Расшифровка генома человека

На основе компьютерных алгоритмов, построенных на современных представлениях об общей структуре гена и о белковых доменах, было рассчитано количество генов, кодирующих белки в геноме человека. Международный консорциум определил 31 780 белок-кодирующих генов, а фирма “Celera Genomics” обнаружила 39 114 таких генов. Было показано, что типичный ген человека состоит примерно из 28 000 н.п. и имеет 8 экзонов, его кодирующая последовательность 1340 н.п., этот ген кодирует 447 аминокислот [8]. Кроме того, в геноме человека действует принцип «один ген - много белков», то есть многие гены кодируют семейство родственных, но существенно различающихся белков. Следует также иметь в виду процесс посттрансляционной модификации белков за счет различных химических групп - ацетильных, гликозильных, метильных, фосфатных и других. Поскольку таких групп в молекуле белка много, то и разнообразие может быть практически безграничным. Другой особенностью генома человека является наличие в нем генов различных вирусов и бактерий, которые постепенно накапливались в процессе многомиллионной эволюции человека.

Результаты расшифровки генома человека показали, что те примерно 32000 генов, которые идентифицированы в настоящее время, составляют только 3% по объему, а 97% приходится на повторы разных типов, псевдогены, молекулярные остатки вирусов и бактерий и другие элементы, функциональная роль которых остается нераскрытой. Проблема «некодирующей» ДНК возникла давно, и множество гипотез указывает на то, что она далека от решения. Кроме них в хромосомах есть теломеры, центромеры и зоны гетерохроматина, где секвенирование затруднено и они пока исключены из исследований [9].

По сравнению с геномами других эукариотических организмов у человека большее распространение получили гены, участвующие в обеспечении иммунной защиты; в развитии нервной системы (нейротрофические факторы, факторы роста нервов), сигнальных молекул, миелиновых белков, потенциал-управляемых ионных каналов и синаптических рецепторных белков; в построении цитоскелета и движении везикул, обеспечении внутри- и межклеточной сигнализации, поддержании гомеостаза. У человека значительно большее количество генов участвует в транскрипции и трансляции. Из 2000 таких генов 900 относятся к семейству белков, содержащих «цинковые пальцы».

Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых, но без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Их расшифровка велась все возрастающими темпами. Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 г. генома бактерии Haemophilus influenzae, позже были полностью расшифрованы геномы более 20 бактерий, среди которых – возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 г. картировали геном первой эукариотической клетки (клетки, содержащей оформленное ядро) – дрожжевой, а в 1998 г. впервые секвенировали геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolits elegans (нематоды), который содержал 19100 генов. Также была завершена расшифровка генома первого насекомого – плодовой мушки дрозофилы и первого растения – арабидопсиса, они содержали 13000 и 25000 генов соответственно [2].

Очень интересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает компьютерный анализ, у C.elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы и межгенные участки, т.е. на ДНК с неизвестными функциями.

Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Налицо парадокс, 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», на самом деле просто непонятой и непрочитанной учеными. Много лет назад Ф.Крик, один из авторов модели ДНК, назвал эту ДНК «эгоистической» или «мусорной». Возможно, какая-то часть ДНК человека действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что основная доля «эгоистической» ДНК сохраняется в ходе эволюции и даже увеличивается, т.е. почему-то дает ее обладателю эволюционные преимущества [10].

3. Общебиологическое  значение проведенных исследований

Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желаемом месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе. Раскрывающиеся перспективы синтеза живого вещества привлекают огромное внимание генетиков, биохимиков, физиков и других специалистов.

В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время автоматизировано, что значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти же методы анализа могут использоваться и для других целей: в медицине, фармакологии, криминалистике и т.д.

Все автоматы-секвенаторы построены по принципу метода Сэнгера, поскольку он оказался более удобным для автоматизации и комьютерной регистрации. Выпущено огромное количество автоматов и стандартных наборов реактивов для анализа. По сути, секвенирование (то есть определение нуклеотидной последовательности ДНК) стало рутинной лаборантской работой. А метод Максама-Гилбера сейчас имеет скорее историческое, чем практическое значение [11].

Исследование структуры генома ряда прокариот и эукариот, и человека в частности, способствовало созданию науки о геномах - геномики, которая занимается изучением геномов на молекулярном, хромосомном, биохимическом и фенотипическом уровнях. Структурная и сравнительная геномика через биоинформатику переходит в новый раздел - функциональную геномику, главной задачей которой является выяснение биологических функций генных продуктов и в первую очередь белков [12].

В результате проведенных исследований появилась возможность сравнивать геномы бактерий и различных эукариотических организмов. Выяснилось, что в процессе эволюционного развития у организмов увеличивается количество интронов, т.е. эволюция сопряжена с «разбавлением» генома: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и все больше участков, не имеющих ясного функционального значения (интроны). Это одна из больших загадок эволюции.

Раньше ученые – эволюционисты выделяли две ветви в эволюции клеточных организмов: прокариоты и эукариоты. В результате сравнения геномов пришлось выделить в отдельную ветвь архебактерии – уникальные одноклеточные организмы, сочетающие в себе признаки прокариот и эукариот.

Знание геномов бактерий, дрожжей и нематоды дало биологам-эволюционистам уникальную возможность сравнения не отдельных генов или их ансамблей, а целиком геномов. Эти гигантские объемы информации только начинают осмысливаться, и нет сомнения, что нас ждет появление новых концепций в биологической эволюции. Так, многие «личные» гены нематоды, в отличие от генов дрожжей, скорее всего, связаны с межклеточными взаимодействиями, характерными именно для многоклеточных организмов. У человека генов только в 4–5 раз больше, чем у нематоды, следовательно, часть его генов должна иметь «родственников» среди известных теперь генов дрожжей и червя, что облегчает поиск новых генов человека. Функции неизвестных генов нематоды изучать гораздо проще, чем у аналогичных генов человека: в них легко вносить изменения (мутации) или выводить их из строя, одновременно прослеживая изменения свойств организма. Выявив биологическую роль генных продуктов у червя, можно экстраполировать эти данные на человека. Другой подход – подавление активности генов с помощью особых ингибиторов и отслеживание изменений в поведении организма.

По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который позволяет идентифицировать человека по следовым количествам крови, чешуйкам кожи и т.п. Этот метод с успехом применяется в криминалистике – уже тысячи людей оправданы или осуждены на основании генетического анализа. После секвенирования генома человека этот метод, использующий теперь не только специфические маркеры в ДНК, но и однонуклеотидный полиморфизм, становится еще более надежным. Вариабельность генома породила направление геномики – этногеномику. Установлено, что этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для каждого этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, выдвигаемые в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология и сравнительная лингвистика. Еще одно интересное направление – палеогеномика, занимающаяся исследованием древней ДНК, извлеченной из останков, найденных в могильниках и курганах.

В настоящее время также интенсивно изучается проблема зависимости способностей и талантов человека от его генов. Главная задача будущих исследований – это изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в клетках разных органов и выявление различий между людьми на генетическом уровне. Это позволит создавать генные портреты людей и, как следствие, эффективнее оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различия между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической и социальной обстановке.

4. «Геном человека»  как научная основа

медицины и фармацевтики будущего

Проект исследования генома человека имел колоссальное значение для изучения молекулярных основ наследственных болезней, их диагностики, профилактики и лечения.

К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний человека, из которых более 3 тыс. – наследственные. Уже выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли. Обнаружены гены, ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. К 1997 г. были полностью расшифрованы структуры генов, повреждения в которых приводят к таким болезням как хpoнический грануломатоз, кистозный фиброз, болезнь Вильсона, ранний рак груди/яичника, мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса, атрофия мышц позвоночника, альбинизм глаза, болезнь Альцгеймера, наследственный паралич, дистония [13].

Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к профессиональным заболеваниям.

Оказалось, что предрасположенность к алкоголизму или наркомании тоже может иметь генетическую основу. Открыто уже семь генов, повреждения которых связаны с возникновением зависимости от химических веществ. Из тканей больных алкоголизмом был выделен мутантный ген, который приводит к дефектам клеточных рецепторов дофамина – вещества, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Недостаток дофамина или дефекты его рецепторов напрямую связаны с развитием алкоголизма. В четвертой хромосоме обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию раннего алкоголизма и уже в раннем детстве проявляются в виде повышенной подвижности ребенка и дефицита внимания [14].

Одним из важнейших итогов изучения генома человека является возникновение и быстрое развитие нового направления медицинской науки – молекулярной медицины, основанной на диагностике, лечении и профилактике наследственных и ненаследственных болезней с помощью самих генов, точнее нуклеиновых кислот. Молекулярную медицину от обычной медицины отличает, прежде всего, универсальность диагностики, основанной на точных методах анализа самих генов, ее возможность диагностировать или с высокой вероятностью предсказывать то или иное заболевание (предиктивная медицина).

При помощи генетических тестов у человека любого возраста, а при необходимости даже внутриутробно, можно установить предрасположенность к тому или иному заболеванию. При этом, естественно, тестированию подвергаются не все, а только определенные гены (гены «предрасположенности», мутации которых совместимы с жизнью, но при определенных неблагоприятных воздействиях внешних факторов (лекарства, диета, загрязнения воды, воздуха и пр.) или продуктов других генов могут быть причиной различных, так называемые мультифакториальных заболеваний [15].

Важным разделом предиктивной медицины является фармакогенетика - выяснение генетически обусловленных особенностей индивидуальной реакции организма на различные фармацевтические препараты. По некоторым данным ежегодно в мире погибает более 100 000 человек в связи с неправильной дозировкой лекарственных веществ, игнорирующей индивидуальную вариабельность действия лекарств. Было установлено, что разные аллели одного гена могут обуславливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства определенных лекарств, предназначенных для различных групп пациентов. Это поможет устранить побочные реакции от лекарств, точнее, понять механизм их действия, снизив при этом миллионные затраты. В будущем должны появиться совершенно новые подходы к созданию лекарственных средств, основанные на открытии новых генов и изучении их белковых продуктов. Это позволит перейти от неэффективного метода «проб и ошибок» к целенаправленному синтезу лекарственных веществ.

Помимо этого, сейчас активно разрабатываются новые методы адресной доставки лекарств в пораженные клетки (мишени), сокращая при этом не только вводимую дозу препарата, но и используя новые формы выпуска лекарственных средств. Также зная геном разных народностей, можно будет подбирать лекарственные препараты «по национальному признаку». Расшифровка геномов самих бактерий позволит создавать новые действенные и безвредные вакцины, качественные диагностические препараты.