Геном человека

1. Геном человека.

Согласно центральной  догме молекулярной биологии, основная программа химических процессов, происходящих в любом организме (в том числе  организме человека), записана в  последовательности пар оснований  молекулы ДНК. В некотором смысле, если вы узнаете последовательность пар оснований, то она расскажет  вам все о химических реакциях и наследственной информации данного  вида. В 1986 году группа ученых в США  начала работу над проектом, позднее названным "Геном человека". Цель этого проекта заключалась в том, чтобы представить в виде карты полную последовательность (геном) ДНК человека. Однако в 1980-е годы технологии были слишком примитивными для решения этой задачи. Предполагалось, что стоимость проекта будет очень велика и что задача будет решена не ранее 2005 года. Однако, после первого года работы стало ясно, что скорости секвенирования ДНК очень низкие и для полного завершения работы такими темпами потребуется около 100 лет.

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

В то время среди биологов было много противников этого  проекта. Биологи всерьез опасались, что их всех заставят бесконечное  количество раз выполнять скучные  операции с ДНК человека. Такие  опасения рассеялись после появления  новых технологий, позволивших передать машинам рутинную работу по определению  последовательности.

1990-е годы вошли в  историю как годы уверенного  совершенствования наших возможностей  определять последовательность  полных геномов. Так, в 1985 году  Институтом изучения генома в  Роквилле, штат Мэриленд, была опубликована первая полная последовательность ДНК живого организма - бактерии Haemophilus influenza. На определение всей последовательности у ученых ушло несколько лет.

За этой бактерий вскоре последовали другие организмы. В 1996 году был определен первый геном  эукариотической клетки (т. е. сложноорганизованной клетки, ДНК которой заключена в ядре) - клетки дрожжей Ѕаccharomyces cerevisiae. В 1998 году была опубликована первая последовательность ДНК ( многоклеточного организма- плоского червя Caenorhabditis elegans. Каждое такое достижение требовало определения все более и более длинной последовательности и было важной вехой на пути к определению собственно генома человека.

Наконец, настал черед генома млекопитающих: мыши и человека. Когда в 1988 г. году Джеймс Уотсон возглавил проект чтения полного генома человека в Институте Национального Здоровья (NIH) в США многие ученые скептически относились к этой идее. Подобный проект требовал колоссальных вложений денег и времени и, учитывая ограниченные возможности существовавших машин для чтения геномов, многим казался просто не выполнимым. С другой стороны проект обещал революционные изменения в медицине и понимании устройства человеческого организма, но и здесь были свои проблемы. Дело в том, что в тот момент не существовало какой-либо точной оценки количества генов у человека. Многие полагали, что сложность устройства человеческого организма указывает на наличие у него сотен тысяч генов, а может и несколько миллионов, а, следовательно, разобраться в таком количестве генов, даже если их последовательности удастся прочитать, будет непосильной задачей. Именно в наличии большого , количества генов многие предполагали принципиальное отличие человека от других животных - представление, впоследствии опровергнутое проектом генома человека. В 2001 году был опубликован предварительный вариант генома со стороны государственного геномного проекта и Селеры. Тогда была сделана предварительная оценка количества генов в геноме человека, 30-40 тысяч. В 2004 году вышла окончательная версия генома, почти на два года раньше, чем следовало по плану. В последней статье было сказано, что количества генов у человека предположительно составляет лишь 20-25 тысяч. Это число сравнимо с другими животными, в частности с червяком Caenorhabditis elegans.

Практически никто не угадал, что количество генов, обеспечивающих работу нашего организма, может быть столь мало. Позже стали известны и другие подробности: геном человека имеет длину около трех миллиардов нуклеотидов, большую часть генома составляют всевозможные повторы и  не кодирующие последовательности. Их многие исследователи называли junk-ДНК (хлам, утиль). И считали что эти участки секвенировать незачем. Однако были ученые, например, Сидней Бреннер, которые указывали, что у нас есть удивительный результат, что большинство генома человека - это junk, но не garbage (мусор, кухонные отходы), и между понятиями junk и garbage есть разница, которую каждый знает: junk хранят, а garbagе выкидывают. Лишь небольшая часть генома действительно содержит гены - участки ДНК, с которых считываются функциональные молекулы РНК. Интересный факт, что по мере увеличения знаний о геноме человека, число предполагаемых генов только сокращалось: многие потенциальные гены оказывались псевдогенами (не работающими генами), в других случаях несколько генов оказывались частью одного и того же гена.

Важной фигурой в этом процессе стал Крейг Вентер, основавший позднее частную корпорацию "Целерон" (Сеleron). Первым человеком, для которого прочитали полный индивидуальный геном, стал именно он. Вентер внедрил в науку метод определения последовательности ДНК, позднее названный «методом беспорядочной стрельбы». Суть метода в том, что определяемую ДНК организма разбивают на множество небольших фрагментов, каждый из которых вводят в автомат, определяющий последовательность ДНК. Нечто похожее получится, если разодрать книгу по страницам и раздать их разным читателям. После того как будут определены последовательности каждого фрагмента, В действие вводят сложнейшие компьютерные программы, заново собирающие исходную последовательность. Такое интенсивное использование информационных технологий объясняет, почему многие ученые называют новую область исследований генома биоинформационной, а не биомолекулярной революцией.

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.

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 труппы.

Такой подход связывает геномику с историей, лингвистикой, археологией, палеонтологией, 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.

В июне 2000 года Крейг Вентер и Фрэнсис Коллин, руководитель проекта «Геном человека», осуществлявшегося в национальных институтах здоровья США, объявили о событии, названном ими «первой сборкой генома человека». По существу, это была первая реконструкция полного генома человека, выполненная методом беспорядочной стрельбы. Несколькими месяцами позже, в феврале 2001 года, был опубликован первый предварительный набросок генома человека. Геном был расшифрован так, что можно было сравнить хромосомы Вентера, доставшиеся ему от обоих родителей. Так было выяснено, что между одним и другим набором хромосом внутри одного человека существует около трех миллионов однобуквенных нуклеотидных отличий, не считая огромного количества крупных варьирующих участков. Год спустя опубликован полный диплоидный геном Джеймса Уотсона. Геном Уотсона содержал 3.3 миллиона однобуквенных замен по сравнению с аннотированным геномом человека, из которых более 10000 вели к изменением в белках, которые кодируют его гены. Геном Уотсона обошелся в 1 миллион долларов, то есть цена на чтение геномов упала более чем в 3000 раз за 10 лет, но и это не предел. Сегодня перед учеными стоит задача “1 геном - 1000 Ѕ - 1 день” и она уже не кажется невыполнимой с появлением новых технологий секвенирования. Обнаружились некоторые удивительные факты.

Например, давно было известно, что большая часть ДНК человека не входит в состав генов. Новые результаты показали, что ДНК человека содержит удивительно небольшое количество генов- порядка 30 000-50 000 генов. («удивительно››, потому что ученые ожидали значительно  более высоких требований к генетической структуре такого сложного организма, каким является человек). Однако эти  гены не организованы в одну длинную  последовательность, а состоят из кодирующих участков, называемых экзонами, с вкраплениями случайных последовательностей - интронов. Выясняется, что аппарат, осуществляющий сборку белка, закодированного геном с последовательностью описанного типа, осуществляется выбор между несколькими вариантами компоновки белка . Так, каждый ген человека кодирует приблизительно три различных белка, а не один белок, как можно было предположить, основываясь на центральной догме молекулярной биологии.

Можно считать, что на первом этапе проекта "Геном человека" была расшифрована книга жизни. На следующем этапе предстоит выяснить, что представляют собой все гены и как кодируемые ими белки объединяются, образуя биологический портрет человека. По оценкам ученых, на то, чтобы добыть все данные и понять все механизмы реализации генома человека, потребуется еще одно столетие.

В ходе выполнения проекта "Геном  человека" было разработано много  новых методов исследования, большинство  из которых значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке  ДНК. Эти методы анализа сейчас используются в медицине, криминалистике и т.д.

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

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 функционального картирования, клонирования и секвенирования. Структурный и функциональный анализ вновь найденных генов и регуляции их активности.

3. Установление cause-and-affect генетических отношений между генами и предрасположенностью к широко распространенным 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 основе знания 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, этических, законодательных, правовых, социальных и других аспектов исследований генома и использования 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.

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

В геноме женщин содержится лишь 23 хромосомы из 24-х, и все  они представлены в соматических клетках двумя экземплярами. У мужчин в клетках содержится полная Энциклопедия человека, все 24 хромосомы, но две из них (хромосомы Х и У) существуют в единичных экземплярах. Разные хромосомы сильно отличаются друг от друга по числу и свойствам генов (в первой, самой большой, хромосоме содержится 263 млн. п.н., составляющих 2237 гена, а в 21 хромосоме - 50 млн.п.н. и 82 гена).

Также отличаются хромосомы и по важности записанной в них информации. Число генов, ассоциируемых с различными болезнями больше всего в Х хромосоме - 208; в 1 хромосоме - 157; и в 11 хромосоме - 135. Меньше всего таких генов в У хромосомы - всего 3. Тем не менее, только совокупность всех хромосом обеспечивает клетки полной информацией, позволяющей человеку нормально развиваться и жить. В отсутствие любой из пар хромосом жизнь конкретного индивидуума становится невозможной. При потере по каким-либо причинам только одной из пары хромосом состояние человека сильно отличается от нормы.