BEIM Ein kleiner Adeno-assoziierter Virus (AAV) wird als möglicher Vektor in Betracht gezogen, da er im Gegensatz zu Adenoviren keine Krankheit verursacht. Es trägt das Gen jedoch nicht. Um es als Vektor zu verbessern, werden Experimente zur Bestrahlung und chemischen Modifikation durchgeführt. Andere Labore experimentieren mit CFTR-Retroviren, da diese Viren ihr Genom auf natürliche Weise in Wirtszellen einfügen.

Es bleibt jedoch die Frage, ob eine normale Synthese des CFTR-Proteins bakterielle Infektionen der Lunge beseitigen wird, die für 90 % der Morbidität und Mortalität verantwortlich sind. Es gibt allen Grund zu hoffen, dass die Gentechnik diese Aufgabe erfolgreich meistern wird. Ein Protein in der Lunge, dessen Funktion darin besteht, fremde Zellen zu zerstören, wird bei einer erhöhten Salzkonzentration nicht aktiviert (das ist nämlich das, was Mukoviszidose charakterisiert); aber sobald das CFTR beginnt, sein Produkt zu produzieren, nimmt die Salzkonzentration ab und das Protein wird aktiviert.

BEIM Gegenwärtig werden Gentherapieverfahren für die Behandlung anderer Erbkrankheiten entwickelt. Bei Funktionsstörungen von Blutzellen können diese also in ein Kulturmedium umgewandelt und eingebracht werden

das Knochenmark des Patienten in seine natürliche Umgebung. Zweifellos werden einige der Entwicklungen von Erfolg gekrönt sein und in den kommenden Jahren zur gängigen medizinischen Praxis werden.

All diese Tatsachen sind Beispiele für die sog somatische Gentherapie, das heißt, sie werden auf den Körper (Soma) des Patienten in der Hoffnung aufgebracht, dass eine ausreichende Anzahl von Zellen erhalten wird, die in der Lage sind, normale Funktionen auszuführen. Der Patient kann sich erholen, aber das Risiko, unerwünschte Gene an die Nachkommen weiterzugeben, bleibt bestehen, da die Keimzellen auf diese Weise nicht verändert werden. Keimzelltherapie zielt darauf ab, den gesamten Organismus zu verändern, einschließlich der Drüsen, die Geschlechtszellen produzieren. Der (theoretisch) einfachste Weg ist, die befruchtete Eizelle zu modifizieren, indem man ihr ein geeignetes Transgen einfügt. Ein solches Vorgehen ist bereits möglich und wurde erfolgreich an Versuchstieren wie Mäusen durchgeführt. Aber kann es auf eine Person angewendet werden und vor allem lohnt es sich? Dies ist ein ernsthaftes ethisches Problem, und einige Moralisten argumentieren, dass, wenn die somatische Gentherapie ethisch vertretbar ist, das Spielen mit dem menschlichen Genom und das Verändern des Gensets unserer Nachkommen inakzeptabel ist, weshalb solche Verfahren verboten werden sollten.

Genomik - die Untersuchung des gesamten Genoms

Jüngste Fortschritte bei der Sequenzierung und die Entwicklung technischer Mittel zur Verarbeitung einer großen Anzahl von Klonen in einer Genbibliothek haben es Wissenschaftlern ermöglicht, das gesamte Genom eines Organismus auf einmal zu untersuchen. Inzwischen sind die vollständigen Sequenzen vieler Arten bestimmt worden, darunter die meisten sogenannten genetischen Modellorganismen wie E. coli, der Spulwurm Caenorhabditis elegans;

und natürlich das klassische Objekt der Genetik, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. In den 1990er Jahren wurde trotz einer Reihe von Unruhen und Kontroversen ein Projekt zur Erforschung des menschlichen Genoms („Human Genome“) gestartet, das von den National Institutes of Health finanziert wurde. Im Februar

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Im Jahr 2001 gab eine große Gruppe von Forschern unter der Leitung von J. Craig Venter vom Privatlabor Celera Genomics eine Erklärung zur vorläufigen Entschlüsselung des menschlichen Genoms ab. Das Ergebnis ihrer Arbeit wurde am 16. Februar 2001 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Eine andere Version, eingereicht von einer Gruppe des International Human Genome Sequencing Consortium, wurde am 13. Februar 2001 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Als Geburtsstunde der Genomik kann die Mitte des 20. Jahrhunderts angesehen werden, als Genetiker alle Chromosomen von Modellorganismen anhand der Häufigkeit von Rekombinationen kartierten (siehe Kapitel 8). Diese Karten zeigten jedoch nur die Gene, für die mutierte Allele bekannt waren, und daher können solche Karten nicht als vollständig bezeichnet werden. Die vollständige DNA-Sequenzierung ermöglicht es Ihnen, alle Gene in einem Organismus zu lokalisieren und die Abfolge der Basen zwischen ihnen festzulegen.

Die Genomik ist in strukturelle und funktionelle unterteilt. Die Strukturgenomik zielt darauf ab, herauszufinden, wo genau sich bestimmte Gene in der chromosomalen DNA befinden. Computerprogramme erkennen die typischen Anfänge und Enden von Genen und wählen diejenigen Sequenzen aus, die am wahrscheinlichsten Gene sind. Solche Sequenzen werden aufgerufen offenen Leserahmen(offen

Leserahmen, OFR ). Dieselben Computerprogramme können auch typische Introns in OFR-Sequenzen erkennen. Nachdem die Introns aus dem potenziellen Gen isoliert wurden, verwendet der Computer den verbleibenden Code, um die Sequenz der Aminosäuren im Protein zu bestimmen. Anschließend werden diese potentiellen Proteine ​​mit solchen Proteinen verglichen, deren Funktionen bereits bekannt sind und deren Sequenzen bereits in die Datenbank eingetragen sind. Dank dieser Art von Programmen, den sogenannten Evolutionärer Konservatismus: dass es für die meisten Gene in verschiedenen Organismen ähnliche Gene gibt. Aus Sicht der evolutionären Entwicklung ist diese Ähnlichkeit verständlich: Wenn ein Protein einer biologischen Art für seine Funktionen gut angepasst ist, dann wird sein Gen in gleicher Form oder mit geringfügigen Änderungen auf die von der ursprünglichen Art abstammende Art übertragen. Evolutionärer Konservatismus ermöglicht die Identifizierung von Genen, die mit einem bestimmten Gen in anderen Organismen verwandt sind. Durch den Vergleich des resultierenden Gens mit bereits bekannten ist es oft möglich, seine Funktion zu bestimmen, was notwendigerweise in späteren Experimenten überprüft werden muss.

Sobald alle potenziellen Gene identifiziert wurden, beginnt die genetische Kartierung. Die genetische Karte des Menschen ist ein recht unübersichtliches und kunterbuntes Diagramm, da jedes Gen je nach Funktion mit einer bestimmten Farbe markiert ist, die im Vergleich zu anderen bekannten Genen festgelegt ist. Die meisten menschlichen Gene, wie die Gene aller Eukaryoten im Allgemeinen, haben große Introns. Nach groben Schätzungen sind unter den veröffentlichten Sequenzen etwa ein Drittel bis ein Viertel Introns. Seltsamerweise sind nur etwa 1,5 % des gesamten menschlichen Genoms (etwa 2,9 x 109 Paare

Basen) enthalten Sequenzen (Exons), die für Proteine ​​kodieren. Außerdem scheint diese DNA nur 35.000-45.000 Gene zu enthalten, was weniger ist als vorhergesagt. Wir müssen noch verstehen, wie eine relativ kleine Anzahl von Genen für einen so komplexen Organismus kodiert.

Zwei Drittel bis drei Viertel des Genoms befinden sich in der Weite

Genetik / Barton Guttman, Anthony Griffiths, David Suzuki, Tara Cullis. - M.: FAIR-

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Die Anzahl der Kopien repetitiver DNA bei verschiedenen Menschen ist nicht gleich, daher können sie zur Feststellung der Identität verwendet werden, auch in der Gerichtsmedizin.

funktionelle Genomik

funktionelle Genomik ist die Untersuchung der Genfunktion auf der Ebene des gesamten Genoms. Obwohl potenzielle Gene durch ihre Ähnlichkeit mit Genen identifiziert werden können, die bekannte Funktionen in anderen Organismen erfüllen, sollten alle Vermutungen gegen den untersuchten Organismus getestet werden. In manchen Modellorganismen, wie zum Beispiel Nährhefe, ist es möglich, die Funktion von Genen wiederum systematisch auszuschalten: Das Ausschalten eines Gens geschieht, indem man seine funktionsfähige Form durch eine gelöschte Form auf einem speziellen Vektor ersetzt. Besorgen Sie sich dann eine Sorte mit einem deaktivierten Gen und bewerten Sie ihren Phänotyp. In einem laufenden Programm zur Analyse des Nährhefegenoms wurden mehrere tausend Gene eines nach dem anderen ausgeschaltet.

Eine andere Methode der funktionellen Genomik besteht darin, den Mechanismus der Transkription auf der Ebene des gesamten Genoms zu untersuchen. Diese Methode basiert auf der Annahme, dass die meisten biologischen Phänomene komplexe Prozesse sind, an denen viele Gene beteiligt sind. Von besonderem Interesse für die Forschung sind die Prozesse im Zusammenhang mit der Entwicklung des Organismus, die wir in Kap. 11. Wenn die Transkription von Genen unter verschiedenen Wachstumsbedingungen untersucht wird, kann man sich ein Bild von den vollständigen genetischen Wegen der Entwicklung eines Organismus machen.

Aber wie kann die Transkription auf genomweiter Ebene untersucht werden? Auch hier helfen neue Technologien Wissenschaftlern dabei. Die DNA jedes Gens im Genom oder eines Teils des Genoms wird auf der Oberfläche von kleinen Glasplatten angeordnet, die der Reihe nach angeordnet sind. Dann werden sie allen Arten von mRNA ausgesetzt, die in der Zelle dieses Organismus vorkommen. DNA auf den Platten wird in zwei erhalten

Wege. Bei einem Verfahren werden alle mRNAs revers transkribiert, um kurze komplementäre DNA-Moleküle zu produzieren, die einem einzelnen Gen entsprechen. Auf andere Weise werden Gene (oder Teile von Genen) Base für Base in bestimmten Bereichen der Platten synthetisiert. Die Synthese wird von Robotern durchgeführt, die sich öffnen und schließen

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Glasoberfläche in einer bestimmten Reihenfolge. Aufzeichnungen mit dem Genom vieler Organismen können von Chemieunternehmen erworben werden.

Um den Transkriptionsmechanismus zu untersuchen, werden alle mRNAs eines bestimmten Entwicklungsstadiums mit einem fluoreszierenden Marker markiert und über die Oberfläche der Platten verteilt. Diese mRNAs heften sich an ihre jeweilige DNA und sind an ihren leuchtenden Flecken zu erkennen. Da die Position der DNA jedes einzelnen Gens auf den Platten im Voraus bekannt ist, bestimmt der Computer, welche Gene in einem bestimmten Entwicklungsstadium transkribiert werden.

Mit Hilfe dieser und anderer Technologien beginnen Genetiker, die allgemeinen Modelle der Organisation des Lebendigen von der funktionellen und strukturellen Seite her zu ergründen. Um eine riesige Menge an Informationen zu verarbeiten, entstand ein spezieller Wissenschaftszweig - die Bioinformatik. Die kommenden Jahrzehnte versprechen eine Zeit wirklich großer Entdeckungen zu werden.

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Untersuchungen der räumlichen Anordnung von DNA in Chromosomen haben unerwartete, bisher unbekannte Ursachen für schwere Erkrankungen des Menschen aufgedeckt.

Die Entstehung der 3D-Genomik

In den Jahrzehnten, die seit dem Nachweis der genetischen Funktion der DNA in den 1940er Jahren vergangen sind, blieb die Vorstellung unverändert, dass das Maß für den Abstand zwischen beliebigen Teilen des Genoms die Länge der DNA-Kette ist, die sie trennt. Heute wissen wir, dass die Fähigkeit der DNA, Schleifen und andere komplexe Strukturen zu bilden, es ermöglicht, dass Gene und Genomelemente, die ihre Arbeit steuern (Enhancer), im Raum des Zellkerns nahe beieinander liegen, auch wenn sie durch getrennt sind ein verlängertes DNA-Fragment (Abb. 1).

In den letzten Jahren sind neue Ansätze entstanden, die es erlauben, die Faltung genomischer DNA im Zellkern zu untersuchen. Dies markierte den Beginn der Entwicklung der wissenschaftlichen Richtung, die wir 3D-Genomik nennen. Mit diesen Ansätzen wurde gezeigt, dass Chromosomen in strukturelle und funktionelle Blöcke – topologisch assoziierte Domänen (TADs) – unterteilt sind. Genomregionen eines TADs treten viel häufiger miteinander in Kontakt als mit Regionen benachbarter TADs. Dadurch ist es möglich, TADs als relativ dichte Knäuel von DNA-Strängen darzustellen. Die Ergebnisse vieler Experimente zeigen, dass ein Enhancer nur Gene aktivieren kann, die sich innerhalb des TAD befinden, wo sein Enhancer lokalisiert ist.

Somit spielen TADs eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Genaktivität. Die Entfernung oder Beschädigung des DNA-Segments, das benachbarte TADs trennt, ermöglicht es dem Enhancer, Gene zu aktivieren, die normalerweise in diesem Zelltyp nicht funktionieren, was zu schweren Krankheiten wie Krebs, Verletzungen der Bildung von Geschlechtsmerkmalen und Fehlfunktionen in der Embryonalentwicklung führen kann (Abb 2).

Wo sind die Grenzen zwischen TADs

Doch was sorgt für die Teilung des Genoms in TADs? Die Arbeit unseres Labors hat wesentlich zur Lösung dieses Problems beigetragen. Wir fanden heraus, dass die Organisation von genomischer DNA zu TADs weitgehend spontan ist und einfachen physikalischen Gesetzen unterliegt. Unsere Arbeit wurde in einer renommierten internationalen Zeitschrift veröffentlicht Genomforschung(Sergey V. Ulianov et al. Aktives Chromatin und Transkription spielen eine Schlüsselrolle bei der Chromosomenpartitionierung in topologisch assoziierende Domänen // Genomforschung, 2016, 26, p. 70–84, doi: 10.1101/gr.196006.115), wurde in Presse und Fernsehen viel über sie gesprochen.

Die Essenz unserer Ergebnisse ist, dass die Grenzen von TADs Genomregionen sind, die „Haushalts“-Gene enthalten, d. h. Gene, die in allen Zelltypen funktionieren und notwendig sind, um grundlegende zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten. Aufgrund einer Reihe von Merkmalen können sich solche Regionen des Genoms nicht zu dichten Kügelchen falten, wodurch eine „Markierung“ der Grenzen von TADs im Genom entsteht.

Es ist wichtig anzumerken, dass wir zusätzlich zu verschiedenen biochemischen Techniken die Modellierung der Genomstruktur auf dem Lomonosov-Supercomputer der Moskauer Staatsuniversität verwendet haben, und die Ergebnisse dieser Modellierung zeigen deutlich, dass die DNA-Faltung in einzelnen Zellen sehr unterschiedlich sein kann (Abb. 3).

Von Zellpopulationen zu einzelnen Zellen

In den allermeisten Fällen müssen in der molekularbiologischen Forschung Hunderttausende und sogar Millionen von Zellen in jedem Experiment eingesetzt werden. Dies liegt daran, dass es in einer Zelle nur sehr wenige untersuchte Moleküle gibt, was es extrem schwierig macht, mit ihnen zu arbeiten.

Beispielsweise beträgt die Menge an genomischer DNA in einer menschlichen Zelle etwa hunderttausend Millionen Mal weniger als ein Gramm. Die Arbeit mit einer großen Anzahl von Zellen führt dazu, dass die im Experiment erzielten Ergebnisse in der Regel die Ermittlung der durchschnittlichen, typischsten Werte bestimmter Parameter der Zellphysiologie ermöglichen. Die gewonnenen Informationen können gewissermaßen mit der „Durchschnittstemperatur“ von Patienten in einem Krankenhaus verglichen werden.

Wenn Sie mit einer großen Anzahl von Zellen arbeiten, können Sie in der Regel die durchschnittlichen, typischsten Werte bestimmter Parameter der Zellphysiologie festlegen, z. B. die „Durchschnittstemperatur“ von Patienten in einem Krankenhaus

Zweifellos haben die Ergebnisse von Untersuchungen an Zellpopulationen es ermöglicht, viele wichtige Regelmäßigkeiten festzustellen. Es ist jedoch bekannt, dass Zellen des gleichen Typs, die unter dem Mikroskop genau gleich aussehen, sich in vielen verschiedenen biochemischen Parametern unterscheiden können. Untersuchungen zur Funktionsweise des Genoms in einer einzelnen Zelle entwickeln sich zum „Trend der Zeit“ und haben bereits wesentlich dazu beigetragen, zu verstehen, wie die Feinabstimmung unseres Erbguts erfolgt. Diese Forschung beeinflusst auch die Entwicklung von Medikamenten, da beispielsweise Ereignisse, die in einem sehr kleinen Anteil von Zellen auftreten, die Entstehung von Tumoren auslösen können. Bei der Untersuchung großer Zellpopulationen bleiben solche Ereignisse oft unbemerkt.

In Zusammenarbeit mit österreichischen und amerikanischen Kollegen haben wir einen neuen experimentellen Ansatz entwickelt, der es uns erlaubt, die Genomfaltung in einzelnen Zellen zu analysieren. Mit diesem Ansatz konnten wir wesentlich detailliertere Karten der räumlichen Organisation des Mausgenoms erstellen als in der bisherigen Arbeit unserer englischen Kollegen. Eine Analyse der gewonnenen Daten, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur(Ilya M. Flyamer et al. Single-nucleus Hi-C enthüllt einzigartige Chromatin-Reorganisation beim Übergang von Eizelle zu Zygote // Natur, 544, p. 110–114, doi: 10.1038/nature21711 ), lieferten starke Hinweise darauf, dass die Genomfaltung in einzelnen Zellen signifikant unterschiedlich ist (Abb. 4). Dies deutet unseres Erachtens auf eine ständige Aufzählung verschiedener genomischer Konfigurationen in der Zelle hin, was die Möglichkeit einer schnellen Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen bietet.

Obwohl es in den meisten Fällen einfacher ist, eine Zellpopulation zu untersuchen als einzelne Zellen, kann der Populationsansatz für einige Zelltypen überhaupt nicht verwendet werden, da diese Zellen sozusagen Stückware sind. Mit unserem experimentellen Ansatz konnten wir die Faltung der väterlichen und mütterlichen Genome in befruchteten Mäuseeiern (Zygoten) untersuchen.

Völlig unerwartet für uns selbst fanden wir heraus, dass sich die Faltung der genomischen DNA im mütterlichen Zellkern in der Zygote grundlegend von der Faltung des Genoms in den Zellkernen anderer Zelltypen unterscheidet. In den Zellkernen aller anderen untersuchten Zelltypen sind die aktiven und „stummen“ Regionen des Genoms räumlich voneinander isoliert. Im mütterlichen Kern der Zygote wird dies dagegen nicht beobachtet. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Konfiguration des Genoms im mütterlichen Kern die grundlegendste ist, die dem sogenannten Zustand der Totipotenz entspricht, der es ermöglicht, während der Embryonalentwicklung viele verschiedene Zelltypen eines erwachsenen Organismus aus einer Zygote zu gewinnen.

Die räumliche Konfiguration des Genoms im mütterlichen Kern ist die grundlegendste und ermöglicht es Ihnen, aus einer befruchteten Eizelle viele verschiedene Arten von Zellen in einem erwachsenen Organismus zu gewinnen.

3D-Genomik und Medizin

Wenn über Neuigkeiten aus der Molekularbiologie gesprochen wird, spricht man in der Regel vom „menschlichen Genom“ oder „menschlicher genomischer DNA“ oder einfach von DNA. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Kerne von Zellen in unserem Körper normalerweise 23 verschiedene DNA-Moleküle enthalten, von denen jedes ein separates Chromosom bildet, und zusammen werden sie als Genom bezeichnet.

Jedes Chromosom ist für es auf eine bestimmte, einzigartige Weise gefaltet und so im Zellkern angeordnet, dass sich das von ihm eingenommene Territorium praktisch nicht mit den Territorien benachbarter Chromosomen überschneidet. In diesem Sinne ähnelt der Zellkern dem Globus, auf dem es viele Staaten gibt, die bestimmte Territorien besetzen und durch Grenzen getrennt sind.

Die Geschichte kennt viele Beispiele dafür, wie Ereignisse in einem Staat das Leben in Nachbarländern und die Weltpolitik im Allgemeinen direkt beeinflusst haben. Im Zellkern ist die Situation ungefähr gleich. Jegliche Änderungen in der Arbeit des Genoms, sei es der Beginn oder die Unterdrückung der Expression einzelner Gene oder das Auftreten zusätzlicher Kopien bestimmter Chromosomen, können die Arbeit von Genen beeinträchtigen, die von diesen Änderungen nicht direkt betroffen sind und sich in andere Chromosomenzustände.

Als Beispiel können wir auf die Ergebnisse der Arbeit verweisen, die wir mit unseren französischen Kollegen vom Gustave-Roussy-Institut durchgeführt haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in der renommierten Fachzeitschrift Hämatologie veröffentlicht Blut(Jeanne Allinne et al. Perinukleoläre Relokalisierung und Nukleolin als entscheidende Ereignisse bei der transkriptionellen Aktivierung von Schlüsselgenen beim Mantelzell-Lymphom // Blut, V. 123, 13, p. 2044–2053 doi:10.1182/Blut-2013-06-510511). Wir haben überzeugend gezeigt, dass die einfache Bewegung eines bestimmten Gens von einer Region des Zellkerns in eine andere dazu führen kann, dass es in Zellen aktiviert wird, wo es normalerweise nicht funktionieren würde. Dies setzt eine ganze Kaskade von Prozessen in Gang, die schließlich zur Entstehung von Leukämie führen, deren Ursachen ohne Berücksichtigung der räumlichen Struktur des Genoms nur schwer zu verstehen wären.

Allein das Verschieben eines bestimmten Gens von einer Region des Zellkerns in eine andere kann eine ganze Kaskade von Prozessen in Gang setzen, die schließlich zur Entwicklung von Leukämie führen.

Es ist wichtig festzuhalten, dass die Entdeckung eines grundlegend neuen Mechanismus für das Auftreten von Leukämie die Grundlage für die Entwicklung von Wegen zur Bekämpfung dieser Krankheiten schafft. Daher sind Untersuchungen der genomischen DNA-Faltung im Zellkern nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Medizin von Interesse und tragen zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen verschiedener Pathologien bei.

Evolution der 3D-Organisation des Genoms

Da die dreidimensionale Organisation des Genoms eines der Werkzeuge zur Regulierung der Genexpression ist, muss sie Gegenstand der Evolution sein. In einer kürzlich in unserem Labor durchgeführten Arbeit, deren Ergebnisse in einer hoch angesehenen internationalen Zeitschrift veröffentlicht wurden (Anastasia P. Kovina et al. Evolution of the Genome 3D Organization: Comparison of Fused and Segregated Globin Gene Clusters // Molekularbiologie und Evolution, V. 34, 6, p. 1492–1504, doi: 10.1093/molbev/msx100), haben wir gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Am Beispiel der Evolution von Vertebraten-Globin-Genclustern haben wir gezeigt, dass beim Aufstieg auf der Evolutionsleiter lineare Segmente von Chromosomen verloren gehen, während zu Globuli (Coils) organisierte Segmente erhalten bleiben (Abb. 5).

Dies ist höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass bei Säugetieren die Rolle von Remote-Enhancern bei der Regulation der Genaktivität signifikant zunimmt. Die Herstellung von Kontakten zwischen solchen Enhancern und den von ihnen kontrollierten Genen wird durch die Bildung von DNA-Schleifen gewährleistet, was zur Bildung von Globuli führt.

Bei Wirbeltieren gehen die linearen Segmente der Chromosomen auf dem Weg nach oben auf der Evolutionsleiter verloren, während die Segmente, die in Kügelchen (Tangles) organisiert sind, erhalten bleiben.

Schlussbemerkungen

In den letzten Jahren wurde die heimische Wissenschaft oft und vielfach zu Recht wegen ihrer geringen Produktivität und ihres Mangels an Arbeiten auf internationalem Niveau kritisiert. Oben haben wir gezeigt, wie ein relativ kleines heimisches Labor erfolgreich an der Spitze der Weltwissenschaft arbeitet und die Ergebnisse seiner Arbeit systematisch in den renommiertesten internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Die Umsetzung aller oben genannten Arbeiten wurde dank eines großen Zuschusses der Russian Science Foundation ermöglicht. Der Wert einer solchen Unterstützung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden, nicht nur, weil sie die Möglichkeit bietet, kostspielige Arbeiten durchzuführen, wie z. B. umfangreiche DNA-Sequenzierungen. Aber was noch wichtiger ist, diese Stipendien bieten die Möglichkeit, junge Forscher für die Arbeit zu gewinnen, und bieten eine vernünftige Alternative zum Auslandsaufenthalt. Zumindest in der experimentellen Biologie ist die gezielte Unterstützung von Teams, die auf Weltniveau arbeiten (was sich an der Präsenz von Veröffentlichungen in internationalen Top-Journalen ablesen lässt), unserer Meinung nach der direkteste Weg zur Wiederbelebung der Wissenschaft in unserem Land.

(auf Englisch - Genomik) ist eine Wissenschaft, die Genome untersucht. Die Menge an genomischer Information hat in den letzten Jahren aufgrund von Verbesserungen in der DNA-Sequenzierungstechnologie dramatisch zugenommen. GenBank, die Datenbank der NIH (US National Institutes of Health), enthält seit April 2011 135.440.924 DNA-Sequenzen.

Das Jahr 1956 wurde für den Prozess der Forschung auf dem Gebiet der Humangenetik grundlegend, da in diesem Jahr die Wissenschaft der Chromosologie gegründet wurde und in Kopenhagen ein Kongress über Humangenetik abgehalten wurde.

Die Entwicklung jeder Wissenschaft beruht auf der Verfeinerung von Modellen und Theorien, aber neue Annahmen heben alte Wahrheiten nicht auf, sodass das, was gestern wahr war, heute nicht unbedingt falsch ist. Nur Pseudowissenschaften sind über Jahrhunderte unveränderlich und stolz darauf, als wäre es eine Art Qualitätsgarantie.

Wir werden von allen Seiten von zahlreichen alten und neuen Disziplinen belagert, die medizinische Praktiken mit außergewöhnlichen Ergebnissen lehren, revolutionäre Geräte zur Messung negativer und positiver Fähigkeiten.

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 zu ihnen. Manchmal sind diese Informationen ziemlich exzentrisch, etwa in Bereichen wie Unsichtbarkeit, dem Sexualverhalten von Fliegen in China oder dem Molekulargewicht von Gerüchen, und in Bereichen, die Raum für faszinierende Szenarien lassen, etwa in Bezug auf die Konstruktion des Lebens in ein Labor oder die Entdeckung neuer Planeten, die dieses neue Leben nehmen könnten.

Craig Venter, der Genetiker, Unternehmer und Philanthrop hinter dem Human Genome Project, leistet Pionierarbeit im Wettlauf um die Verlängerung der menschlichen Lebensspanne. HLI). Venter ist mit seinen Ambitionen nicht allein. Zum Beispiel hat Calico (California Life Company) das Ziel, die Gesundheit der Menschen zu verbessern, das Problem des Alterns und der damit verbundenen Krankheiten zu lösen, und die University of California, San Diego, wo sie das Krebsgenom und HLI-Tumoren für alle Krebspatienten sezieren werden und wer wird ihm Ihre Zustimmung geben.

Seit der ersten Sequenzierung im Jahr 2011 hat sich die Genomik schnell weiterentwickelt, und jetzt werden sich Krebswissenschaftler an die „nächste Grenze der Wissenschaft“ begeben, sagt Lipman, Direktor des California Institute. "Jetzt befinden wir uns in einer Zeit, die historisch für die Genomik der Krebszellschnitte mit der Zeit der 90er Jahre für die Entwicklung des Internets gleichgesetzt wird. Wir untersuchen die Genom- und Schnitttechnologien in der Hoffnung, dass schnelle Ergebnisse erzielt werden können." dieser Skala. 15-20 Jahre können jetzt realistischerweise in 1-2 Jahren erreicht werden. Der Kampf gegen Krebs entwickelt sich schnell und dies ist nur die Spitze des Eisbergs."

Fakten aus dem Bereich Genomik:

. Im April 2003 wurde das Human Genome Project nach 13 Jahren Forschung abgeschlossen. 2,7 Milliarden Dollar wurden in dieses Projekt investiert.
. Im Dezember 2005 wurde der Cancer Genome Atlas, ein dreijähriges, 100 Millionen Dollar teures Pilotprojekt, gestartet, um die genetische Zusammensetzung von Krebszellen zu untersuchen.
. Im Mai 2007 wurde das Genom von James Watson, einem der Entdecker der DNA, für bis zu eine Million Dollar vollständig „sequenziert“.
. Seit Ende letzten Jahres bietet 23andMe die Genomsequenzierung für nur 1.000 US-Dollar an.
. Derzeit läuft das Human Genome Project. Nach der Sequenzierung wurden etwa drei Milliarden Basenpaare gefunden, aus denen die DNA besteht. Das Projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), das aus einer internationalen Zusammenarbeit von mehr als 80 Ländern und 35 Forschungsgruppen hervorgegangen ist, verspricht die erste Interpretation von Informationen zur Beschreibung des Verhaltens des Genoms.

Forscher konnten verstehen, wie und wo bestimmte biologische Funktionen entstehen, und stellten verschiedene Dogmen und Neubewertungen dessen in Frage, was bis gestern als „Junk“-DNA oder nicht kodierte (inaktive) DNA galt. „Die neuen Daten zeigen, dass das Genom nur sehr wenige Abschnitte enthält, die nicht verwendet werden“, heißt es in einer Erklärung des Konsortiums und des European Molecular Biology Laboratory (EMBL-EBI), das die Studie zusammen mit dem National Human Genome Research Institute leitete (NHGRI). ), die National Institutes of Health (NIH) in den Vereinigten Staaten. Die Widerlegung des Mythos des genetischen Determinismus durch das Human Genome Project markiert den Beginn einer neuen postgenomischen Ära.

Neue kulturelle Situation

Bis vor kurzem war das „Design“ des Menschen, also die Erschaffung all seiner Eigenschaften, der Natur anvertraut, niemand konnte eingreifen, um den Menschen zu verbessern.
Jeder neue Organismus wird aus einer kleinen Zelle geboren. Er erbt das Ahnenprogramm in Form von DNA, erbt jedoch nicht die physischen Körper seiner Vorfahren. Er erbt das Herz seiner Eltern, aber er hat ein neues Herz. Alles beginnt bei Null, bei einer Zelle, aber mit jedem neuen Leben kann das DNA-Programm sowohl verbessert als auch verschlechtert werden.
Bevor die Wirkung der Genomik bewertet wird, sollte beachtet werden, dass es unmöglich und sogar unverantwortlich wäre, genetische Manipulationsmethoden aufzugeben, nur weil diese Methoden von skrupellosen und selbstsüchtigen Menschen für ihre eigenen Zwecke verwendet werden können.

Keine Regierungsbehörde hat den Zauberstab, der alle Genomik-Technologien verschwinden lassen kann. Das Hauptproblem bei der Entwicklung der Genomik besteht nicht darin, diesen Fortschritt zu blockieren, sondern vielmehr darin, den Nutzen zu maximieren und die Risiken zu minimieren.

Die Bewertung der Möglichkeiten der Genomik für therapeutische Möglichkeiten und im Bereich der Verbesserung des genetischen Hintergrunds hängt von ethischen Grundsätzen ab, die als Richtschnur herangezogen werden.

Für diejenigen, die Befürworter der menschlichen Fortpflanzung „unter Aufsicht“ sind und bereit sind, die Möglichkeit der Verwendung künstlicher Methoden und genetischer Manipulation als Tatsache zu akzeptieren, wird dies sehr einfach zu akzeptieren sein, aber für jemanden wird dies inakzeptabel sein.

Über die Prinzipien hinausgehend, auf denen die Wissenschaft basiert, muss die Menschheit bedenken, dass bei allen am Menschen angewandten Genomik-Technologien der Mensch im Vordergrund steht. Dieser Faktor wirft viele Fragezeichen auf, einschließlich der Frage, welche Auswirkungen die Gentechnik auf das Gleichgewicht des Ökosystems und die Moral des Menschen selbst haben kann, der letztendlich der Nutznießer einer solchen Wissenschaft wie der Genomik ist.

Bevor wir direkt auf die Folgen eingehen, die genetische Manipulationen haben können, stellen wir klar, dass der Wunsch, das Design eines Menschen vor der Geburt zu verbessern, in erster Linie einen direkten Einfluss auf die Selektion hat, d.h. „das Entfernen von dem, was anders ist, was ist nicht perfekt, gescheitert". Es ist, als würde man während eines IVF-Verfahrens einen gescheiterten Embryo in den Müll werfen.

Im Umfeld einer solchen Wissenschaft wie der Genomik können wir über die Möglichkeit sprechen, eine neue Art von Dienst zu gründen, einen "Gendienst", der den menschlichen Wunsch befriedigen muss, seinen Genpool zu verbessern. Dieser Dienst wird höchstwahrscheinlich mit staatlicher Unterstützung oder rein kommerziell bezahlt, wobei jede Person, sofern sie zahlungsfähig ist, in der Lage sein wird, ihre genetischen Informationen zu korrigieren.

Aber die Existenz dieses "Dienstes" wird ohne technischen Fortschritt und einen gewissen Wandel in der menschlichen Mentalität unmöglich sein.

Wie jedes Medikament können neue Genomik-Technologien für "Serum to Gene" verwendet werden, wenn kurz- oder langfristige Risiken bestehen. Es besteht immer die Gefahr, dass Gene eliminiert werden, die noch unbekannte positive Aspekte haben und die sich in anderen Umgebungen zeigen können. Zum Beispiel macht das gleiche Gen, das die Sichelzellenanämie verursacht, den Körper widerstandsfähiger gegen Malaria.

Bei der Gentherapie müssen wir von Keimzellveränderungen als Folge der somatischen Gentherapie ausgehen. Unter bestimmten Umständen kann es legal sein (es sollte geprüft werden, ob solchen Personen erlaubt werden kann, sich nach der Behandlung fortzupflanzen oder nicht), da die Veränderung von Keimzellen für die Behandlung zu Veränderungen im genetischen Erbe künftiger Generationen führen kann. Die Gentherapie von Embryonen entwickelt sich ebenfalls, und es besteht die Notwendigkeit, Experimente an Embryonen durchzuführen. Bevor in diesen Studien ein Erfolg erzielt wird, wird es natürlich viele Misserfolge geben, was bedeutet, dass das Studienobjekt sterben wird. Ja, im Namen der Wissenschaft und zugunsten künftiger Generationen sind diese Opfer zu rechtfertigen, aber ethisch nicht vertretbar.

Dies ist Teil 1 der Geschichte der Genomik, genannt "Genomic Projects". In diesem Teil werde ich versuchen, öffentlich darüber zu sprechen, wie die ersten Methoden zum Lesen genetischer Sequenzen entstanden sind, woraus sie bestanden und wie sich die Genomik vom Lesen einzelner Gene zum Lesen vollständiger Genome, einschließlich der vollständigen Genome bestimmter Personen, entwickelt hat.

Kurz nach der Entdeckung von Watson und Crick (Abb. 1) wurde die Wissenschaft der Genomik geboren. Genomik ist die Wissenschaft von der Untersuchung der Genome von Organismen, die das intensive Lesen vollständiger DNA-Sequenzen (Sequenzierung) und deren Abbildung in genetische Karten beinhaltet. Diese Wissenschaft befasst sich auch mit den Wechselwirkungen zwischen Genen und Allelen von Genen und ihrer Vielfalt, Mustern in der Evolution und der Struktur von Genomen. Die Entwicklung in diesem Bereich war so rasant, dass bis vor kurzem Texteditoren wie Microsoft Word das Wort "Genom" nicht kannten und versuchten, es auf das Wort "Gnome" zu korrigieren.

Reis. einJames Watson (links) und Francis Crick (rechts) – Wissenschaftler, die die DNA-Doppelhelix entdeckten

Das allererste abgelesene Gen war das Shell-Gen des Bakteriophagen MS2, das 1972 im Labor von Walter Fyers untersucht wurde. 1976 wurden auch andere Bakteriophagen-Gene bekannt - ihre Replikase, das Gen, das für die Reproduktion von Viruspartikeln verantwortlich ist. Kurze RNA-Moleküle ließen sich bereits relativ gut ablesen, große DNA-Moleküle konnten jedoch noch nicht richtig gelesen werden. Beispielsweise wurde die 24-Buchstaben-Sequenz der Lactose-Operon-Gensequenz, die 1973 von Walter Gilbert und Allen Max erhalten wurde, als bedeutender Durchbruch in der Wissenschaft angesehen. Hier ist die Reihenfolge:

5"—TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT 3"
3"—ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA 5"

Frühe DNA-Lesetechniken waren sehr ineffizient und verwendeten radioaktive DNA-Markierungen und chemische Methoden, um Nukleotide zu unterscheiden. Man könnte zum Beispiel Enzyme nehmen, die die Nukleotidsequenz mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit nach verschiedenen Buchstaben schneiden. Das DNA-Molekül besteht aus 4 Buchstaben (Nukleotiden) A, T, G und C, die Teil einer antiparallelen Doppelhelix (zwei Ketten sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet) sind. Innerhalb dieser Helix stehen sich die Nukleotide gemäß der Komplementaritätsregel gegenüber: Gegenüber A in der anderen Kette ist T, gegenüber G ist C und umgekehrt.

Gilbert und Maxam verwendeten 4 Arten von Enzymen. Ein Schnitt nach A oder G, aber besser nach A (A>G), der zweite Schnitt besser nach G (G>A), der dritte nach C und der vierte nach C oder T (C+T). Die Reaktion wurde in 4 Reagenzgläsern mit jedem Enzymtyp durchgeführt, und dann wurden die Produkte auf ein Gel gegeben. DNA ist ein geladenes Molekül und wenn der Strom eingeschaltet wird, läuft es von Minus nach Plus. Kleinere Moleküle laufen schneller, sodass sich die geschnittenen DNA-Moleküle in der Länge aneinanderreihen. Betrachtet man die 4 Bahnen des Gels, konnte man erkennen, in welcher Reihenfolge sich die Nukleotide befinden.

Ein Durchbruch auf dem Gebiet der DNA-Sequenzierung gelang 1975, als der englische Biochemiker Frederick Sanger die sogenannte „Strand Termination Method“ zum Ablesen von DNA-Sequenzen vorschlug. Bevor wir jedoch über diese Methode sprechen, müssen die Prozesse vorgestellt werden, die während der Synthese neuer DNA-Moleküle ablaufen. Für die DNA-Synthese wird ein Enzym benötigt - DNA-abhängige DNA-Polymerase, die in der Lage ist, den Aufbau eines einzelsträngigen DNA-Moleküls zu einem doppelsträngigen zu vervollständigen. Dazu benötigt das Enzym einen „Samen“ – einen Primer, eine kurze DNA-Sequenz, die an ein langes einzelsträngiges Molekül binden kann, das wir zu einem doppelsträngigen aufbauen wollen. Auch die Nukleotide selbst in Form von Nukleotidtriphosphaten und bestimmte Bedingungen, wie ein bestimmter Gehalt an Magnesiumionen im Medium und eine bestimmte Temperatur, werden benötigt. Die Synthese geht immer in eine Richtung vom Ende namens 5' zum Ende namens 3'. Um DNA abzulesen, benötigt man natürlich eine große Menge an Matrix – also Kopien der abzulesenden DNA.

1975 kam Sanger auf Folgendes. Er nahm spezielle (terminierende) Nukleotide, die, nachdem sie sich der wachsenden Kette des DNA-Moleküls angeschlossen hatten, die Anheftung nachfolgender Nukleotide störten, das heißt, sie „brachen“ die Kette. Dann nahm er 4 Reagenzgläser, in die er jeweils alle 4 Arten von Nukleotiden und eine Art von terminierenden Nukleotiden in einer kleinen Menge hinzufügte. So konnte im Reagenzglas, wo sich das terminierende Nukleotid „A“ befand, die Synthese jedes neuen DNA-Moleküls überall dort abbrechen, wo „A“ hätte stehen sollen, im Reagenzglas mit dem terminierenden „G“ – überall wo G sollte stehen usw. Weiter. Auf das Gel wurden 4 Bahnen aus 4 Röhrchen aufgetragen (Abb. 2) und wieder „liefen“ die kürzesten Moleküle nach vorne, die längsten blieben am Anfang und an den Unterschieden in den Banden konnte man erkennen, welches Nukleotid auf welches folgt. Um die Banden zu sehen, wurde eines der vier Nukleotide (A, T, G oder C) mit radioaktiven Isotopen markiert, ohne die chemischen Eigenschaften zu verändern.

Reis. 2Sanger-Methode. Drei Serien von 4 Tracks werden gezeigt.

Unter Verwendung dieser Methode wurde das erste DNA-basierte Genom gelesen, das Genom des Bakteriophagen ϕX174, 5.386 Nukleotide lang (das zuvor gelesene MS2-Phagengenom war RNA-basiert und hatte ein Genom mit einer Länge von 3.569 Nukleotiden).

Die Sanger-Methode wurde im Labor von Leroy Hood erheblich verbessert, wo 1985 die radioaktive Markierung durch eine leuchtende, fluoreszierende Markierung ersetzt wurde. Damit war es möglich, den ersten automatischen Sequenzer zu bauen: Jedes DNA-Molekül wurde nun mit einer anderen Farbe angemalt, je nachdem, was der letzte Buchstabe war (farbmarkiertes Nukleotid, das die Kette beendet). Die Fragmente wurden auf dem Gel nach Größe getrennt, und die Maschine las automatisch das Lumineszenzspektrum der ankommenden Banden und gab die Ergebnisse an einen Computer aus. Als Ergebnis dieses Verfahrens erhält man ein Chromatogramm (Abb. 2), nach dem sich eine DNA-Sequenz mit einer Länge von bis zu 1000 Buchstaben leicht und mit einer sehr geringen Anzahl von Fehlern ermitteln lässt.

Reis. 3 Ein Beispiel für ein Chromatogramm auf einem modernen Sequenzer mit der Sanger-Kettenabbruchmethode und einem leuchtenden Etikett.

Viele Jahre lang wurde Sangers verbesserte Methode zur Hauptmethode der Massengenomsequenzierung und wurde für viele Gesamtgenomprojekte verwendet, und Sanger erhielt 1980 einen zweiten Nobelpreis für Chemie (er erhielt seinen ersten 1958 für das Lesen der Aminosäure). Sequenz des Insulinproteins - das zuerst gelesene Protein). Das erste vollständige Genom eines zellulären Organismus war das Genom eines Bakteriums, das einige Formen von Lungenentzündung und Meningitis verursacht - haemophilus influenzae im Jahr 1995. Das Genom dieses Bakteriums war 1.830.137 Nukleotide lang. 1998 erscheint das erste Genom eines vielzelligen Tieres, eines Spulwurms Caenorhabditis elegans(Abb. 4 rechts), mit 98 Millionen Nukleotiden, und dann taucht im Jahr 2000 das erste Pflanzengenom auf - Arabidopsis thaliana(Abb. 4 links), Verwandte von Meerrettich und Senf. Das Genom dieser Pflanze ist 157 Millionen Nukleotide lang. Die Geschwindigkeit und der Umfang der Sequenzierung wuchsen mit erstaunlicher Geschwindigkeit, und die entstehenden Datenbanken mit Nukleotidsequenzen wurden immer schneller aufgefüllt.

Reis. 4 Arabidopsis thaliana(links) und Caenorhabditis elegans(rechts).

Schließlich war das Säugetiergenom an der Reihe: das Maus- und das menschliche Genom. Als James Watson 1990 das Projekt zum vollständigen Lesen des menschlichen Genoms an den National Institutes of Health (NIH) in den USA leitete, standen viele Wissenschaftler dieser Idee skeptisch gegenüber. Ein solches Projekt erforderte einen enormen finanziellen und zeitlichen Aufwand und schien vielen angesichts der begrenzten Fähigkeiten der vorhandenen Maschinen zum Lesen von Genen einfach nicht machbar. Andererseits versprach das Projekt revolutionäre Veränderungen in der Medizin und beim Verständnis der Struktur des menschlichen Körpers, aber auch hier gab es Probleme. Tatsache ist, dass es zu diesem Zeitpunkt keine genaue Schätzung der Anzahl der Gene in einer Person gab. Viele glaubten, dass die Komplexität der Struktur des menschlichen Körpers auf das Vorhandensein von Hunderttausenden von Genen hinweist, und vielleicht mehrere Millionen, und daher wäre das Aussortieren einer solchen Anzahl von Genen, selbst wenn ihre Sequenz gelesen werden könnte, ein Problem unmögliche Aufgabe. Das Vorhandensein einer großen Anzahl von Genen führte dazu, dass viele den grundlegenden Unterschied zwischen Mensch und Tier vermuteten – eine Ansicht, die später durch das Humangenomprojekt widerlegt wurde.

Die eigentliche Idee, das menschliche Genom auszulesen, entstand 1986 auf Initiative des US-Energieministeriums, das das Projekt später gemeinsam mit NIH finanzierte. Die Kosten des Projekts wurden auf 3 Milliarden Dollar geschätzt, und das Projekt selbst wurde unter Beteiligung einer Reihe von Ländern am Projekt für 15 Jahre konzipiert: China, Deutschland, Frankreich, Großbritannien und Japan. Um das menschliche Genom abzulesen, wurden die sogenannten „künstlichen Bakterienchromosomen“ (BAC – Bacterial Artificial Chromosome) verwendet. Bei diesem Ansatz wird das Genom in viele Stücke geschnitten, die etwa 150.000.000 Nukleotide lang sind. Diese Fragmente werden in künstliche Ringchromosomen eingefügt, die in Bakterien eingefügt werden. Mit Hilfe von Bakterien vermehren sich diese Chromosomen, und Wissenschaftler erhalten viele Kopien desselben Fragments des DNA-Moleküls. Jedes dieser Fragmente wird dann separat gelesen, und die gelesenen Teile von 150.000 Nukleotiden werden auf einer Chromosomenkarte aufgetragen. Diese Methode ermöglicht eine recht genaue Sequenzierung des Genoms, ist aber sehr zeitaufwändig.

Aber das menschliche Genomprojekt hat sich in einem extrem langsamen Tempo entwickelt. Der Wissenschaftler Craig Venter und sein 1998 gegründetes Unternehmen Celera Genomics haben in der Geschichte der Genomik etwa die gleiche Rolle gespielt, wie die Sowjetunion die Amerikaner zum Mond beeinflusste. Venter sagte, sein Unternehmen werde das Humangenomprojekt abschließen, bevor das Regierungsprojekt abgeschlossen sei. Das Projekt erfordert nur 300 Millionen US-Dollar – ein Bruchteil der Kosten eines Regierungsprojekts, bei dem die neue „Whole Genom Shotgun“-Sequenzierungstechnologie zum Lesen zufälliger kurzer Fragmente des Genoms verwendet wird. Als Francis Collins, der 1993 James Watson als Leiter des Human Genome Reading Project ablöste, von Venters Absichten erfuhr, war er schockiert. „ Wir machen das menschliche Genom, und Sie können eine Maus machen schlug Venter vor. Die wissenschaftliche Gemeinschaft war alarmiert, und das aus mehreren Gründen. Erstens versprach Venter, sein Projekt im Jahr 2001 abzuschließen, 4 Jahre früher als geplant für das Regierungsprojekt. Zweitens wollte Celera Genomics aus dem Projekt Kapital schlagen, indem es eine absolute Datenbank erstellte, die von kommerziellen Pharmaunternehmen bezahlt werden würde.

Im Jahr 2000 bewies Celera die Wirksamkeit ihrer Sequenzierungsmethode, indem sie zusammen mit dem Labor des Genetikers Gerald Rubin das Genom der Drosophila-Fruchtfliege veröffentlichte (früher wurde das erste Genom eines Bakteriums mit der Schrotflinte des gesamten Genoms gelesen, aber nur wenige glaubten daran diese Methode war für große Genome geeignet). Es war dieser Kick eines kommerziellen Unternehmens, der die Entwicklung verbesserter und modernerer Methoden zum Lesen von Genomen im Human Genome Project vorangetrieben hat. Im Jahr 2001 wurde eine vorläufige Version des Genoms vom State Genomic Project und Celera veröffentlicht. Dann wurde eine vorläufige Schätzung der Anzahl der Gene im menschlichen Genom vorgenommen, 30-40.000. 2004 kam die endgültige Version des Genoms heraus, fast zwei Jahre früher als geplant. Im letzten Artikel wurde gesagt, dass die Anzahl der Gene in einer Person angeblich nur 20-25.000 beträgt. Diese Zahl ist vergleichbar mit anderen Tieren, insbesondere mit einem Wurm C.elegans.

Kaum jemand ahnte, dass die Anzahl der Gene, die die Arbeit unseres Körpers sicherstellen, so gering sein kann. Später wurden weitere Details bekannt: Das menschliche Genom hat eine Länge von etwa drei Milliarden Nukleotiden, der größte Teil des Genoms besteht aus nicht-kodierenden Sequenzen, einschließlich aller Arten von Wiederholungen. Nur ein kleiner Teil des Genoms enthält tatsächlich Gene – DNA-Abschnitte, aus denen funktionsfähige RNA-Moleküle abgelesen werden. Eine interessante Tatsache ist, dass mit zunehmendem Wissen über das menschliche Genom die Anzahl der vorgeschlagenen Gene nur abnahm: Viele potenzielle Gene erwiesen sich als Pseudogene (nicht funktionierende Gene), in anderen Fällen erwiesen sich mehrere Gene als Teil derselben Gen.

Weitere Sequenzierungsraten stiegen exponentiell an. Im Jahr 2005 wurde das Schimpansengenom veröffentlicht, das die erstaunliche Ähnlichkeit zwischen Affen und Menschen bestätigte, die von Zoologen der Vergangenheit beobachtet wurde. Bis 2008 waren die Genome von 32 Wirbeltieren vollständig gelesen worden, darunter Katzen, Hunde, Pferde, Makaken, Orang-Utans und Elefanten, 3 Deuterostom-Genome von wirbellosen Tieren, 15 Insektengenome, 7 Wurmgenome und Hunderte von Bakteriengenomen.

Schließlich näherte sich die Menschheit im Jahr 2007 der Möglichkeit, die Genome einzelner Menschen zu sequenzieren. Die erste Person, bei der ein vollständiges individuelles Genom ausgelesen wurde, war Craig Venter (Abb. 4). Gleichzeitig wurde das Genom so ausgelesen, dass ein Vergleich der von beiden Eltern geerbten Venter-Chromosomen möglich war. So wurde festgestellt, dass es zwischen einem und einem anderen Chromosomensatz innerhalb einer Person etwa drei Millionen Nukleotidunterschiede von einem Buchstaben gibt, wobei die große Anzahl großer variierender Regionen nicht mitgezählt wird. Ein Jahr später wurde das vollständige diploide Genom von James Watson veröffentlicht (Abb. 5). Watsons Genom enthielt im Vergleich zum annotierten menschlichen Genom 3,3 Millionen Einzelbuchstaben-Ersetzungen, von denen mehr als 10.000 zu Veränderungen in den Proteinen führten, die für seine Gene kodieren. Watsons Genom kostete 1 Million Dollar, das heißt, der Preis für das Lesen von Genomen ist in 10 Jahren um mehr als das 3.000-fache gefallen, aber das ist nicht die Grenze. Heute stehen Wissenschaftler vor der Aufgabe „1 Genom – 1000 Dollar – 1 Tag“, und mit dem Aufkommen neuer Sequenzierungstechnologien scheint dies nicht mehr unmöglich zu sein. Der nächste Teil der "Geschichte" wird von ihnen erzählen.

Reis. 5 James Watson und Craig Venter sind die ersten Menschen, die individuell Genome gelesen haben.

1. Watson J., Crick F.: Eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure. Nature 1953(171):737-738.
2. Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W: Nukleotidsequenz des Gens, das für das Bakteriophagen-MS2-Hüllprotein kodiert. Nature 1972, 237 (5350): 82-88.
3. Fiers W, Contreras R, Duerinck F, Haegeman G, Iserentant D, Merregaert J, Min Jou W, Molemans F, Raeymaekers A, Van den Berghe A et al: Complete nucleotide sequence of bacteriophage MS2 RNA: primary and secondary structure of the replicase Gen. Nature 1976, 260(5551):500-507.
   
4. Gilbert W, Maxam A: Die Nukleotidsequenz des lac-Operators. Proc Natl Acad Sci USA 1973, 70(12):3581–3584.
   
5. Maxam AM, Gilbert W: Eine neue Methode zur DNA-Sequenzierung. Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74(2):560-564.
   
6. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR: DNA-Sequenzierung mit kettenabbrechenden Inhibitoren. Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74(12):5463-5467.
   
7. Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C, Kent SB, Hood LE: Fluoreszenzdetektion in der automatisierten DNA-Sequenzanalyse. Nature 1986, 321(6071):674-679.
   
8. Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, Bult CJ, Tomb JF, Dougherty BA, Merrick JM et al: Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science 1995, 269(5223):496-512.
   
9. Genomsequenz des Fadenwurms C. elegans: eine Plattform zur Erforschung der Biologie. Wissenschaft 1998, 282(5396):2012-2018.
   
10. Analyse der Genomsequenz der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana. Nature 2000, 408(6814):796-815.
    
11. Adams MD, Celniker SE, Holt RA, Evans CA, Gocayne JD, Amanatides PG, Scherer SE, Li PW, Hoskins RA, Galle RF et al: The genome sequence of Drosophila melanogaster. Wissenschaft 2000, 287(5461):2185-2195.
    
12. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, Smith HO, Yandell M, Evans CA, Holt RA et al: The sequence of the human genome. Wissenschaft 2001, 291(5507):1304-1351.
    
13. Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, Devon K, Dewar K, Doyle M, FitzHugh W et al: Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001, 409(6822):860-921.
    
14. Fertigstellung der euchromatischen Sequenz des menschlichen Genoms. Natur 2004, 431(7011):931-945.
    
15. Anfangssequenz des Schimpansengenoms und Vergleich mit dem menschlichen Genom. Natur 2005, 437(7055):69-87.
    
16. Levy S, Sutton G, Ng PC, Feuk L, Halpern AL, Walenz BP, Axelrod N, Huang J, Kirkness EF, Denisov G et al: The diploid genome sequence of an individual human. PLoS Biol 2007, 5(10):e254.
17. Wheeler DA, Srinivasan M, Egholm M, Shen Y, Chen L, McGuire A, He W, Chen YJ, Makhijani V, Roth GT et al: Das vollständige Genom eines Individuums durch massiv parallele DNA-Sequenzierung. Natur 2008, 452(7189):872-876.

Teil 2 - hier

Genomik wird üblicherweise als einer der Zweige der Molekularbiologie bezeichnet. Seine Hauptaufgabe liegt in der sogenannten Genomsequenzierung – der Untersuchung der Nukleotidsequenzen von DNA und RNA. Verwechseln Sie die Wörter Genetik und Genomik nicht. Die Genetik befasst sich mit dem Studium der Mechanismen der Vererbung und Variabilität, und die Genomik soll die gewonnenen Erkenntnisse in die Praxis umsetzen.

Aus der Wissenschaftsgeschichte

Als Spezialgebiet wurde die Genomik in den Jahren 1980-1990 zusammen mit dem Aufkommen der ersten Projekte zur Sequenzierung (molekulare Analyse) der Genome bestimmter Arten lebender Organismen gebildet.

Struktur der Genomik

In der modernen Genomik gibt es viele Unterabschnitte:

• vergleichende oder evolutionäre Genomik basiert auf einem Vergleich der Organisation und des Inhalts der Genome verschiedener lebender Organismen;
• funktionelle Genomik - Studien im Detail die Funktionen von Genen, ihre Auswirkungen auf die Genaktivität;
• Die strukturelle Genomik befasst sich mit der Sequenzierung, der molekularen Analyse von DNA, auf deren Grundlage genomische Karten erstellt und verglichen werden können.

Warum brauchen wir Genomik?

Eine große Anzahl von Genomen verschiedener Mikroorganismen (hauptsächlich pathogener) wurde entschlüsselt. Dadurch ist es möglich, hier nach Medikamenten-Zielgenen zu suchen und neue Medikamente herzustellen.

Die Genomik wird als integraler, notwendiger Bestandteil der allgemeinen Biologie wahrgenommen. Es ist in der Lage, einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Biotechnologie, der Landwirtschaft und des Gesundheitswesens zu leisten.

In einem Krankenhaus in Wisconsin verwirrte ein dreijähriges Kleinkind die Ärzte lange Zeit. Bei diesem Kind waren die Eingeweide ödematös und fast vollständig von Abszessen durchsetzt. Dieses Kind hatte im Alter von drei Jahren mehr als hundert Operationen überstanden. Dem Baby wurde eine vollständige Sequenz der kodierenden Regionen seiner DNA gegeben und der Übeltäter identifiziert – das XIAP-Protein, das an den Signalketten des programmierten Zelltods beteiligt ist, spielt eine sehr wichtige Rolle im Immunsystem. Aufgrund der Diagnose empfahlen Physiologen eine Knochenmarktransplantation. Das Baby war gerettet.

Ein weiterer Fall betraf einen atypischen Krebs bei einer 39-jährigen Frau, die an einer akuten Form von Promyelozytenleukämie litt. Bei Verwendung von Standarddiagnostikmethoden konnte die Krankheit nicht erkannt werden. Bei der Entschlüsselung und Analyse des Genoms von Krebszellen konnte jedoch festgestellt werden, dass ein großer Teil des fünfzehnten Chromosoms auf das siebzehnte verschoben wurde, was eine bestimmte Geninteraktion hervorrief. Dem Patienten wurde eine angemessene Behandlung verschrieben.