Расшифровка генома человека

 

 

 

 

Реферат

по истории и философии науки

на тему:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСШИФРОВКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА И

ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БУДУЩЕГО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………. 3

1. История исследования генома человека…………………………………….. 4

2. Основные результаты  программы «Геном человека»……………………… 7

3. Общебиологическое значение проведенных исследований ……………… 10

4. «Геном человека» как  научная основа медицины и фармацевтики

     будущего…………………………………………………………………….. 11

5. Проблемы и опасения «геномной гонки»………………………………….. 14

Заключение …………………………………………..…………………………. 19

Список литературы …….………………………………………………………. 21

 

Введение

 

Развитие науки и прогресс человечества необратим. Пытливый человеческий ум достиг следующего этапа своего развития, пытаясь повлиять на тончайшие механизмы наследственности и изменчивости. Поскольку большинство наследственных болезней являются практически неизлечимыми, перед человечеством встала задача поиска возможностей повлиять на неизбежное. Для этого необходимо, прежде всего, изучить последовательность генов, кодирующих интересующий признак, и при необходимости попытаться его изменить.

За последние десятилетия в индустриально развитых странах доля наследственных болезней в общем объеме заболеваний значительно увеличилась. Именно наследственностью обусловлена предрасположенность к раковым и сердечно-сосудистым заболеваниям. В значительной степени это связано с экологической ситуацией, с загрязнением окружающей среды, так как многие отходы промышленности и сельского хозяйства являются мутагенами, изменяющими человеческий генофонд. Учитывая современный уровень развития генетики можно предположить, что научные открытия будущего позволят путем изменения генома адаптировать человека к неблагоприятным условиям внешней среды. Что же касается борьбы с наследственными заболеваниями, то их лечение путем замены больных генов на здоровые кажется реальным уже сейчас. Все это означает, что человек получит возможность не только изменять живые организмы, но и конструировать новые формы жизни. Хотя в связи с этим возникает целый ряд серьезных вопросов.

Основной этической проблемой современной медицинской генетики стал вопрос конфиденциальности генетической информации, произвольность проведения генетического тестирования, доступность медицинской генетической помощи и т.д. [1]. Манипулирование с генетическим материалом и клетками человека сопряжено с взятием образцов биоматериала у индивидов для диагностики или экстракорпоральных изменений в интересах данного лица или его родственников. В этом случае наибольшую опасность может представлять дискриминация отдельных лиц или групп на основе полученной о них информации, что может навредить не только пациенту, но и родственникам. В связи с этим в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие распространение такой информации, и юристы всего мира работают над этой проблемой.

Несмотря на все возникающие сложности, развитие геномики дает надежду человечеству на улучшение качества жизни. Прежде всего, это сверхранняя диагностика, которая поможет более успешному лечению болезней, передаваемых наследственным путем. Будут найдены лекарства от рака, диабета, астмы, эпилепсии, сердечно-сосудистых заболеваний и многих других недугов, против которых сегодняшняя медицина бессильна. Кроме того, появится возможность разобраться в механизме старения, увеличив среднюю продолжительность жизни.

 

 

1. История исследования  генома человека

 

В конце XX века генетика вплотную подошла к решению одного из фундаментальных вопросов биологической науки - вопроса о полной расшифровке наследственной информации о человеке.

Впервые идея организации подобной программы была выдвинута в    1986 г. Тогда идея показалась неприемлемой. Геном человека, то есть совокупность всех его генов содержит около трех миллиардов нуклеотидов, а в конце 80-х годов затраты на определение одного нуклеотида составляли около 5 долларов США. Кроме того технологии 80-х позволяли одному человеку определять не более 100 000 нуклеотидов в год. Тем не менее, уже в 1988 г. Конгресс США одобрил создание американского проекта исследований в этой области, руководителем которого стал нобелевский лауреат Дж. Уотсон, один из первооткрывателей знаменитой двойной спирали ДНК. В 1989 г. в СССР по решению правительства было также открыто финансирование и организован Научный совет по программе «Геном человека» под руководством А.А. Баева, выдающегося российского биолога и биохимика. Расположившийся в головном учреждении программы - Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, совет весьма быстро создал инфраструктуру, объединил исследования многих разрозненных групп. В скором времени в России по проекту стало работать около 100 групп.

Позднее в 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO‚ Human Genome Project), вице-президентом которой несколько лет был академик А.Д. Мирзабеков. Это был один из самых дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории цивилизации. Координационный центр HUGO находился в американском городе Бетесда, недалеко от Вашингтона, и относился к системе национальных институтов здоровья (National Institutes of Health). Возглавлял его Фрэнсис Коллинз - директор Института геномных исследований в Бетесде. Центр координировал научную работу в шести странах - Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. Всего в проекте было задействовано несколько тысяч ученых из более 20 стран [2].

Конечной целью международной программы «Геном человека» являлось определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). Ожидалось, что затем исследователи определят все функции генов и разработают возможности использования полученных данных. В задачи обширного проекта помимо секвенирования генома человека входило всестороннее изучение генетики бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши (эти организмы широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека). Кроме того, предусматривался детальный анализ этических и социальных проблем, возникающих в связи с работой над проектом.

С самого начала работ по геномному проекту мир договорился об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Это означало, что любая лаборатория, закончив расшифровку нуклеотидной последовательности какого-либо фрагмента ДНК, немедленно должна посылать результаты в международную базу данных в Америку или Германию. Из таких баз данных ученые, занимающиеся биоинформатикой, использовали информацию для своих расчетов.

Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-й, 13-й и 19-й хромосом. Вскоре финансирование этих работ в нашей стране было урезано, и реального участия в секвенировании Россия не принимала. Программа геномных исследований в России была полностью перестроена и сконцентрирована на новой области – биоинформатике, которая пыталась с помощью математических методов понять и осмыслить все, что уже расшифровано.

В середине 70-х годов было предложено два различных метода для расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК. Хронологически первым был метод Максама - Гилберта. В его разработке большую роль сыграл академик Андрей Дарьевич Мирзабеков. Английский ученый Фред Сэнгер предложил другой способ расшифровки структуры ДНК. Метод Максама - Гилберта состоял в том, что молекулу ДНК разбивали на кусочки, затем эти кусочки подвергали химическим воздействиям, потом специальным образом обрабатывали. Ученые смотрели, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делали вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК. Согласно методу Сэнгера молекулу ДНК с помощью специальной обработки ферментами не только расщепляли на фрагменты, но и «расплетали» ее двойную спираль на две нити. Потом по каждому из полученных обрывков, состоящих из отдельных нуклеотидных «нитей», с помощью специальных химических «затравок» восстанавливали недостающую вторую нить нуклеотидов. Но не полностью - ее синтез обрывали на разных нуклеотидах. При этом получался набор цепей ДНК с непрерывно изменяющейся длиной – «лесенка». Фрагменты разной длины помечались на концах флуоресцентной меткой, чтобы их было легко обнаружить. Российские биологи также в свою очередь внесли существенный вклад в разработку этого метода. Новосибирский ученый профессор Василенко Станислав Константинович предлагал принцип «лесенки» еще до публикации работ Сэнгера, этот же принцип развивал и академик Свердлов Евгений Давыдович, директор Института молекулярной генетики РАН.

В России, также получил развитие проект по определению генома разных народностей. Исторически сложилось, что Россию населяли разные этнические группы. Оказалось, что геном у разных народностей несколько различается. Можно в ДНК выделить определенный «рисунок» нуклеотидов (особое расположение), который будет говорить о том, что один человек - башкир, а другой - татарин. Геномы представителей разных этнических групп не идентичны, но различия между ними чрезвычайно незначительны, хотя и абсолютно достоверны, и поэтому возможно сравнивать разные этнические группы. Такой подход связывает геномику с историей, лингвистикой, археологией, палеонтологией и этнографией. В связи с этим возникают очень интересные находки. Было установлено, что славяне близки по материнской линии (поскольку изучается митохондриальная ДНК, передающаяся ребенку от матери) к нашим западным соседям: немцам и угрофиннам. В проведении этих работ участвовали исследователи из Томска, Москвы, Уфы и Тарту (Эстония).

Полученные результаты по расшифровке генома человека позволили говорить о наследовании определенной генетической предрасположенности к формированию различных физических качеств человека, развитие которых зависит от биосоциальных условий. Идентификация генетического маркера [3], позволяющего прогнозировать развитие физических качеств человека, имеет большое значение для наиболее эффективного профессионального отбора в спорт и другие виды деятельности, связанные с экстремальными физическими нагрузками. Это послужило предпосылкой для проведения отдельных исследований, которые были сосредоточены в США под руководством доктора Клода Бочара. Были созданы два крупных проекта. Один из них под названием «Наследство» выполнялся учеными из пяти университетов, и на его осуществление было выделено 23 млн. долларов. Второй проект назывался «Генатлет» и выполнялся учеными четырех стран (США, Канада, Германия и Финляндия). Под наблюдением находились 300 спортсменов, имеющих МПК свыше 75 мл/кг/мин, и 300 нетренированных испытуемых с МПК ниже 50 мл/кг/мин. Было установлено, что ген ангиотензин-конвертирующего фермента (АКФ) является основным генетическим маркером, связанным со спортивными результатами в разных видах спорта [3, 4, 5]. Кроме этого исследовалась связь между физической активностью человека и полиморфизмом еще шести генов [6]. Оказалось, что ангиотензин II не только участвует в метаболизме как регулятор гемодинамики, но и одновременно является фактором роста, усиливающим процессы синтеза структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы [5].

В России изучение данной проблемы было ограничено участием двух организаций - Института цитологии РАН и Санкт-Петербургского НИИ физической культуры. Сопоставление результатов, полученных в Санкт-Петербурге и в одной из ведущих лабораторий мира - Центре сердечно-сосудистой генетики Лондонского университета (Англия), свидетельствовали об их корректности и открывали возможность для осуществления совместных научных проектов.

В течение последних лет исследования по проекту «Геном человека» проводились в следующих направлениях:

1. Компьютерный анализ  полного генома человека и  его частей на основе информации  в открытых базах данных. Разработка  принципиально новых подходов к хранению, обработке и получению структурной информации из баз данных на основе вновь созданного программного обеспечения.

2. Идентификация новых  генов на основе физического, хромосомного и функционального картирования, клонирования и секвенирования. Структурный и функциональный анализ вновь найденных генов и регуляции их активности.

3. Установление cause-and-effect генетических  отношений между генами и предрасположенностью  к широко распространенным заболеваниям различной природы. Выявление роли индивидуальных генов и их мутаций в этиологии и развитии некоторых заболеваний человека.

4. Развитие методов генной  и геномной диагностики заболеваний  человека на основе знания  физической карты и последовательностей  нуклеотидов.

5. Разработка методов  генной терапии моногенных заболеваний на основе знаний о молекулярно-генетических механизмах их возникновения и развития.

6. Разработка открытых  юридических, этических, законодательных/ правовых, социальных и других аспектов исследований генома и использования информации о структуре и свойствах геномов отдельных людей. Предсказания путей развития медицины и здравоохранения на основе нового уровня знаний о геноме человека и формулирование соответствующих практических предложений [7].

 

2. Основные результаты программы «Геном человека»

 

Закончить работу предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005 г. Однако скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год по всему миру, то на исходе 1999 г. частная американская фирма “Celera”, возглавляемая Дж. Вентером (J. Venter), расшифровывала не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Этого удалось достичь благодаря тому, что секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок, которые работали круглосуточно, функционируя в автоматическом режиме и сразу же передавая всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизировалась, аннотировалась и становилась доступной ученым всего мира. Кроме того, фирма “Celera” широко использовала данные, полученные в рамках Проекта другими его участниками. 6 апреля 2000 г. состоялось заседание Комитета по науке Конгресса США, на котором Крэг Вентер заявил, что его компания завершила расшифровку нуклеотидной последовательности всех существенных фрагментов генома человека, и что предварительная работа по составлению нуклеотидной последовательности всех генов, наконец, завершена.

Доклад был сделан в присутствии представителя HUGO доктора Р.Уотерсона. Расшифрованный фирмой “Celera” геном принадлежал анонимному мужчине, т.е. содержал как X-, так и Y-хромосомы, а HUGO использовали в своих исследованиях материал, полученный от разных людей. Между Вентером и HUGO велись переговоры о совместной публикации результатов, однако они закончились безрезультатно из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. По мнению компании “Celera”, об этом можно говорить лишь в том случае, если гены полностью секвенированы и известно, как расшифрованные сегменты располагаются в молекуле ДНК. Этому требованию удовлетворяли результаты “Celera”, в то время как результаты HUGO не позволяли однозначно определить взаимное положение расшифрованных участков. В результате в феврале 2001 г. два наиболее авторитетных научных журнала в мире “Nature” и “Science” опубликовали отчеты двух научных групп, расшифровавших геном человека. В журнале “Nature” от 12 февраля 2001 г. приведены подробные данные о структуре генома человека, полученные международным консорциумом HUGO с привлечением государственного финансирования. Эта группа выделила в ДНК особые маркеры, легко распознаваемые участки, и по ним определила нуклеотидные последовательности генома человека. В журнале “Science” от 16 февраля 2001 г. ученые частной фирмы “Celera Genomics” опубликовали результаты расшифровки генома человека, полученные с применением другой стратегии исследований, в основе которой лежал анализ последовательностей нуклеотидных оснований в коротких участках ДНК человека. Таким образом, при расшифровке генома человека были использованы два научных подхода, каждый из которых имел свои преимущества и недостатки. Важно отметить, что были получены близко совпадающие результаты, которые взаимно дополняли друг друга и свидетельствовали об их достоверности. Предварительный анализ опубликованных материалов по расшифровке генома человека позволял выделить несколько особенностей. Количество генов у человека оказалось существенно меньше, чем предполагали ученые несколько лет назад, называя величины 80 000-100 000 генов.