В конце ХХ векамолекулярные технологии развивались настолько интенсивно, что были созданы предпосылки для планомерного изучения структуры геномов разных видов живых существ, включая человека. Одной из наиболее значимых целей этих проектов является определение полной нуклеотидной последовательности геномных ДНК. Таким образом, родилась новая наука - геномика .
Начало нового тысячелетия ознаменовалось крупнейшим открытием в области геномики – расшифрована структура генома человека. Новость оказалась настолько значимой, что стала предметом обсуждения между президентами ведущих стран мира. Однако на многих людей это сообщение не произвело впечатления. В первую очередь это связано с недостаточным пониманием того, что такое геном, какова его структура и что значит ее расшифровка? Имеет ли эта новость отношение к медицине и может ли коснуться каждого из нас? Что такое молекулярная медицина и связана ли ее развитие с расшифровкой структуры генома? Более того, у некоторых людей возникли опасения, не грозит ли в очередной раз новое открытие ученых человечеству? Не будут ли использованы эти данные в военных целях? Не последует ли за этим всеобщее принудительное генетическое обследование - своеобразная генетическая паспортизация населения? Не явится ли наш геном предметом анализа и насколько конфиденциальна будет полученная информация? Все эти вопросы в настоящее время активно обсуждаются в научном сообществе.
Конечно, геномика начиналась не с человека, а с гораздо более просто организованных живых существ. В настоящее время расшифрована нуклеотидная последовательность геномной ДНК многих сотен видов микроорганизмов, большинство из которых являются болезнетворными. Для прокариот полнота анализа оказалась абсолютной, то есть не остается не расшифрованным ни одного нуклеотида! В результате идентифицируются не только все гены этих микроорганизмов, но и определяются аминокислотные последовательности кодируемых ими белков. Мы уже неоднократно отмечали, что знание аминокислотной последовательности белка позволяет довольно точно прогнозировать его структуру и функции. Открывается возможность получения антител к этому прогнозируемому белку, его изоляции из микроорганизма и прямого биохимического анализа. Давайте задумаемся, что это означает для разработки принципиально новых методов борьбы с инфекциями, если врач не только знает, как устроены гены инфицирующего микроорганизма, но и какова структура и функции всех его белков? Сейчас в микробиологии происходят грандиозные изменения в связи с появлением огромного количества новых знаний, значение которых в настоящее время мы не до конца понимаем. По-видимому, понадобятся еще десятилетия, для того чтобы приспособить эту новую информацию к нуждам человечества, в первую очередь, в области медицины и сельского хозяйства.
Переход от прокариот к эукариотам в плане расшифровки структуры генома сопровождается большими трудностями и не только потому, что длина ДНК высших в тысячи, а иногда в сотни тысяч раз больше, но и структура ее становится более сложной. Вспомним, что в геноме высших появляется большое количество некодирующих ДНК, значительную часть которых составляют повторяющиеся последовательности. Они вносят значительную путаницу в правильную стыковку уже расшифрованных фрагментов ДНК. А, кроме того, тандемные повторы сами трудно поддаются подобной расшифровке. В области локализации таких повторов ДНК может иметь необычную конфигурацию, что затрудняет ее анализ. Поэтому в геноме одного из видов микроскопического круглого червя (нематоды) - первого многоклеточного организма, для которого удалось определить нуклеотидную последовательность ДНК, - уже осталось некоторое число неясных мест. Правда, их удельный вес составляет менее сотой процента от общей длины ДНК, и эти неясности не касаются генов или регуляторных элементов. Нуклеотидная же последовательность всех 19 099 генов этого червя, распределенных на площади в 97 миллионов пар оснований, была определена полностью. Поэтому работу по расшифровке генома нематоды следует признать весьма успешной.
Еще больший успех связан с расшифровкой генома дрозофилы, лишь в 2 раза уступающего по размеру ДНК человека и в 20 раз превосходящего ДНК нематоды. Несмотря на высокую степень генетической изученности дрозофилы, около 10% ее генов были до этого момента неизвестны. Но самым парадоксальным является тот факт, что у гораздо более высоко организованной по сравнению с нематодой дрозофилы количество генов оказалось меньше, чем у микроскопического круглого червя! С современных биологических позиций это трудно объяснить. Больше генов, чем у дрозофилы, присутствует и в расшифрованном геноме растения из семейства крестоцветных - арабидопсиса, широко используемого генетиками в качестве классического экспериментального объекта.
Разработка геномных проектов сопровождалась интенсивным развитием многих областей науки и техники. Так, мощный импульс для своего развития получила биоинформатика . Был создан новый математический аппарат для хранения и обработки огромных массивов информации; сконструированы системы суперкомпьютеров, обладающие невиданной мощностью; написаны тысячи программ, позволяющих в считанные минуты проводить сопоставительный анализ различных блоков информации, ежедневно вводить в компьютерные базы новые данные, получаемые в различных лабораториях мира, и адаптировать новую информацию к той, которая была накоплена ранее. Одновременно были разработаны системы для эффективной изоляции различных элементов генома и автоматического секвенирования, то есть определения нуклеотидных последовательностей ДНК. На этой базе были сконструированы мощные роботы, значительно ускоряющие секвенирование и делающие его менее дорогостоящим.
Развитие геномики, в свою очередь, привило к открытию огромного количества новых фактов. Значение многих из них еще предстоит оценить в будущем. Но и сейчас очевидно, что эти открытия приведут к переосмыслению многих теоретических положений, касающихся возникновения и эволюции различных форм жизни на Земле. Они будут способствовать лучшему пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе работы отдельных клеток и их взаимодействий; детальной расшифровке многих до сих пор неизвестных биохимических циклов; анализу их связи с фундаментальными физиологическими процессами. Таким образом, происходит переход от структурной геномики к функциональной, которая в свою очередь создает предпосылки для исследования молекулярных основ работы клетки и организма в целом. Накопленная уже сейчас информация будет предметом анализа в течение нескольких ближайших десятилетий. Но каждый следующий шаг в направлении расшифровки структуры геномов разных видов, порождает новые технологии, облегчающие процесс получения информации. Так, использование данных о структуре и функции генов более низко организованных видов живых существ может значительно ускорить поиск специфических генов высших. И уже сейчас методы компьютерного анализа, используемые для идентификации новых генов, зачастую вытесняют достаточно трудоемкие молекулярные методы поиска генов.
Наиболее важным следствием расшифровки структуры генома определенного вида является возможность идентификации всех его генов и, соответственно, идентификации и определения молекулярной природы транскрибируемых молекул РНК и всех его белков. По аналогии с геномом родились понятия транскриптома , объединяющего пул образовавшихся в результате транскрипции молекул РНК, и протеома , включающего множество кодируемых генами белков. Таким образом, геномика создает фундамент для интенсивного развития новых наук – протеомики и транскриптомики . Протеомика занимается изучением структуры и функции каждого белка; анализом белкового состава клетки; определением молекулярных основ функционирования отдельной клетки, являющегося результатом координированной работы многих сотен белков, и исследованием формирования фенотипического признака организма, являющегося результатом координированной работы миллиардов клеток. Очень важные биологические процессы происходят и на уровне РНК. Их анализ является предметом транскриптомики.
Наибольшие усилия ученых многих стран мира, работающих в области геномики, были направлены на решение международного проекта «Геном человека». Значительный прогресс в этой области связан с реализацией идеи, предложенной Дж. С. Вентером, заняться поиском и анализом экспрессирующихся последовательностей ДНК, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве своеобразных «ярлыков» или маркеров определенных участков генома. Другой независимый и не менее плодотворный подход, был использован в работе группы, возглавляемой Фр. Коллинзом. Он основан на первоочередной идентификации генов наследственных болезней человека.
Расшифровка структуры генома человека привела к сенсационному открытию. Оказалось, что в геноме человека только 32 000 генов, что в несколько раз меньше количества белков. При этом белок-кодирующих генов только 24 000, продуктами остальных генов являются молекулы РНК. Процент сходства по нуклеотидным последовательностям ДНК между разными индивидуумами, этническими группами и расами составляет 99,9%. Это сходство и делает нас людьми – Homo sapiens! Вся наша изменчивость на нуклеотидном уровне укладывается в очень скромную цифру – 0,1%. Таким образом, генетика не оставляет места для идей национального или расового превосходства.
Но, посмотрим друг на друга – мы все разные. Еще более заметны национальные, а тем более, расовые различия. Так какое же количество мутаций определяют изменчивость человека не в процентном, а в абсолютном выражении? Для того чтобы получить эту оценку, нужно вспомнить, каков размер генома. Длина молекулы ДНК человека составляет 3,2х10 9 пар оснований. 0,1% от этого – 3,2 миллиона нуклеотидов. Но вспомним, что кодирующая часть генома занимает менее 3% от общей длины молекулы ДНК, а мутации вне этой области, чаще всего, не оказывают никакого влияния на фенотипическую изменчивость. Таким образом, для получения интегральной оценки числа мутаций, оказывающих влияние на фенотип, нужно взять 3% от 3,2 миллионов нуклеотидов, что и даст нам цифру порядка 100 000. То есть, около 100 тысяч мутаций формируют нашу фенотипическую изменчивость. Если мы сопоставим эту цифру с общим числом генов, то получится, что в среднем на ген приходится 3-4 мутации.
Что это за мутации? Их подавляющее большинство (не менее 70%) определяет нашу индивидуальную непатологическую изменчивость, то, что нас отличает, но не делает хуже по отношению друг к другу. Сюда входят такие признаки, как цвет глаз, волос, кожи, характер телосложения, рост, вес, тип поведения, который тоже в значительной степени генетически детерминирован, и многое другое. Около 5% мутаций ассоциированы с моногенными заболевания. Около четверти оставшихся мутаций относятся к классу функциональных полиморфизмов. Они участвуют в формировании наследственной предрасположенности к широко распространенной мультифакториальной патологии. Конечно, эти оценки достаточно грубые, но они позволяют судить о структуре наследственной изменчивости человека.
Разделы геномики
Определение генома и геномики.
Введение в геномику.
Прежде всего, определим понятие «геном». Существует несколько определений генома. В энциклопедическом словаре «Генетика» Н.А.Картель и др. даётся два определения генома. Во-первых, под геномом понимают совокупность гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. И, во-вторых, - это весь генетический материал отдельного вируса, клетки или организма не являющегося аллоплоидным. В нашем изложении мы будем исходить из того, что геном клетки это вся совокупность ДНК, находящаяся в ядре и митохондриях (пластидах) этой клетки или организма. Такое определение часто используется в работах связанных с изучением генома.
Строение и функцию генома изучает специальная наука – геномика .
Успехи в изучении генома человека стали наиболее ощутимы в связи с разработкой и последующем выполнением международного проекта «Геном человека». Этот международный проект объединил усилия сотен учёных из разных стран и осуществлялся с 1989 г по 2005 г. Главные направления проекта – картирование генов (определение локализации генов в хромосомах) и секвенирование ДНК или РНК (порядок расположения в ДНК или РНК нуклеотидов). Инициатором этого движения с самого начала стал лауреат Нобелевской премии учёный Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом стал академик Баев А.А. На проект было затрачено свыше 6 млрд долларов. Материальные затраты России были настолько скромными, что их не учитывают при общем подсчёте издержек. Несмотря на это российские учёные проводили исследования по картированию 3,4,13 и 19 хромосоме. Проект позволил полностью расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме человека. Фактически это был первый этап – структурный. Второй этап, который назвали функциональный, будет связан с расшифровкой функции гена. Полученные результаты в области исследования генома легли в основы выпущенного в США Ч. Кэнтором и К. Смит в 2000 году первого учебника для ВУЗов «Геномика».
Геномика подразделяется на пять самостоятельных разделов.
Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геноме, определяет границы и строение генов, межгенных участков, промоторов, энхансеров и др., т.е. фактически принимает участие в составлении генетических карты организма. Подсчитано, что геном человека состоит из 3,2 млрд нуклеотидов.
Функциональная геномика идентифицирует функцию каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Одна из важнейших задач геномики создать, так называемую «генную сеть» - взаимосвязанную работу генов. Например, генная сеть системы кроветворения включает в себя работу не менее 500 генов. Они не только взаимосвязаны между собой, но связаны и с другими генами.
Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов.
Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. В применении к человеку, также как и к любому организму, можно сказать, что эволюция человека – это эволюция генома.
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов.
Геномика человека является основой молекулярной медицины и её достижения используются при разработке эффективных методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и не наследственных заболеваний. Если раньше предполагали, что наследственная патология, связана с определёнными генами или регуляторными зонами, то сейчас, всё большее внимание привлекают нуклеотидные последовательности, располагающиеся в межгенных промежутках. Они долгое время считались «молчащими». В настоящее время накапливается всё больше сведений об их влиянии на экспрессию генов.
Исследования в области генома ещё раз подтвердили необходимость индивидуального подхода к профилактике и лечению заболеваний. Значительный интерес представляют для медицины исследования связанные с составлением «генной сети» - схем взаимодействия генов между собой на уровне белковых продуктов. Эти исследования способствовали созданию в рамках геномики новой науки – протеомики , которая изучает белковый пейзаж клетки в различных режимах функционирования генов. Полученные результаты однозначно показывают целесообразность индивидуального подхода к лечению заболевания. Сейчас протеомика – самостоятельная наука, тесно связанная с геномикой.
В этой связи следует подчеркнуть, что тезис «лечить не болезнь, а больного» получил существенное подтверждение в многочисленных исследованиях генома и белков. Основываясь на них приоритетность этого положения в медицинской практике перестала вызывать сомнения.
Хотя геномика как наука появилась сравнительно недавно, но в её становлении уже можно различить несколько этапов.
1 этап . 1900 – 1940 г. На этом этап изучаются менделирующие признаки человека. Метод исследование – генеалогический анализ . Систематическое изучение генома человека фактически началось с развития менделевского анализа наследственных признаков у животных в начале 20 века. В применении к человеку это был генеалогический метод исследования наследственных признаков. На этом этапе учёные в основном выявили менделирующие признаки человека и вплотную подошли к описанию групп сцепления . Обнаружено около 400 менделирующих признаков человека и 4 группы сцепления. Начиная с 50-х годов прошлого века, процесс открытия групп сцепления и менделирующих признаков замедляется. В настоящее время генеалогический метод изучения генома человека в чистом виде себя исчерпал.
2 этап. 1940 – 1980 г. Этап изучения групп сцепления . Методы изучения – генеалогический, цитогенетический и метод гибридизации соматических клеток. Существенный прогресс цитогенетики человека, особенно генетики соматических клеток в 60-х годах в комплексе с генеалогическим подходом поставил изучение генома человека на новые теоретические основы. Внедрение в практику научных исследований биохимических и иммунологических методов существенно ускорило не только открытие новых менделирующих признаков, но и облегчило процесс расшифровки в геноме человека новых групп сцепления генов. К сожалению, знание групп сцепления всё же не позволяет определить точную локализацию генов в хромосомах. А последнее, необходимо для успешного развития генетической инженерии и связанных с ней практических проблем в области медицины, сельского хозяйства и т.д. Поэтому начинают резко увеличиваться число исследований в области составления карт (картирования) генов.
3 этап. 1980 по сегодняшний день. Этап изучения локализации генов в геноме и расшифровка их нуклеотидной последовательности . Методу изучения – биохимические, иммунологические. Этот этап начал формироваться в 1980-х годах с развитием молекулярно-генетических методов и технологии генной инженерии. Процесс познания генома углубился до выделения гена в чистом виде и его секвенирования (установления нуклеотидной последовательности). В США и Великобритании были разработаны и внедрены автоматические приборы по секвенированию геномов. Их назвали геномотроны. В них осуществляется более 100 000 полимеразных реакций в час. Большую роль на этом этапе играют вычислительная техника и информационные системы. Благодаря им, решаются вопросы накопления информации из разных источников, хранения её и оперативное использование исследователями разных стран.
К 1980 г. был полностью картирован геном одной из бактерий, в 1986 году закончено картирование ДНК дрожжевой клетки, в 1998 году полностью картирован геном круглого червя и т.д. К настоящему времени полностью завершено определение последовательности оснований в ДНК более чем 50 представителей животного мира (в основном с малым размером генома – возбудители пневмонии, сифилиса, риккетсии, спирохеты, дрожжей, круглого червя и т.д.). Завершается аналогичная работа и в отношении генома человека. Описано более 19 тысяч различных заболеваний человека, из них около 3 тысяч – наследственные болезни.
Одна из интересных инициатив в области геномики заключается в создании искусственной ДНК, которая содержала бы минимальный набор генов, необходимых клетке для автономного существования. Подсчитано, что для этого потребуется около 350 - 450 генов.
В настоящее время вся нуклеотидная последовательность генома человека расшифрована, решается следующая задача – изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявление генетических различий между индивидуумами. Это позволит перейти к созданию генных портретов (карт) людей. Это с одной стороны поможет успешнее лечить заболевания, с другой ставит ряд серьёзных вопросов. Например, страховые компании могут использовать сведения из генетической карты подающего на страховку человека несущего рецессивный ген болезни, для взвинчивания цен при его страховании.
С другой стороны предполагается, что на следующем этапе развития геномики значительное место займут исследования связанные с расшифровкой функциональных характеристик всех кодирующих и не кодирующих областей генома в приложении к индивидууму.
Индивидуальный подход к изучению структуры и функции генома людей, скорее всего окажется ведущим в развитии этой области генетики.
Международный проект «Геном человека», в котором участвовало несколько тысяч учёных, закончил функционировать в 2000 г. Однако исследования в этом направлении не прекращаются. Это был один из самых дорогостоящих проектов в истории цивилизации, его стоимость более 500 миллионов долларов в год.
К сожалению, Россия приостановила свой вклад в международный проект « Геном человека».
В качестве потенциального вектора рассматривается небольшой аденоассоциированный вирус (AAV), потому что в отличие от аденовирусов он не вызывает заболевания. Однако он не так хорошо переносит ген. Для улучшения его как вектора проводятся эксперименты по облучению и химической модификации. В других лабораториях экспериментируют с ретровирусами-переносчиками CFTR, так как эти вирусы естественным образом встраивают свой геном в клетки хозяина.
Правда, при этом остается нерешенным вопрос, избавит ли нормальный синтез белка CFTR от бактериальных инфекций легких, на которые приходятся 90% заболеваемости и смертности. Есть все основания надеяться, что генная инженерия успешно справится с этой задачей. Белок в легких, функция которого заключается в уничтожении чужеродных клеток, не активизируется при повышенной концентрации соли (а именно этим и характеризуется кистозный фиброз); но как только CFTR начинает вырабатывать свой продукт, концентрация соли понижается, и белок активизируется.
В настоящее время разрабатываются методы генной терапии при лечении других наследственных болезней. Так, при нарушениях функции кровяных клеток их можно преобразовывать в культуральной среде и вводить в
костный мозг пациента, в их естественную среду. Несомненно, некоторые из разработок увенчаются успехом и в течение последующих лет станут обычной медицинской практикой.
Все приведенные факты - примеры так называемой соматической генной терапии, то есть они применяются по отношению к телу (соме ) пациента в надежде, что получится достаточное количество клеток, способных выполнять нормальные функции. Пациент может выздороветь, но риск передачи нежелательных генов потомству все равно остается, потому что половые клетки таким образом не модифицируются.Терапия половых клеток нацелена на модификацию всего организма, включая и железы, вырабатывающие половые клетки. Простейший (теоретически) способ состоит в том, чтобы модифицировать оплодотворенную яйцеклетку, введя в нее подходящий трансген. Такого рода процедура уже возможна и успешно проведена на опытных животных, например на мышах. Но можно ли ее применить по отношению к человеку и, главное, стоит ли? Это серьезный этический вопрос, и некоторые поборники нравственности утверждают, что если соматическая генная терапия этична, то играть с человеческим геномом и изменять генный набор наших потомков недопустимо, поэтому подобные процедуры следует запретить.
Геномика - изучение всего генома
Последние достижения в области секвенирования и развитие технических средств для обработки большого количества клонов в библиотеке генов позволили ученым исследовать сразу весь геном организма. Сейчас определены полные последовательности многих видов, в том числе большинства так называемых модельных генетических организмов, таких как Е. coli, круглого червяCaenorhabditis elegans;
и, конечно, классического объекта генетики, плодовой мушки Drosophila melanogaster. В 1990-х годах, несмотря на ряд неурядиц и разногласий, был начат проект по исследованию человеческого генома («Геном человека»), средства на который выделил Национальный институт здоровья. В феврале
ПРЕСС, 2004. - 448 с: ил.
2001 года большая группа исследователей во главе с Дж. Крэйгом Вентером из частной лаборатории «Селера Дженомикс» сделали заявление о предварительной расшифровке человеческого генома. Результат их работы был опубликован 16 февраля 2001 года в журнале «Science».
Другая версия, которую представила группа из Международного консорциума по секвенированию человеческого генома, была напечатана 13 февраля 2001 года в журнале «Nature».
Временем зарождения геномики можно считать середину ХХ века, когда генетики составили карты всех хромосом модельных организмов, основываясь на частоте рекомбинаций (см. гл. 8). Однако на этих картах были показаны лишь те гены, для которых были известны мутантные аллели, и поэтому полными такие карты назвать нельзя. Полное секвенирование ДНК позволяет выявить местонахождение всех генов организма, а также установить последовательность оснований между ними.
Геномика делится на структурную и функциональную. Структурная геномика ставит целью выяснить, где именно в хромосомной ДНК расположены те или иные гены. Компьютерные программы распознают типичные для генов начала и концы, отбирая те последовательности, которые, вероятнее всего, и являются генами. Такие последовательности называют открытой рамкой считывания (open
reading frame, OFR ). Те же компьютерные программы могут опознавать и типичные интроны в OFR-последовательностях. После того как интроны из потенциального гена вычленены, по оставшемуся коду компьютер определяет последовательность аминокислот в белке. Затем эти потенциальные белки сравнивают с теми белками, функции которых уже известны и последовательности которых уже занесены в базу данных. Благодаря такому роду программ был установлен так называемыйэволюционный консерватизм: то, что для большинства генов в разных организмах имеются схожие гены. С позиций эволюционного развития такое сходство объяснимо: если белок какого-то одного биологического вида хорошо приспособлен для своих функций, то его ген передается в том же виде или с небольшими изменениями к видам, происходящим от начального. Эволюционный консерватизм позволяет опознавать гены, родственные данному гену в других организмах. Сравнив полученный ген с уже известными, зачастую можно определить и его функцию, обязательно проверив ее в последующих экспериментах.
После определения всех потенциальных генов приступают к составлению генетической карты. Генетическая карта человека - довольно запутанная и пестрая диаграмма, так как каждый ген отмечают определенным цветом в зависимости от его функции, устанавливаемой в сравнении с другими известными генами. Большинство генов человека, как и вообще гены всех эукариот, имеют большие интроны. По приблизительным оценкам, среди опубликованных последовательностей около трети или четверти приходится на интроны. Любопытно, что только около 1,5% всего генома человека (около 2,9 х 109 пар
оснований) содержат последовательности (экзоны), кодирующие белки. Кроме того, похоже, что эта ДНК содержит только 35 000-45 ООО генов, а это меньше предсказанного. Нам еще предстоит понять, как относительно малое количество генов кодирует такой сложный организм.
От двух третей до трех четвертей генома приходится на обширные
Генетика / Бартон Гуттман, Энтони Гриффитс, Дэвид Сузуки, Тара Куллис. - М.: ФАИР-
ПРЕСС, 2004. - 448 с: ил.
Количество копий повторяющейся ДНК у разных людей неодинаково, поэтому их можно использовать для установления личности, в том числе и в судебной медицине.
Функциональная геномика
Функциональная геномика - это исследование функций генов на уровне всего генома. Хотя потенциальные гены можно определить по сходству с генами, выполняющими известные функции в других организмах, все догадки следует проверять на примере изучаемого организма. В некоторых модельных организмах, например в пищевых дрожжах, можно систематически отключать функцию генов по очереди.Выключение гена происходит посредством замены его функциональной формы стертой формой на особом векторе. Затем получают штамм с выключенным геном и оценивают его фенотип. В ходе продолжающейся программы по анализу генома пищевых дрожжей по очереди было выключено несколько тысяч генов.
Другой метод функциональной геномики заключается в том, что изучают механизм транскрипции на уровне всего генома. Данный метод основан на предположении, что большинство биологических явлений представляют собой сложные процессы с участием многих генов. Особый интерес у исследователей вызывают процессы, связанные с развитием организма, о которых мы упоминали в гл. 11. Если транскрипцию генов изучать в разных условиях роста, то можно составить представление о полных генетических путях развития организма.
Но как можно изучать транскрипцию на уровне всего генома? Опять-таки в этом ученым помогают новые технологии. ДНК каждого гена в геноме или некоторой части генома помещают на поверхности небольших стеклянных пластин, расположенных по порядку. Потом их подвергают воздействию со стороны всех видов мРНК, обнаруженных в клетке данного организма. ДНК на пластинках получают двумя
способами. При одном способе все мРНК подвергаются обратной транскрипции, чтобы получить короткие комплементарные молекулы ДНК, соответствующие одному гену. При другом способе гены (или части генов) синтезируются по одному основанию за раз на определенных участках пластин. Синтез осуществляют роботы, открывающие и закрывающие
Генетика / Бартон Гуттман, Энтони Гриффитс, Дэвид Сузуки, Тара Куллис. - М.: ФАИР-
ПРЕСС, 2004. - 448 с: ил.
поверхность стекла в определенном порядке. Пластинки с геномом многих организмов можно приобрести в химических компаниях.
Для изучения механизма транскрипции все мРНК определенной стадии развития помечают флуоресцентной меткой и распределяют их по поверхности пластин. Эти мРНК прикрепляются к соответствующим им ДНК, и их можно опознать по светящимся участкам. Поскольку положение каждой ДНК отдельного гена на пластинах известно заранее, компьютер определяет, какие гены транскрибируются на данной стадии развития.
Итак, с помощью этих и других технологий генетики начинают выяснять общие модели организации живого с функциональной и структурной стороны. Для обработки громадного количества информации появилась особая ветвь науки - биоинформатика. Ближайшие десятилетия обещают стать временем поистине великих открытий.
Генетика / Бартон Гуттман, Энтони Гриффитс, Дэвид Сузуки, Тара Куллис. - М.: ФАИР-
ПРЕСС, 2004. - 448 с: ил.
Первый черновой вариант, 2003 год - завершение проекта). Её развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований . Например, объём генома человека составляет порядка 3 млрд пар оснований. Самый крупный из известных (на начало 2010 года) геномов принадлежит одному из видов двоякодышаших рыб (примерно 110 млрд пар).
Разделы геномики
Структурная геномика
Структурная геномика - содержание и организация геномной информации. Имеет целью изучение генов с известной структурой для понимания их функции, а также определение пространственного строения максимального числа «ключевых» белковых молекул и его влияния на взаимодействия .
Функциональная геномика
Функциональная геномика - реализация информации, записанной в геноме, от гена - к признаку.
Сравнительная геномика
Сравнительная геномика (эволюционная) - сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов.
Получение полных последовательностей геномов позволило пролить свет на степень различий между геномами разных живых организмов. Ниже в таблице представлены предварительные данные о сходстве геномов разных организмов с геномом человека. Сходство дано в процентах (отражает долю пар оснований , идентичных у двух сравниваемых видов).
| Вид | Сходство | Примечания и источники |
|---|---|---|
| Человек | 99,9 % | Human Genome Project |
| 100 % | Однояйцевые близнецы | |
| Шимпанзе | 98,4 % | Americans for Medical Progress; |
| 98,7 % | Richard Mural из Celera Genomics, цитируется в MSNBC | |
| Бонобо , или карликовый шимпанзе | То же, что и для шимпанзе. | |
| Горилла | 98,38 % | Основано на изучении интергенной неповторяющейся ДНК (American Journal of Human Genetics, февраль 2001, 682, стр. 444-456) |
| Мышь | 98 % | |
| 85 % | при сравнении всех последовательностей, кодирующих белки, NHGRI | |
| Собака | 95 % | Jon Entine в San Francisco Examiner |
| C. elegans | 74 % | Jon Entine в San Francisco Examiner |
| Банан | 50 % | Americans for Medical Progress |
| Нарцисс | 35 % | Steven Rose в The Guardian от 22 января |
Примеры применения геномики в медицине
В больнице Висконсина ребёнок в возрасте трёх лет долгое время ставил врачей в тупик, его кишечник отёк и был полностью пронизан абсцессами. К своим трем годам этот ребёнок пережил более ста отдельных хирургических операций. Для него был заказан полный сиквенс кодирующих участков его ДНК, по результатам с помощью подручных средств был выявлен виновник заболевания – белок XIAP, участвующий в сигнальных цепях запрограммированной клеточной смерти. При нормальной работе он играет очень важную роль в иммунной системы. На основе такого диагноза физиологами была рекомендована трансплантация костного мозга в июне 2010. К середине июня ребёнок уже смог впервые в своей жизни поесть.
Другой случай связан был с нетипичным раковым заболеванием у 39ти летней женщины, страдающей острой формой промиелоцитарной лейкемии. При стандартных методах диагностики, однако, заболевание не было выявлено. А вот при расшифровке и анализе генома раковых клеток выяснилось, что крупный участок 15ой хромосомы переместился на 17ю, что вызвало определённое генное взаимодействие. В результате женщина получила необходимое ей лечение.
Примечания
См. также
Ссылки
- Тищенко П. Д. Геномика: новый тип науки в новой культурной ситуации .
- Complete Microbial Genomes (полностью расшифрованные геномы бактерий и архей).
| Геномика | |
|---|---|
| Проект «Геном» · Paleopolyploidy · Гликомика · Проект «Геном человека» · Протеомика · Метаболомика · Chemogenomics · Структурная геномика · Фармакогенетика · Фармакогеномика · Токсикогеномика · Вычислительная геномика · Биоинформатика · Хемоинформатика · Системная биология |
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Геномика" в других словарях:
геномика - * геноміка * genomics новое направление генетики, наука о геномах, включающая изучение их структуры, функционирования и эволюции на молекулярном, хромосомном, биохимическом, физиологическом уровнях. Одной из задач структурной Г. является… … Генетика. Энциклопедический словарь
Сущ., кол во синонимов: 1 генетика (11) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
геномика - Наука, изучающая все гены и их роль в структуре организма, как в нормальном состоянии, так и при заболевании Тематики биотехнологии EN genomics … Справочник технического переводчика
Геномика - прочтение генома, в частности, человека, и сопутствующая научная и техническая деятельность: ஐ Очевидно то, что легче было безнаказанно придумать дифференциацию направлений в технобиологии, поскольку призывая к плагиату и даже к улучшению… … Мир Лема - словарь и путеводитель
геномика - Genomics Геномика Исследование всей совокупности генов, составляющих организм … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
геномика - genomika statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Nauja genetikos kryptis, kuri apima genomo individualių genų molekulių lygyje, geno sandaros, jo raiškos, aktyvumo reguliavimo mechanizmo ir genų panaudojimo genų inžinerijos tikslams… … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas
Раздел генетики, изучающий структуру и функционирование генома разл. организмов с помощью биол., физ. хим. и компьютерных методов … Естествознание. Энциклопедический словарь
геномика - ген омика, и … Русский орфографический словарь
Геномика - раздел генетики, предметом которого является изучение принципов построения геномов и их структурно функциональной организации … Словарь по психогенетике
Стремится описать трехмерную структуру каждого белка, закодированного данным геномом. Используется комбинация экспериментальных и моделирующих подходов. Принципиальное различие между структурной геномикой и традиционным структурным… … Википедия
Книги
- Клиническая генетика. Геномика и протеомика наследственной патологии. Учебное пособие. Гриф УМО по классическому университетскому образованию , Мутовин Геннадий Романович. В книге рассмотрены основные положения и понятия клинической генетики с учетом результатов международной научной программы`Геном человека` (1988-2005 гг.). Представлены история, положения,…
(на английском языке - genomics) - это наука, занимающаяся изучением геномов. Количество геномной информации резко возросло в последние годы в связи с улучшением технологии секвенирования ДНК. GenBank, база данных NIH (Национальные Институты Здоровья в США), на апрель 2011 года содержит 135 440 924 секвенированных ДНК.
1956 год стал основополагающим в процессе исследований генетики человека, поскольку в этом году была создана наука хромосология, и проведен съезд по генетике человека в Копенгагене.
Эволюция любой науки обусловлена уточнением моделей и теорий, но при этом новые предположения не отменяют старые истины, так что то, что было верно вчера, не обязательно ложно сегодня. Только псевдо науки являются неизменными веками и гордятся этим, как будто это является своего рода гарантией качества.
Нас осаждают со всех сторон многочисленные дисциплины, старые и новые, которые преподают медицинские практики с исключительными результатами, революционные устройства измерения отрицательных и положительных способностей.
В настоящее время не существует сектора в науке, который не исследовался где то и кем-то в мире: каждый день, научно-исследовательские центры-гиганты при университетах, частные институты и даже мелкие лаборатории, распространяют огромное количество новой информации о новейших исследованиях и дополнений к ним. Иногда эта информация довольно эксцентрична, например в таких секторах как невидимость, сексуальное поведение мух в Китае или молекулярный вес запахов, и в областях, которые оставляют место для увлекательных сценариев, например относящиеся к конструированию жизни в лаборатории или открытия новых планет, которые могли бы принять эту новую жизнь.
Пионером гонки за увеличением срока жизни человека является Крейг Вентер, генетик, предприниматель и филантроп, который стоит за проектом "Геном Человека", в марте этого года заявил, что его последний проект в области геномики, будет использовать капитал в 70 млн. долларов, чтобы создать новую компанию с названием Human Longevity Inc (HLI). Вентер не одинок в своих амбициях. Например, компания Calicо (Калифорнийская компания жизни) имеет цели, улучшения здоровья людей, решения проблемы старения и ассоциативных болезней, и Университет Калифорнии, Сан-Диего - где будут секционировать раковый геном и опухоли HLI всем пациентам, страдающим от рака и кто даст на это свое согласие.
С момента первого секвенирования в 2011 году, геномика быстро прогрессировала, и в настоящее время ученые, изучающие рак будут переходить на новый уровень "следующий рубеж в науке", говорит Липман, директор института Калифорнии. "Сейчас мы находимся в периоде, который будет приравнен исторически для геномики секционирования клеток рака, к периоду 90-х годов для развития интернета. Мы изучаем геном и технологии секционирования в надежде, что по этой шкале могут быть достигнуты быстрые результаты. На что раньше уходило 15-20 лет теперь реально можно будет достигнуть за 1-2 года. Борьба против рака быстро развивается, и это только верхушка айсберга ".
Факты из области геномики:
. В апреле 2003 года, «Проект генома человека» - был завершен после 13 лет исследований. В этот проект было инвестировано 2,7 млрд. долларов.
. В декабре 2005 года был запущен пилотный проект «Атлас генома рака», сроком на 3 года и стоимостью 100 миллионов долларов, предназначенный для изучения генетических соединений клеток рака.
. В мае 2007 года, геном Джеймса Уотсона, один из первооткрывателей ДНК, был "секвенирован" полностью, стоимость операции составила до одного миллиона долларов.
. С конца прошлого года, компания 23andMe предоставляет возможность определения последовательности генома (секвенирование) по цене всего 1000 $.
. В настоящее время, проект генома человека продолжается. После секвенирования обнаружено было около трех миллиардов пар оснований, которые составляют ДНК. Проект ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК), родился как результат международного сотрудничества более чем 80 стран и 35 научно-исследовательских групп, он обещает первую интерпретацию информации для описания поведения генома.
Исследователи смогли понять, как и где определенные биологические функции возникают, бросая вызов различным догмам и переоценкам того, что до вчерашнего дня считалось "нежелательной" ДНК или не кодированным (неактивным) ДНК. "Новые данные показывают, что геном содержит очень мало разделов которые не используется",- утверждается в заявлении «Консорциума и Европейской лаборатории молекулярной биологии» (EMBL-EBI), который возглавлял исследование вместе с «Национальным научно-исследовательским институтом генома человека» (NHGRI), «Национальный институт здоровья» (NIH) в США. Опровержение мифа о генетической детерминированности, совершенное проектом « Геном человека», знаменует начало новой постгеномной эры.
Новая культурная ситуация
До недавнего времени "дизайн" человека, то есть создание всех его характеристик было возложено на природу, никто не мог вмешаться, чтобы улучшить человеческое существо.
Каждый новый организм рождается из маленькой ячейки. Он наследует программу предков в форме ДНК, но не наследует физические тела своих предков. Он наследует сердце родителей, но у него новое сердце. Все начинается с нуля, с одной клетки, но с каждой новой жизнью программа ДНК может получить как улучшения, так и ухудшения.
Прежде чем оценить эффект геномики следует отметить, что было бы невозможно, и даже безответственно, отказаться от генетических методов манипуляции только потому, что эти методы могут быть использованы недобросовестными и эгоистическими людьми в своих целях.
Ни один государственный орган не имеет ту волшебную палочку, которая может заставить исчезнуть все технологии геномики. Главный вопрос развития геномики состоит не в том, чтобы думать, как блокировать этот прогресс, но скорее, как получить максимальную выгоду и минимизировать риски.
Оценка возможностей геномики в целях терапевтических возможностей и в области улучшения генетического фона зависят от этических принципов, которые будут приниматься в качестве ориентира.
Для тех, кто является сторонниками репродукции человека "под наблюдением", и которые готовы принять как факт, возможности использования искусственных методов будет очень легко принять и генетические манипуляции, но для кого-то, это будет неприемлемо.
Выходя за рамки принципов, от которых отталкивается наука, человечество должно иметь в виду, что все технологии геномики применяемые на человеке, имеют на первом плане самого человека. Этот фактор поднимает много знаков вопроса, в том числе и вопрос о том какой эффект может иметь генная инженерия в балансе экосистемы и морали самого человека, который в итоге и является бенефициаром такой науки как геномика.
Прежде чем говорить непосредственно о последствиях, которые могут иметь генетические манипуляции, уточняем, что желание улучшить дизайн человеческого существа, до рождения, это в первую очередь прямое влияние на селекцию, то есть "удаление того что отличается, что не совершенно, неудачно получилось ". Это тоже самое что выбросить неудачный эмбрион в мусор во время процедуры ЭКО.
В среде такой науки как геномика, мы можем говорить о возможности основать новый вид услуг, «ген служба», которая должна будет удовлетворить человеческое желание улучшить свой генофонд. Это услуга, скорее всего, будет платной с поддержкой государства или же строго коммерческой, где каждый человек, при условии, что он платежеспособен, сможет корректировать свою генную информацию.
Но существование этого "сервиса" будет невозможным без технического прогресса и некоторого изменения менталитета человека.
Как и любое лекарство, так и новые технологии геномики могут быть использованы для "сыворотки к гену", где существуют короткосрочные или долгосрочные риски. Всегда присутствует риск, что будут устранены гены, которые имеют еще не известные положительные аспекты и которые могут проявляться в различной среде. Например, тот же ген, который вызывает серповидно-клеточную анемию, делает организм более устойчивым к малярии.
Что касается генной терапии, мы должны предполагать изменения в половых клетках, как следствие соматической генной терапии. В определенных обстоятельствах это может быть законным (следует оценивать, можно ли позволять таким людям, размножаться, после лечения или нет), поскольку модификация половых клеток для лечения может привести к изменениям генетического наследия будущих поколений. Так же развивается генная терапия зародышей и появляется необходимость проводить эксперименты на эмбрионах. Естественно, что до достижения успеха в этих исследования, будет множество неудач, что предполагает то, что объект исследования умрет. Да, во имя науки и во блага будущих поколений можно эти жертвы оправдать, но это не может быть оправдано с этической точки зрения.
