Проект геном человека

Любое нарушение этих инструкций ведет к мутациям, и если они случаются в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках), мутации передаются следующим поколениям, угрожая существованию данного вида.

Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не более 40 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена.

Первичная структура молекулы ДНК генома человека анализируется с помощью секвенирования, т.е. методов, позволяющих определить точное взаиморасположение пар нуклеотидов в спирали ДНК. Поражают темпы работ по секвенированию генома человека. Еще в 1995 г. стоимость одного шага (определение положения одной пары оснований в цепочке ДНК) оценивали в 1$ и, соответственно, всю программу 3 триллиона долларов, то уже в 1998 г., благодаря техническим усовершенствованиям, цена шага составила 50 центов, а к началу 2000 года, благодаря широкой автоматизации и микрокапиллярной технологии, она снизилась до 25 центов! В США и Великобритании были разработаны и внедрены гигантские автоматические фабрики по секвенированию генома  — геномотроны, обладающие скоростью секвенирования несколько миллионов нуклеотидов в неделю. В настоящее время по некоторым данным в мире секвенируется до 10 млн. п.о. в день. Уже в конце 1999 г. высказывались предположения, что черновой вариант всего генома человека появится в 2000 году! Действительно, интенсивность секвенирования особенно возросла после 1998 г., когда началась беспрецедентная гонка между 1 100 учеными Мирового Сообщества проекта «Геном Человека» и частной акционерной фирмой Celera Genomics (США), завершившаяся официальным заявлением о получении «чернового» варианта генома человека весной 2000 года.

Помимо человека, в настоящее время полностью секвенированы геномы еще 600 видов организмов, в т.ч. бактерий, дрожжей, аскариды и дрозофилы. На подходе находится сиквенс генома лабораторной мыши.

Естественно, впечатляют и конкретные результаты столь стремительного прогресса. Так, если к маю 1999 г. было просеквенировано около 300×106 п. о, т.е. только 10% генома, то 17 ноября 1999 г. президент Билл Клинтон, правительство и научная общественность США торжественно отметили полный сиквенс первого миллиарда нуклеотидов, т.е. 1/3 всего генома человека! Тогда же появилось сообщение и о полном секвенировнии хромосомы 22  — первой хромосомы человека, для которой была установлена точная последовательность ДНК длиной 33,4 Мб! Так, была написана и представлена на суд мировой общественности первая Глава Главной Книги Следующего Тысячелетия! Основная заслуга в этом принадлежит ученым Сэнджеровского Центра (Кембридж, Великобритания), а так же ученым США, Канады, Швеции, Новой Зеландии, Австралии и других стран. Всего на 22-й хромосоме (кстати, одной из самых маленьких хромосом в кариотипе человека) было просеквенировано 33.4 миллиона п.н. и выявлено 545 генов размерами от 1000 до 583 000 п.о.

В апреле 2000 года была расшифрована структура  — хромосомы 21 длиной 33,5 Мб. В отличие от хромосомы 22, трисомия которой не совместима с жизнью после рождения, трисомия 21-й хромосомы является причиной наиболее частой хромосомной болезни  — болезни Дауна. Отчасти эти различия, как оказалось, связаны с тем, что число генов на хромосоме 21 равно 225, то есть более чем вдвое меньше, чем на хромосоме 22.

Наличие данных о числе генов в двух разных хромосомах, на долю которых приходится 2% ДНК генома, позволило рассчитать общее число генов в кариотипе человека равным 40 000.

В начале мая было официально объявлено и о завершении «чернового» варианта генома человека и Международной программой Геном Человека. Хронологически первой в этой сенсации значится частная фирма Celera Genomics, сделавшая такое заявление еще в апреле 2000 на конференции HUGO (Human Genome Organization).

Между тем, реальная картина секвенирования генома человека не выглядит столь безоблачноПочти все цели, которые ставил перед собой проект, были достигнуты быстрее, чем предполагалось. Проект по расшифровке генома человека был закончен на два года раньше, чем планировалось. Проект поставил разумную, достижимую цель секвенирования 95 % ДНК. Исследователи не только достигли её, но и превзошли собственные предсказания, и смогли секвенировать 99,99 % человеческой ДНК. Проект не только превзошёл все цели и выработанные ранее стандарты, но и продолжает улучшать уже достигнутые результатый. К июню 2000 года только 20% генома человека секвенировано более 10 раз, т.е. с вероятностью ошибки менее 1× 106 п.о.; 70% генома человека просеквенировано менее 10 раз, а 10% генома (по различным причинам, главным образом, из-за трудностей клонирования в бактериях) еще вообще не секвенированы..

В силу широкой международной кооперации и новых достижений в области геномики (особенно в секвенировании), а также значительных достижений в вычислительной технике, «черновик» генома был закончен в 2000 (о чём было объявлено совместно тогдашним президентом США Билом Клинтоном и британским премьер-министром Тони Блером 26 июня 2000). Продолжение секвенирования привело к объявлению в апреле 2003 года о почти полном завершении работы, на 2 года раньше чем планировалось. В мае 2006, была пройдена другая веха на пути к завершению проекта, когда в журнале «Nature» была опубликована последовательность последней хромосомы — Хромосомы.

1.3.Доноры генома

В межгосударственном проекте «Геном человека» (HGP), исследователи из IHGSC взяли у большого числа доноров образцы крови (женщин) и спермы (мужчин). Из числа собранных образцов источником ДНК стали лишь несколько. Таким образом, личности доноров были скрыты, чтобы ни доноры, ни учёные не могли знать, чья именно ДНК была секвенирована. Во всём проекте были использованы многочисленные клоны ДНК из различных библиотек (англ.). Большинство из этих библиотек были созданы доктором Питером де Хонгом (англ. Pieter J. de Jong). Неформально сообщалось, и в сообществе генетиков хорошо известно, что большая часть ДНК в государственном проекте получена от единственного анонимного донора — мужчины из Буффало (кодовое название RP11).

Учёные HGP использовали белые кровяные клетки из крови двух мужчин и двух женщин доноров (случайно выбранных из 20 образцов каждого пола) — каждый донор стал источником отдельной библиотеки ДНК. Одна из этих библиотек (RP11) использовалась значительно больше, чем другие по соображениям качества. Небольшой технический нюанс заключается в том, что мужские образцы содержали только половину количества ДНК, поступившего из X и Y хромосом в сравнении с другими 22 хромосомами (аутосомами); это происходит потому, что каждая мужская клетка содержит только одну X и одну Y хромосому, а не две, как другие хромосомы (аутосомы).

Хотя главная секвенирующая фаза проекта «Геном человека» завершена, исследования изменчивости ДНК продолжаются в международном проекте HapMap, цель которого состоит в идентификации структуры групп однонуклеотидного полиморфизма (SNP) (которые называются гаплотипами). Образцы ДНК для HapMap получены от, в общей сложности, 270 человек: народа Йоруба в Ибадане (Нигерия), японцев из Токио, китайцев из Пекина и французского источника Centre d'Etude du Polymorphisms Humain (англ.) (CEPH), который состоит из резидентов США, имеющих происхождение из западной и северной европы.

В проекте компании Celera Genomics для секвенирования использовалась ДНК, поступившая от пяти различных человек. Крейг Вентер, в то время бывший главным научным руководителем Celera Genomics, позднее признался (в публичном письме в журнал Science), что его ДНК была одним из 21 образцов в общем фонде, пять из которых были отобраны для использования в проекте.

Глава 2

1.1.Геном человека  и молекулярная медицина

По мере стремительного увеличения числа картированных генов, все более очевидным становится недостаток данных об их функциях и, прежде всего, о функциональной значимости тех белков, которые они кодируют. Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека, на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5–6 тыс. Каковы функции остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов, остается совершенно неизвестным и составляет основную стратегическую задачу исследований в программе «Функциональная Геномика». Нет сомнения в том, что именно изучение структуры, функции и взаимодействия белков станет основой функциональной геномики, которую уже сейчас не редко называют «протеономикой» (Киселев, 2000). Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток с целью получения лабораторных животных (мышей)  — биологических моделей наследственных болезней (Горбунова, Баранов, 1997), создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, некодирующих белки; развитие новых технологий по сравнительному анализу экспрессии многих тысяч генов  — вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики  — протеономики.

Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, индивидуальные различия геномов как в их смысловой части (экзоны структурных генов), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны, пр.) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму. Последний является предметом пристального изучения быстро набирающей силы программы «Генетическое Разнообразие Человека». Решение многих проблем этногенеза, геногеографии, происхождения человека, эволюции генома в филогенезе и этногенезе  — вот круг фундаментальных проблем, стоящих перед этим быстро развивающимся направлением. Близко примыкают к нему и исследования по Сравнительной Геномике (Comparative Genomics). Одновременно с человеком проводится секвенирование геномов других млекопитающих (мышь, крыса, кролик). Завершено секвенирование геномов микроорганизмов более 600 видов бактерий, дрожжей (1996), дрозофилы (1999), червей (Caenorhabditis elegans)  — 1998. К 2003 г. будет полностью расшифрован геном излюбленного экспериментального объекта  — лабораторной мыши. Есть основания предполагать, что компьютеризованный анализ геномов различных животных позволит создать Периодическую Систему Геномов (Baranov, 1996). Будет ли она по аналогии с известной Периодической Системой Химических Элементов Д. И. Менделеева двумерной или окажется многомерной покажет будущее. Важно отметить, что сама идея создания такой Биологической Периодической Системы Живого Мира сегодня уже не представляется фантастичной (Lander, 1999).

Одним из решающих итогов изучения генома человека является появление и быстрое развитие качественно нового этапа медицинской науки  — Молекулярной Медицины. Идентификация многих тысяч структурных и регуляторных генов, выяснение генной природы и молекулярных механизмов многих наследственных и мультифакториальных болезней, роли генетических факторов в этиологии и патогенеза различных патологических состояний, в т.ч. многих инфекций, доказательство генетической неповторимости каждого индивидуума  — вот достижения, составляющие научную основу Молекулярной Медицины. Нет сомнения в том, что именно ей принадлежит будущее, т.е. Молекулярная Медицина, включающая Генную Терапию  — это и есть Медицина XXI века (Баранов, 2000а).

Хорошо известны и многие общепризнанные достижения самой молекулярной медицины. Кратко напомним главные из них:

1. Разработаны точные, эффективные и, в значительной степени, универсальные методы диагностики наследственных болезней на любой стадии онтогенеза, в т.ч. и до рождения (пренатальная диагностика) (Горбунова, Баранов, 1997; Пызрев, Степанов, 1997; Бочков, 1997).

2. Разработаны молекулярные подходы для абсолютно точной идентификации личности (геномная дактилоскопия) (Янковский, 1996).

3. Заложены экспериментальные и клинические основы генной терапии наследственных и ненаследственных болезней (Свердлов, 1996; Баранов, Баранов, 2000).

4. На основе данных об индивидуальном биохимическом (генетическом) фингерпринте начаты исследования по фармакогенетике и фармакогеномике (Баранов, 2000,а,б).

5. Разработаны молекулярные основы профилактической (предиктивной) медицины (Баранов и др. 2000).

Таким образом, всеобщая «генетизация» привела к появлению молекулярной медицины. Последняя, в свою очередь, положила начало новым направлениям медицинской науки, одним из которых является предиктивная медицина. Именно молекулярная медицина и ее основные направления (предиктивная медицина, генная терапия, фармкогеномика и пр.), фундамент которых составляет геном человека, и будет определять все многообразие фундаментальных и прикладных наук о человеке в следующем столетии, а, возможно, и медицины.

Сама карта топографии генов на хромосомах напоминает глобус или контуры Земли, видимые из самолета. Основная часть генов сбита в большие и малые "города", которые разделены огромными безжизненными пространствами. Мужская половая хромосома, обедненная генами, напоминает Византийскую империю, уже пережившую эпоху взлета. За истекший период истории многие гены покинули эту территорию и перебрались в другие "страны".

Наоборот, девятнадцатая хромосома человека напоминает генетическую "столицу" - весь информационный хлам и старые отжившие постройки выкинуты с этой функционально продвинутой территории. С большим трудом на этой хромосоме удалось отыскать вакантные места, не застроенные генами, то есть не несущие в реальный мир проекты трехмерной жизни мира белков и белковых машин. Вот почему аномалии 19-й хромосомы заканчиваются смертью уже в утробе матери.

На техногенном языке - любая функция клетки закодирована устройством белковых машин. На девятнадцатой и двадцать первой хромосоме хорошо виден порядок жизни в "городах": вдоль главной улицы кварталы застраиваются дупликацией генов, то есть все родственники селятся рядом. Хотя бывают исключения, когда новые отпрыски генов начинают осваивать далекие территории. Хромосомы человека отличаются от хромосом бактерий, дрозофилы и низших многоклеточных максимальными перепадами плотности генов по длине двойной спирали ДНК. У человека - максимальное число "мегаполисов" генов наряду с огромными пустыми пространствами бессмыслицы. Именно на границе "генных городов" и "пустырей" родятся новые проекты переустройства старых генов или правил использования старых генов для новой функции.

Подсчеты общего числа генов в геноме человека проводились несколькими международными командами ученых. Однако общепризнанными лидерами гонки считалась частная компания "Селера" во главе с Грегом Вентером. Эта команда пришла первой к финишу, поскольку имела максимальное число секвенаторов для прочитывания генетических текстов и их классификации по признакам однородности, микро- и макрогетерогенности. Критерии, положенные в основу этой классификации, остаются пока дискуссионными. Возможно, что новые открытия в этой области повлияют на признаки, положенные в основу идентификации и периодизации таблицы генов. Сотрудники Вентера пришли к заключению, что к началу 2001 года в геноме человека со стопроцентной достоверностью идентифицировано 30-40 тыс. генов. И это оказалось в три раза меньше, чем они предсказывали еще два года назад.