Проект «Геном Человека». Мечты сбываются?

27.09.201037870
2. Цели и результаты

Решение сначала простых задач с постепенным их усложнением, обучением персонала, разработкой все более совершенных технологий – таким был путь исследователей, приступивших к разработке проблемы генома человека. Цели проекта, а также достигнутые результаты и даты их получения приведены в таблице 2.

Таблица 2. Цели проекта и достигнутые результаты.



Примечания: однонуклеотидные полиморфизмы; кДНК; нокауты.

Организмы с полностью прочитанными геномами.

Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других, гораздо более простых организмов; без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Первой значимой вехой в проекте стало полное картирование в 1995 г. генома бактерии Haemophilus influenzae – важного патогенного микроорганизма, вызывающего заболевания дыхательных путей, поражения органов центральной нервной системы и развитие гнойных очагов в различных органах. В 1996 г. было закончено картирование ДНК дрожжевой клетки (12,5 [url=http://slovari.yandex.ru/~книги/Естественные%20науки/Мегабаза./]Мб[/url], 6 тыс. генов), в середине декабря 1998 г. был полностью картирован геном нематоды C. elegans (97 Мб, 19 099 генов).

Эти данные стали основой для создания нового направления в биологии — сравнительной геномики. Результаты, полученные международным коллективом ученых, были опубликованы в журнале «Science» [3].

Изученные гены человека

С января 1995 г. по январь 1996 г. длина полностью прочитанных участков ДНК человека увеличилась почти в 10 раз. Однако, несмотря на то, что прогресс был налицо, все, что было «прочитано» за год, составляло менее одной тысячной процента человеческого генома. Тем не менее, проект «Геном человека» быстро прогрессировал. К июлю 1998 г. уже было секвенировано почти 9% всего генома, а затем каждый месяц появлялись все новые результаты. Скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год в лабораториях всего мира (вместе взятых), то на исходе 1999 г. компания «Сelera Genomics» расшифровывала уже не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Надо заметить, что появление компании «Сelera Genomics» сыграло позитивную роль, потому что ученые, занятые в государственных программах, почувствовали жесткую конкуренцию. Кроме того, после создания компании остро встал вопрос об эффективности использования государственных капиталовложений, ведь Вентер заявил, что все государственные программы малоэффективны и что в его фирме геном секвенируют быстрее и дешевле. Научному сообществу срочно пришлось повышать эффективность работы.

Следует заметить, что использование только одного метода может давать систематические ошибки, которые очень трудно «поймать», а специалисты из «Сelera Genomics» и из международного консорциума «Геном человека» использовали разные методические подходы к секвенированию.

Компания «Сelera Genomics» применяла метод так называемого дробления – shotgun. ДНК делили на маленькие фрагменты, а затем определяли нуклеотидную последовательность каждого из полученных «кусочков». При этом одни и те же «кусочки» ДНК попадали в секвенатор по 10-20 раз. Затем специальная компьютерная программа «выстраивала» полученные данные в одну цепочку. Таким образом ученые экономили колоссальные время и деньги на подготовке генетического материала – раздробить ДНК на фрагменты легко, – но теряли на том, что по несколько раз секвенировали одни и те же фрагменты.

У международного консорциума была противоположная тактика: «кусочки» молекул ДНК сначала выстраивали друг за другом – делали карту, а потом по ней «шли». Таким образом, ученые теряли время на подготовке материала, но выигрывали в секвенировании – не нужно было по много раз выполнять одну и ту же работу.

Еще одно отличие между двумя командами ученых заключалось в том, что компания «Сelera Genomics» ориентировалась на геном одного человека - белого мужчины среднего возраста. Выполняя программу «Геном человека» исследователи из шести стран секвенировали геномы разных людей, а затем при объединении данных был получен некий усредненный геном.

Черновой вариант человеческого генома был закончен в июне 2000 г., на год раньше запланированного срока. Конкурирующие организации «Геном человека» и «Celera Genomics» по взаимной договоренности одновременно объявили о завершении работ по расшифровке. В феврале 2001 г. Международный Консорциум по секвенированию генома человека опубликовал в журнале Nature черновой вариант полной последовательности генома человека, содержащей 3 миллиарда пар азотистых оснований [4].

В том, что геном человека был прочитан на удивление быстро, особенно велика роль японских исследователей. В 1987 г., через десять лет после появления технологии определения последовательности ДНК, в Японии был создан первый автоматический секвенатор, а в 1998 г. – автоматический высокопроизводительный капиллярный секвенатор ДНК. Секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок; они работали круглосуточно, функционировали в автоматическом режиме и сразу же передавали всю информацию непосредственно в банки данных, где с помощью специальных программ она систематизировалась и аннотировалась.

Поразительным открытием этого первого, полученного в 2001 г., результата было то, что количество генов человека оказалось гораздо меньше, чем предполагалось ранее. Ожидалось, что обнаружится не меньше 100 тысяч генов, однако по окончании тотального секвенирования разные компьютерные программы насчитали в геноме человека от 21 000 до 39 000 генов (разница связана с тем, что можно было задавать критерии c разной степенью строгости). Одна из лучших программ насчитала в человеческой ДНК 26 688 генов. Точное количество генов, кодирующих белки, до сих пор не известно, и сейчас принято считать, что в геноме человека содержится около 30 000 генов.

Была получена исключительно интересная информация о вовлеченности генов в развитие и функционирование отдельных органов и тканей организма человека. Оказалось, что самое большое количество генов необходимо для формирования мозга и поддержания его активности (3 195 генов), а самое маленькое - для образования эритроцитов – всего 8.

Таблица 3. Количество генов, вовлеченных в развитие и функционирование органов, тканей и клеток человека.



В ходе проекта также выяснилось, что «смысловые» участки ДНК, содержащие гены, кодирующие информацию о белках, занимают лишь 1% генома. Около 99% последовательностей ДНК генома человека относят к некодирующей ДНК (называемой также «мусорной» (junk DNA)), которая не экспрессируется, то есть не имеет выражения в белке. В основном это многократно повторяющиеся некодирующие последовательности нуклеотидов.

Различают несколько классов повторяющейся ДНК. Основные два класса — тандемные (состоящие из очень простых, относительно небольших последовательностей, уложенных тандемно – «голова к хвосту») и диспергированные (обнаруживающиеся повсеместно, рассеянные по геному) повторы.

Диспергированные повторы занимают не менее 46% генома человека. Одна из групп диспергированных повторов носит название ДНК-транспозонов. ДНК-транспозоны интересны тем, что они «путешествуют» по геному, «вырезаясь» из одной области ДНК и «вставляясь» в другую (механизм «вырезать-вставить»). Также в геноме присутствуют так называемые ретропозоны – это повторяющиеся участки, способные не просто перемещаться по геному, но и размножаться (с помощью процесса обратной транскрипции, т.е. синтеза ДНК на РНК-матрице, эти повторяющиеся последовательности расселяются по геному по механизму «копировать-вставить»). Все эти повторяющиеся последовательности некодирующей ДНК большинством исследователей считаются остатками древних вирусов, в незапамятные времена встроивших свой генетический материал в геномы живых организмов, в том числе и человека.

Более трети человеческого генома занимают два класса «мусорной» ДНК – длинные и короткие рассеянные (диспергированные) повторы. Длинные диспергированные повторы (у человека самый распространенный из них - повтор LINE1, занимающий 17% длины генома) интересны тем, что при их анализе были найдены две [url=http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%82%D1%8B%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BA%D0%B8_%D1%81%D1%87%D0%B8%D1%82%D1%8B%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F ]открытые рамки считывания[/url]. Экспериментально выделили соответствующие белки. Оказалось, что оба белка обладают свойствами, необходимыми для ретропозиции (копирования и расселения повтора по геному). С длинного повтора с помощью этих белков считывается РНК, которая затем обратно транскрибируется. ДНК-копия повтора встраивается в геном в новом месте. Таким образом, «мусорную» ДНК нельзя назвать в полном смысле слова «некодирующей» - в действительности она кодирует ферменты, необходимые для ее собственного размножения в геноме. Другие функции этих ферментов пока не ясны.

Короткие диспергированные повторы (у человека преобладает семейство Alu-повторов, занимающих 11% генома) тоже встречаются повсеместно, в том числе в интронах и регуляторных областях генов. Они ничего не кодируют и у них нет открытых рамок считывания. В отношении транспозиции короткие повторы не самостоятельны, но используют белки, кодируемые длинными повторами.

По поводу «мусорной» ДНК существуют самые разные предположения, зачастую противоречащие друг другу. Много лет назад Френсис Крик, один из двух первооткрывателей двойной спирали ДНК, назвал ее издержкой эволюции, платой за совершенство остальной части генома. Возможно, небольшая доля ДНК человека и других высших организмов действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что основная доля «мусорной» ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается в размерах, в действительности давая ее обладателям некие эволюционные преимущества. Как выяснилось в последние годы, структура повторов консервативна, то есть мутации, нарушающие «правила», установленные природой для этих элементов, отбрасываются в ходе естественного отбора или компенсируются другими мутациями. Структурное постоянство – мощный аргумент в пользу идеи того, что это отнюдь не «мусорная», а очень важная для жизни вида ДНК. Другое дело, что мы еще не знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.

Если сравнить данные, полученные при анализе генома дрожжей и анализе генома человека, то становится очевидным, что доля кодирующих участков в расчете на весь геном в ходе эволюции резко уменьшается – у дрожжей она очень высока, у человека – очень мала. Это известно сравнительно давно, но сейчас эти соотношения приобрели количественную меру и структурное обоснование.

Мы приходим к достаточно парадоксальному на первый взгляд выводу: эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с «разбавлением» генома – на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК, и все больше информации «ни о чем». Это одна из больших загадок биологической эволюции, обнаруженная благодаря проекту «Геном человека».

Еще одним важным результатом программы «Геном человека», имеющим общебиологическое и практическое значение, стали данные о вариабельности генома. В сущности, геном человека высоко консервативен. Мутации могут либо повредить его, и тогда они приводят к тому или иному дефекту или гибели организма, либо оказаться нейтральными, и тогда они не имеют фенотипического проявления. Однако в редких случаях мутации могут распространяться в популяции, и, если доля индивидуумов-носителей мутации в популяции превышает 1%, то можно говорить о полиморфизме (многообразии) генома. В геноме человека очень много участков, различающихся всего одним-двумя нуклеотидами, но передающихся из поколения в поколение. Такие участки носят название полиморфизмов или аллельных вариантов. С одной стороны, этот феномен мешает исследователю, которому приходится разбираться, имеет ли место истинный полиморфизм, или же это просто ошибка секвенирования, а с другой – создает уникальную возможность для молекулярной идентификации индивидуального организма. С теоретической точки зрения вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных.

Изучение геномов других организмов.

Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 вирусов и патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы и холеры. Благодаря этому стала возможной разработка молекулярных методов лечения многих инфекционных и вирусных заболеваний. Не случайно чисто молекулярный подход к лечению некоторых заболеваний и синдромов (генная терапия), например, СПИДа, оказывается гораздо эффективнее традиционной фармакотерапии. Внесение новых генов в пораженные ВИЧ Т-лимфоциты препятствует развитию вируса. Вирус иммунодефицита перестает размножаться и, в конечном итоге, погибает.

Как уже упоминалось, был выполнен анализ генома первого эукариотического одноклеточного организма - дрожжей S. cerevisiae и первых многоклеточных животных – нематоды C. elegans и мушки D. melanogaster, что необходимо, во-первых, для разработки методов интерпретации генов человека, а, во-вторых, для лучшего понимания эволюционной геномики.

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей