовых, социальных и других аспектов исследований генома и использзования информации о структуре и свойствах геномов отдельных ??? людей. Предсказания путей развития медицины и здравоохранения на основе нового уровня знаний о геноме человека и формулирование соответствующих практических предложений.
Решение основной задачи программы «Геном человека» включает следующие этапы.
• На первом этапе необходимо завершить составление детальной генетической карты и отметить гены, отстоящие друг от друга на расстоянии, не превышающем в среднем 2 млн оснований (1 млн оснований равен 1 мегабазе — 1 Мб, от англ. base— основание).
• Второй этап предполагает составление физических карт низкого разрешения каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб).
• На третьем этапе следует получить физическую карту высокого разрешения всего генома в виде охарактеризованных по отдельности клонов (клон содержит 5 Кб).
• Четвертый этап посвящен определению полной первичной структуры (секвенированию) всей ДНК генома человека (разрешение — 1 основание).
• На пятом, заключительном, этапе необходимо в найденных последовательностях нуклеотидов локализовать все гены организма и определить их функциональное значение.
Генетическое картирование
Генетические карты сцепления. Генетические карты сцепления определяют хромосомную принадлежность и взаимное расположение генетических маркеров относительно друг друга. Картирование в узком смысле — определение положения гена или мутации в хромосоме. Позднее этот термин получил более широкое толкование. Он относится не только к гену, но к любому маркеру, под которым подразумевают ген, мутацию, участок ДНК с неопределенной функцией, точку расщепления ДНК рестриктазами. Таким образом, маркер — это любой наследуемый признак, доступный идентификации тем или иным способом. Установление локализации какого-либо маркера позволяет использовать его для определения положения другого маркера.
На практике именно генетические карты сцепления и только они позволяют локализовать сложные генетические маркеры (например, ассоциированные с симптомами заболевания) на первых этапах исследования и дают возможность их дальнейшего изучения.
До начала 70-х годов XX в. построение генетических карт человека продвигалось очень медленными темпами. Первый ген человека (ген цветной слепоты) был картирован на Х-хромосоме в 1911 г., а первый аутосомный ген — только в 1968 г. К 1973 г. на хромосомах человека было картировано 64 гена, а к 1994 г. — 5000 структурных генов и свыше 60 000 маркерных ДНК-последовательностей. Столь стремительный прогресс в картировании генов человека связан с появлением новых технологий в цитогенети-ке, в клеточных культурах и особенно в молекулярной генетике.
Гибридизация соматических клеток. Одним из наиболее популярных методов отнесения генетического маркера (функционально активного гена) к конкретной группе сцепления является гибридизация (слияние друг с другом) соматических клеток разных биологических видов организмов, один из которых — исследуемый. Гибридные клоны получают путем искусственного слияния клеток человека и различных грызунов: китайского хомячка, мыши, крысы. Культивирование таких соматических гибридов, как оказалось, сопровождается утратой хромосом человека. Потеря хромосом носит случайный характер, и образующиеся клоны клеток содержат оставшиеся хромосомы в разных сочетаниях. Так получают панели гибридных клеточных клонов, содержащих всего одну или несколько хромосом человека и полный набор хромосом другого вида. Обнаружение человеческих белков, специфических мРНК или последовательностей ДНК в таких клонах позволяет однозначно определить хромосомную принадлежность соответствующих генов.
Гибридизация in situ (в том же месте). Этот метод дает возможность локализовать определенные последовательности нуклеотидов на хромосомах. Они выступают в качестве зондов. Препараты фиксированных хромосом гибридизуют с исследуемыми последовательностями, меченными радиоактивной или флуоресцентной меткой. Меченые молекулы оказываются ассоциированными с участками хромосом, содержащими последовательности, комплементарные меченому зонду. Полученные гибриды анализируют с помощью микроскопа либо непосредственно, либо после радиоавтографии. Этот метод по частоте использования в последнее время прочно выходит на первое место. Наиболее популярной оказалась группа методов, получивших название флуоресцентной гибридизации in situ — метод FISH (от англ. Fluorescence in situ hybridization).
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) позволила быстро и эффективно амплифицировать почти любой участок генома человека, а полученные продукты ПЦР использовать в качестве зондов для картирования соответствующих участков на хромосомах путем гибридизации in situ. В этом плане успешно разработана концепция сайтов, привязанных к последовательностям, —STS (от англ. Sequence-tagged sites). Все фрагменты ДНК, которые используются для построения генетических и физических карт, можно однозначно идентифицировать с помощью последовательности нуклеотидов длиной в 200 — 500 н.п., которая является уникальной для данного фрагмента. Эти сайты амплифицируют с помощью ПЦР и применяют в качестве зондов. STS позволили создать основу для разработки единого языка, дающего возможность разным лабораториям описать свои клоны. Конечным результатом разработки концепции STS является создание исчерпывающей карты STS генома человека. Для получения маркеров в настоящее время часто применяют праймеры, соответствующие диспергированным повторяющимся последовательностям, среди которых первыми стали использовать А1u-последовательности, так как они характерны именно для генома человека. Поскольку в геноме человека больше 90 % умеренно повторяющихся последовательностей представлены семействами А1u и Крn I (последние повторяются реже и обладают характерной локализацией в хромосомах), они и используются для получения соответствующих зондов в ПЦР-реакции.
Физические карты низкого разрешения. Физические карты генома отражают реальное расстояние между маркерами, выражаемое в парах нуклеотидов. Физическую карту низкого разрешения часто называют хромосомной (цитогенетической) картой генома.
В начале 70-х годов XX в. появилась реальная возможность точной идентификации не только всех хромосом в кариотипе человека, но и их отдельных сегментов. Это связано с появлением мето да дифференциального окрашивания препаратов метафазных хромосом. Хромосомные препараты окрашивают некоторыми флуорохромами после соответствующей протеолитической обработки или нагревания. При этом на хромосомах выявляется характерная поперечная исчерченность — так называемые диски (бэнды), расположение которых специфично для каждой хромосомы. Величина небольших дисков на прометафазных хромосомах соответствует примерно 1 млн н.п. на физических картах. Каждая хромосома после дифференциальной окраски может быть разделена на сегменты, нумерация которых начинается от центромерного района вверх (короткое плечо р) либо вниз (длинное плечо — q). Полосы в каждом сегменте также пронумерованы в аналогичном порядке. Запись положения гена на карте включает номер хромосомы, плечо, номер сегмента, бэнда и его субъединицы.
Запись 7 q21.1 означает, что ген локализован в субъединице 1-го бэнда 2-го сегмента длинного плеча хромосомы 7. Подобная запись удобна для цитогенетического картирования метода гибридизации in situ, позволяющего локализовать ген с точностью до одного бэнда и даже его субъединицы.
Хромосомные карты генома человека получают также локализацией генетических маркеров, чаще всего методом FISН: для метафазных хромосом разрешающая способность хромосомных карт находится в пределах 2 — 5 млн н.п.; для интерфазных хромосом (генетический материал находится в менее компактной форме) — приближается к 100 тыс. н.п. Для этого уровня картирования характерны карты кДНК (с. 358). Они отражают положение экспрес-сирующихся участков ДНК (экзонов) относительно известных ци-тогенетических маркеров (бэндов) на метафазных хромосомах. Поскольку такие карты дают представление о локализации транскрибирующихся участков генома, в том числе и генов с неизвестными функциями, они могут быть использованы для поиска новых генов. Этот подход полезен при поиске генов, повреждение которых вызывает заболевания человека, в том случае, если приблизительная локализация таких участков хромосом уже проведена на генетических картах сцепления (см. рис. 100).
Физические карты высокого разрешения. Для построения физических карт высокого разрешения экспериментально реализуется два альтернативных подхода: картирование сверху вниз и картирование снизу вверх (рис.В к геному). Для картирования сверху вниз препарат ДНК индивидуальной хромосомы человека разрезают крупнощепящими рестриктазами (например, Not I) на длинные фрагменты, которые после разделения методом электрофореза в пульсирующем поле подвергаются дальнейшей обработке другими рестриктазами.
Методом электрофореза под действием однонаправленного постоянного поля в агарозном или полиакриламидном гелях удается разделить фрагменты ДНК размером не более 30 —50 тыс. н.п. Продвижение больших фрагментов ДНК в геле при пульсирующем изменении направления электрического поля происходит за счет конформационных изменений, обусловленных скручиванием и раскручиванием молекул ДНК в момент переключения направления поля. В этом случае удается разделить молекулы ДНК размером от 50 тыс. н.п. до 10 млн н.п.).
В результате получают макрорестрикционную карту. Метод электрофореза был с успехом использован для картирования малых геномов.
Для картирования генома человека снизу вверх на основе препарата суммарной ДНК генома или индивидуальной хромосомы получают серию случайных клонов протяженных последовательностей ДНК (10— 1000 тыс. н.п.), часть из которых перекрывается друг с другом. В качестве вектора для клонирования в этом случае используют искусственные минихромосомы дрожжей (УАС). Последовательный набор клонов, содержащих частично перекрывающиеся и дополняющие друг друга фрагменты ДНК из определенного района генома, получил название скользящего зондирования, или «прогулки по хромосоме». Каждый раз отобранный фрагмент используется в качестве ДНК-зонда для последующего поиска. В результате получают набор клонированных фрагментов ДНК, полностью перекрывающих исследуемый участок генома, получивший название «контиг». Эта стратегия впервые была успешно применена для изучения 3-й хромосомы дрозофилы. С ее помощью редко удается пройти более 200 — 300 тыс. н.п. в одном направлении из-за наличия в геноме повторяющихся и трудно клонируемых последовательностей ДНК. Для преодоления таких ограничений и ускорения процесса поиска генных последовательностей Ф. Коллинз, ныне президент Международного консорциума, предложил метод «прыжков» по хромосоме, позволяющий изолировать фрагменты ДНК, отстоящие в геноме друг от друга на сотни тысяч пар нуклеотидов (длина прыжка), не выделяя при этом все промежуточные последовательности ДНК.
Правильность полученных контигов подтверждают обычно гибридизацией in situ (FISH) с одновременной привязкой к определенным участкам исследуемых хромосом.
Определение нуклеотидной последовательности генома человека
Исчерпывающая физическая карта генома человека должна представлять собой полную последовательность нуклеотидов ДНК всех его хромосом. К решению такой грандиозной по объему задачи привлечены многие хорошо финансируемые лаборатории в разных странах мира, оснащенные автоматическими высокопроизводительными секвенаторами.
Создание в середине 70-х годов теперь уже прошлого века двух различных методов расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК. Хронологически первым был метод Максама - Гилберта. В его разработке большую роль сыграл академик Андрей Дарьевич Мирзабеков. Английский ученый Фред Сэнгер предложил другой способ расшифровки структуры ДНК. За разработку этих методов Гилберт и Сэнгер получили Нобелевскую премию. Интересно, что для Сэнгера эта премия уже вторая, первую он получил за расшифровку аминокислотной последовательности белка инсулина. Случай в науке уникальный - один и тот же человек первым расшифровал структуру и белка и ДНК!
- Метод Максама - Гилберта состоит в том, что молекулу ДНК разбивают на кусочки, затем эти кусочки подвергают химическим воздействиям, потом специальным образом обрабатывают. Ученые смотрят, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делают вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК.
Согласно методу Сэнгера молекулу ДНК с помощью специальной обработки ферментами не только расщепляют на фрагменты, но и "расплетают" ее двойную спираль на две нити. Потом по каждому из полученных обрывков, состоящих из отдельных нуклеотидных "нитей", с помощью специальных химических "затравок" восстанавливается недостающая вторая нить нуклеотидов. Но не полностью - ее синтез обрывают на разных нуклеотидах. При этом получался набор цепей ДНК с непрерывно изменяющейся длиной - "лесенка". Фрагменты разной длины помечены на концах флуоресцентной меткой, чтобы их было легко обнаружить.
Надо сказать, что российские биологи внесли существенный вклад в разработку и этого метода. Новосибирский ученый профессор Станислав Константинович Василенко предлагал принцип "лесенки" еще до публикации работ Сэнгера, этот же принцип развивал и академик Евгений Давыдович Свердлов, директор Института молекулярной генетики РАН. То, что Василенко и Свердлов - предтечи Сэнгеровского метода, забывать не стоит.
Все автоматы-секвенаторы построены по принципу метода Сэнгера, поскольку он оказался более удобным для автоматизации и комьютерной регистрации. Выпущено огромное количество автоматов и стандартных наборов реактивов для анализа. По сути, секвениро вание (то есть определение нуклеотидной последовательности ДНК) стало рутинной лаборантской работой. А метод Максама-Гилбера имеет скорее историческое, чем практическое значение.
Еще 15-20 лет назад расшифровка нуклеотидной последовательности в 1000 нуклеотидов считалась почти научным подвигом, за это можно было сразу получить степень доктора наук. Но уже к 1990 году секвенирование ДНК стало массовой технологией. А сейчас квалифицированный лаборант проделывает такую работу меньше, чем за один день.
Разработаны и другие совершенно новые методы секвенирования. Один из них базируется на возможности избирательно присоединять тяжелые атомы металлов (нерадиоактивные изотопы) к определенным нуклеотидам с последующим масс-спектрометрическим сканированием молекул ДНК, пропускаемых через тончайший (нанометровый) микрокапилляр. Устройство читает нуклеотидную последовательность практически безошибочно. При этом не нужно дорогостоящих и отнимающих уйму труда операций по химическому секвенированию, использованию наборов рестрикционных ферментов и прочих ухищрений. Метод начала использовать компания "Секвеном", зарегистрированная в городе Сан-Диего (Калифорния) и руководимая Чарлзом Кэнтором.
Другой подход основан на присоединении флюоресцентных меток к ДНК, разрезании ДНК одним или несколькими рестрикционными ферментами на достаточно протяженные куски и оптическом анализе кусков. Так как флюоресцентные метки, сорбирующиеся на индивидуальных нуклеотидах, создают для каждого участка ДНК светящуюся картинку, характерную только для него, можно сравнивать ее с имеющимися в памяти компьютеров картинками. Для этого сотрудники компании "Силера джиномикс" создали прибор оптического "обстрела" протяженных ДНК (система Visionade) и математический алгоритм Gentig. Если после оптического просмотра остаются сомнения в точности нуклеотидных последовательностей в каких-то коротких участках, только эти участки и надлежит секвенировать химически. Оптическая "стрельба" по нарезанным участкам ДНК позволила достичь небывалой скорости в секвенировании: в свое время изучение генома кишечной палочки потребовало работы нескольких сот человек в течение 12 месяцев, в то время как система Visionade помогла расшифровать этот же геном в несколько минут.
Структура генома человека (по данным секвенирования на 2001 г.)
На основе компьютерных алгоритмов, построенных на современных представлениях об общей структуре гена и о белковых доменах, было рассчитано количество генов, кодирующих белки в геноме человека. Международный консорциум определил 31 780 белок-кодирующих генов, а фирма Целера Геномикс обнаружила 39 114 таких генов.
Показано, что типичный ген человека состоит примерно из 28000 н.п. и имеет 8 экзонов, его кодирующая последовательность 1340 н.п., этот ген кодирует 447 аминокислот.
Самым большим геном, найденным в геноме человека, является ген мышечного белка дистрофина (2,4 • 106 н. п.). Фибриллярный белок титин, ответственный за пассивную эластичность скелетных мышц, состоит из 27 000 аминокислотных остатков. Его ген содержит 234 экзона. Это наибольшее количество экзонов, пока найденное в белок-кодирующих генах человека. Структура и организация генов человека много сложнее, чем структура генов других эукариот. Очень часто они прерываются большими интронами, 35 % генов человека могут считываться с разных рамок, а 40 % РНК подвергаются альтернативному сплайсингу. Таким образом, одна последовательность ДНК может кодировать более одного вида мРНК.
По сравнению с геномами других эукариотических организмов у человека большее распространение получили гены, участвующие в обеспечении иммунной защиты; в развитии нервной системы (нейротрофические факторы, факторы роста нервов), сигнальных молекул, миелиновых белков, потенциал-управляемых ионных каналов и синаптических рецепторных белков; в построении цитоскелета и движении везикул, обеспечении внутри- и межклеточной сигнализации, поддержании гомеостаза. У человека значительно большее количество генов участвует в транскрипции и трансляции. Из 2000 таких генов 900 относятся к семейству белков, содержащих «цинковые пальцы».
В целом на долю генов, кодирующих белки, приходится 2 % генома; на области, кодирующие РНК, — около 20% генома, повторяющиеся последовательности занимают более 50 % генома, причем значительная часть этой ДНК возникла за счет обратной транскрипции РНК.
Исследование структуры генома ряда прокариот и эукариот, и человека в частности, способствовало созданию науки о геномах — геномики. В нее включают изучение геномов на молекулярном, хромосомном, биохимическом и фенотипическом уровнях. Нам представлена схема, поясняющая взаимоотношения между геномикой человека и другими научными направлениями в современной биологии. Структурная и сравнительная геномика через биоинформатику переходит в новый раздел — функциональную геномику, главной задачей которой является выяснение биологических функций генных продуктов и в первую очередь белков.
У многих современных исследователей, работающих в области геномики, нет сомнений, что первое десятилетие XXI в. будет эрой функциональной геномики и биоинформатики.
В сети Интернет можно найти большое число адресов, содержащих разнообразную информацию, касающуюся генома человека:
Что можно ждать от геномных исследований в ближайшие 40 лет? Вот как сформулировал прогноз Ф.Коллинз, руководитель программы "Геном человека" (США).
2010 год
Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры.
Широко доступна преимплантационная диагностика, яростно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.
2020 год
На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.
2030 год
Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее 1000 $. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека. Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.
2040 год
Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при/до рождения).
Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни детектируются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.
Для большинства заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря социоэкономическим мерам. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.
Эта совершенно новая отрасль биологии, изучающая структуру и функции белков и взаимосвязи между ними, названа по аналогии с геномикой, занимавшейся геномом человека. Само рождение протеомики уже объясняет, зачем нужна была программа Геном человека. Поясним на примере перспективы нового направления
Вернемся к протеомике. Знание аминокислотных последовательностей и трехмерной структуры определенных белков позволило разработать программы сопоставления генетических последовательностей с аминокислотными, а затем программы предположительного расположения их в трехмерной структуре полипептидов. Знание трехмерной структуры позволяет быстро находить химические варианты молекул, в которых блокирован, например, активный центр, или определять положение активного центра у мутантного фермента.
www.referatmix.ru
"Науки составляют знания, логически соединенные в систему и проникнутые идеей".
М. Куторга
До расшифровки генома осталось... 100 лет
Интервью корреспондентки Светланы Белостоцкой с доктором биологических наук, заместителем директора по науке Института молекулярной генетики РАН, членом HUGO - Международной организации по исследованию генома человека, Вячеславом Тарантулом.
"2000": Насколько важна для науки расшифровка генома человека, которая вот-вот будет завершена?
В.Т.: Сразу хочу подчеркнуть, что те исследования по определению последовательности нуклеотидов в ДНК, которые завершают сейчас американцы - это еще не расшифровка генома. Пройден принципиально важный, но только начальный технологический этап расшифровки генома, не требующий никаких существенных усилий кроме больших материальных вложений. Расшифровать - значит понять смысл написанного. Мы же пока ничего не расшифровали.
Мы просто клинописью написали длинный-длинный текст - 3 миллиарда букв. Но мы его не понимаем. О каких-то участках ДНК мы можем кое-что сказать, о других вообще ничего не знаем. Если раньше мы изучали какой-то ген, мы его узнаем в этой надписи, но большинство генов никто до сих пор не изучал. По повседневным оценкам, в геноме человека зашифровано примерно 80000 генов. Мы знаем о структуре в лучшем случае 6-8 тысяч генов, а это только десятая часть генома. О существовании 90% генов и кодируемых ими белковых молекул, регулирующих работу нашего организма, мы до сих пор даже не подозревали.
Теперь же, имея структурную карту ДНК, можно перейти к основному этапу работы - брать неизвестные участки ДНК, распознавать неизвестные гены и смотреть, за что они отвечают в организме, какие биологически активные и важные для нормального метаболизма вещества они кодируют. Даже если болезнь окажется наследственной, зная механизм патологии, то есть к чему приводит та или иная мутация, можно будет найти подходы к лечению. Если мутация, скажем, привела к нехватке какого-либо белка, этот белок восполнят через питание или инъекции, активируют или инактивируют с помощью лекарственных средств или методов генной терапии. В Америке эта программа уже реализуется по всем известным мутациям в известных генах.
В России сейчас мы диагностируем 30 наследственных заболеваний. Однако важно не только определить функцию того или иного гена, но и понять, как он ведет себя на протяжении всей жизни. Здесь мало знать, что функция гена гемоглобина - переносить кислород. Возможно, что способность белка хватать кислород с возрастом слабеет, потому что в гене что-то происходит. Все это тоже предстоит тщательно изучить.
"2000": Продолжительность жизни того или иного вида тоже записана в генетическом коде?
В.Т.: Да, конечно. Но понять, каким образом и с чем конкретно это связано, мы пока не можем. Хотя известно, что такая болезнь, как преждевременное старение, связана с определенными мутациями в определенном гене. Осталось понять, какова функция белка, кодируемого этим геном, и какова его роль в метаболизме клетки.
"2000": А что, если сравнить геномы человека и крокодила, который живет 300 лет, и посмотреть, за счет чего у нас такая разная продолжительность жизни?
В.Т.: Именно сравнение генетических кодов разных организмов и даст в конечном итоге понимание проблем старения. Но для этого надо для начала прочитать геном животных долгожителей. На сегодняшний день мы не имеем даже генетического кода мыши, не говоря уж о крокодиле. А это опять огромный много миллиардный проект. Если американцы, прочитав структуру генома человека, возьмутся за мышь или крокодила, мы будем это только приветствовать.
"2000": Сколько же времени займет подлинная расшифровка нашего генома?
В.Т.: Думаю, за сто лет мы справимся.
"2000": Выходит, реальные плоды ни нам, ни нашим детям не доведется испытать на себе?
В.Т.: Это не совсем так. Так же как программа СОИ когда-то дала толчок целому ряду передовых технологий в самых разных отраслях - от металлургии до вычислительной техники, проект "Геном человека" привел к появлению новых подходов в вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине. Не говоря уж о той же вычислительной технике. Ведь чтобы обработать такой массив данных, потребовались новые компьютеры и новые компьютерные программы.
Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных ме тодов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов, как муха дрозофила и круглый червь нематода. Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.
Оказалось, что человек только в 4 раза отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тысяч генов. Мы узнали, что гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего. Но поскольку генетические манипуляции с человеком запрещены, гены этих организмов изучены лучше, чем гены человека. И теперь, зная функции тех или иных генов дрозофилы, мы можем проводить аналогии с их действием в организме человека.
Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, всевозможных вирусов. Сегодня структуру любого нового патогена можно про читать буквально за неделю. Не случайно чисто молекулярный подход к лечению СПИДа, на наш взгляд, гораздо эффективнее традиционной химиотерапии. Внесение новых генов в пораженные вирусом СПИДа Т-лимфоциты препятствуют развитию вируса. Он перестает размножаться и, в конечном итоге, погибает.
Кроме того, сегодня найден ген, мутация которого вообще защищает человека от заражения вирусом иммунодефицита. В разных регионах мира частота такой мутации различна. Наиболее часто она встречается в Швеции и Германии. У нас в России таких мутантов около 5%. Сейчас мы пытаемся выяснить функцию этого гена, чтобы использовать его для борьбы со СПИДом. Все эти исследования стали возможны лишь благодаря современным методам, разработанным в ходе расшифровки генома человека.
***
"Прогресс медицины - великое благо для человечества. но слишком уж часто он связан с недопустимыми, безнравственными, а то и преступными деяниями - экспериментами на юдях".
Г. Ратнер
Неизлечимых болезней больше не будет
Интервью корреспондентки журнала "2000" Ирины Барадецкой с психологом, членом Русского психоаналитического общества Владимиром Осиповым.
"2000": В Соединенных Штатах 50% американцев в ходе социологических опросов называли деятельность участников проекта "Геном человека" аморальной, неэтичной, направленной против человека. Вы согласны с такой трактовкой работы ученых?
В.О.: Мне кажется, что этика и научные исследования находятся в несколько разных плоскостях. Это как создание атомной бомбы. Ученый, совершивший открытие, не виноват в том, как оно будет использоваться. Я смотрю на открытия генетиков как некое познание мира и законов. И если мы будем знать эти законы, то это не значит, что мы себя от чего-то обезопасим. Само по себе открытие генетиков несет так много положительных моментов, что будет преступлением не использовать этот шанс для лечения и предотвращения многих генетических заболеваний.
"2000": А что именно дает миру расшифровка генома?
В.О.: Прежде всего, это сверх ранняя диагностика, которая поможет более успешному лечению болезней, передаваемых наследственным путем. Будут найдены лекарства от рака, диабета, астмы, эпилепсии, сердечно- сосудистых заболеваний и многих других недугов, против которых сегодняшняя медицина бессильна. Кроме того, появится возможность разобраться в механизме старения, увеличить среднюю продолжительность жизни. Ведь сегодня в мире каждый сотый ребенок рождается с врожденными пороками развития, наследственными болезнями.
Генетический анализ плода на ранних стадиях беременности позволит избежать рождения детей с тяжелыми патологиями. И речь уже идет не только о прерывании беременности, но и о возможном устранении дефекта in utero. Изучение и описание генного аппарата человека также обещает прорыв в области фармакологии, в частности в производстве нового поколения медикаментов, предназначенных определенным группам пациентов в соответствии с их индивидуальными особенностями. Как полагают врачи, предварительное генетическое исследование позволит начать наиболее эффективное и безвредное для данного пациента "персональное лекарство".
Изучением особенностей строения ДНК уже занимается целая новая отрасль - фармокогенетика. Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для индифекции личности. Уже разработан метод "генетической дактилоскопии". По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК - точно устанавливать родство по материнской линии.
"2000": Кто может иметь доступ к генетической информации, полученной в ходе тестирования, кому принадлежит право собственности на эту информацию и образцы, собранные при проведении тестов?
В.О.: Данные, полученные в ходе просеивания, заинтересуют многих: органы трудоустройства, образования, правоохранительные и судебные органы, социальные службы и страховые компании. Все это создает угрозу бесцеремонного вторжения в тайну личности, дискриминации по генетическим признакам и нуждается в этико-правовой регламентации.
"2000": Не менее трудный вопрос - что произойдет с человеком, если он узнает о возможной предрасположенности к какой- либо болезни?
В.О.: Недавно в докладе рабочей группы по психическим расстройствам и генетике при Наффилдском совете по биоэтике (Великобритания) говорилось о недопустимости попыток использования генетического тестирования для предсказания предрасположенности к распространенным заболеваниям, таким, как шизофрения или болезнь Альцгеймера. Это. считают британские биоэтики, может ввести в заблуждение: люди, у которых подобные гены обнаружатся, будут думать, что они обречены.
И это может быть тяжелым испытанием для психики. Еще одна проблема связана с воздействием на генетический аппарат не только пациента, но и его потомков. До сих пор все международные конвенции провозглашают, что такое вмешательство недопустимо, поскольку право человека на естественный неизменный геном - это одна из сторон его права на сохранение человеческого достоинства.
"2000": А что произойдет, если со временем всех будут подвергать обязательному генетическому тестированию?
В.О.: смотря как эта информация будет использоваться. Вот, например, в армии США знают ДНК своих солдат и могут определить, кто действительно погиб, а не сваливать всех в одну яму. Мне кажется. это зависит от тех норм морали, которые мы сами в себе несем.
"2000": Почему на сегодняшний день у открытия генетиков больше противников, чем сторонников? Откуда такой консерватизм и неприятие новаций?
В.О.: Подобная реакция опирается на боязнь непредсказуемости результатов. То, что этот метод может быть использован во вред кому-то, - не аргумент, ибо во вред может быть использовано все, что угодно: вилка, нож, электродрель. Однако никто не запрещает их выпускать. Кроме того, если удалось запретить применение ядерного и химического оружия, то почему этого нельзя сделать и в отношении генной терапии? Во всем этом есть одна серьезная психологическая проблема. Открытия генетиков - это в какой-то степени четвертый удар по мировоззрению человека.
Сначала выяснили, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Затем - теория происхождения видов Дарвина, Фрейд заговорил о сексуальном. И вдруг выясняется, что есть возможность заглянуть внутрь человека и что-то там исправить. Люди начинают чувствовать себя беспомощными участниками эксперимента. Все боятся какого-то ошеломляющего результата, что мы узнаем о себе такое, что изменит само представление о нас и о нашем месте в мире.
Статья журнала "2000"
Нечто интересное
Клетки человека. Через 40 лет после смерти Генриетты Лакс клетки ее организма все еще остаются живыми. Из них была выделена одиночная клетка, в которой не хватало хромосомы - 11; последняя как теперь известно, подавляет процесс появления новообразований. В результате эта клетка оказывается бессмертной и служит ценным объектом медико-биологических исследований.
"Книга рекордов Гиннесса"
superbotanik.net
