Вторая команда исследователей из Национального
института геномных исследований США
во главе с Френсисом Коллинсом независимым
способом получила те же результаты - не
более 40 тыс. генов в геноме одной клетки
человека.
Разнобой в окончательные оценки пока
вносят две другие международные коллаборации
ученых.
Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель
фирмы "Хьюмэн Геном Сайенс") настаивает,
что в их банке содержится приватизированная
информация на 120 тыс. генов. Этой информацией
он не собирается пока делиться с мировой
общественностью. Фирма вложила деньги
в патенты и собирается заработать на
полученной информации, поскольку она
относится к генам широко распространенных
болезней человека.
Фирма "Инсайт" имеет каталог 140
тыс. идентифицированных генов человека
и также настаивает на этом количестве
общего числа генов человека.
Очевидно, что наспех приватизированная
генетическая информация будет еще тщательно
проверяться в ближайшие годы, пока точное
число букв "алфавита генов" станет
окончательно канонизировано. Хотя уже
сейчас становится очевидным, что правило
чисел и относительное положение генов
на хромосоме, по-видимому, никак не предопределяют
законов функционирования. Так, белковый
состав многих специализированных клеток
мыши, крысы и человека выглядит похожим,
хотя сами гены разбросаны по-разному
на хромосомах.
2.2.История частного
проекта
В 1976 Уолтером Фирсом (англ.)
и его командой в Университете Гента (Гент,
Бельгия) был определён первый полный
геном вируса — бактериофага MS2 (англ.).
Идея техники фрагментирования ДНК (англ.
shotgun) пришла от использования алгоритма,
который комбинировал информацию о последовательности
от многих небольших фрагментов ДНК для
реконструирования генома. Эту технику
ввёл Сенгер, чтобы секвенировать геном
фага Фи-X174 (англ.), вируса, который инфицирует
бактерии (бактериофаг); это был первый
ещё в 1977 г. полностью секвенированный
геном (последовательность ДНК). Техника
была называна «shotgun sequencing» (Метод дробовика),
потому что геном дробится на множество
кусочков, как будто в него выстрелили
из дробовика. Чтобы масштабировать метод,
и секвенирование, и сборку генома нужно
было автоматизировать, что и произошло
в 1980-х.
В 1995 г. было показано, что данная
техника применима к секвенированию первого
бактериального генома (1,8 миллиона пар
нуклеотидов) свободно живущего организма
Haemophilus influenzae и первого генома животного
(~100 млн пар оснований). Метод включает
использование автоматизированных секвенаторов,
что позволяет определять более длинные
индивидуальные последовательности (в
то время однократно получалось приблизительно
500 пар нуклеотидов). Пересекающиеся последовательности
размером примерно в 2000 пар нуклеотидов
«читали» в двух направлениях, это были
критические элементы, создание которых
повлекло за собой разработку первых компьютерных
программ сборки генома, необходимых для
реконструирования больших регионов ДНК,
известных под названием контиги ('contigs').
Три года спустя, в 1998, заявление
только что созданной компании Celera Genomics,
о том что она собирается масштабировать
метод фрагментирования ДНК на человеческий
геном, в некоторых кругах было встречено
скептически. Техника фрагментирования
разрывает ДНК на фрагменты различных
размеров, от 2,000 до 300,000 пар нуклеотидов
в длину, образуя то, что называется «библиотекой»
ДНК. Затем ДНК «читают» с помощью автоматического
секвенатора кусками по 800 пар нуклеотидов
длиной с обоих концов каждого фрагмента.
С помощью сложного алгоритма сборки и
суперкомпьютера, кусочки собирают воедино,
после чего геном может быть реконструирован
из миллионов коротких фрагментов длиной
в 800 пар нуклеотидов. Успех как государственного,
так и частного проектов зависел от новой,
более высоко автоматизированной капиллярной
секвенирующей ДНК машины, которая называлась
Applied Biosystems 3700. Она прогоняла цепочки ДНК
через необычайно тонкую капиллярную
трубку, а не через плоский гель, как это
делали в ранних моделях секвенаторов.
Ещё более критическим фактором была разработка
новой, более масштабной программы сборки
генома, ассемблера, который мог бы обрабатывать
30-50 миллионов последовательностей, требующихся
для секвенирования всего человеческого
генома. В то время такой программы не
существовало. Одним из первых крупных
проектов в Celera Genomics стала разработка
данного ассемблера, который был написан
параллельно с созданием большой, высокоавтоматизированной
фабрики секвенирования геномов. Разработка
ассемблера велась под руководством Брайена
Рамоса (англ. Brian Ramos). Первая версия появилась
в 2000 году, когда команда Celera объединила
силы с профессором Джеральдом Рубином
(англ.) для секвенирования генома фруктовой
мушки Дрозофила меланогастер методом
фрагментирования генома[17]. Собрав 130
миллионов пар нуклеотидов, программа
обработала, по меньшей мере, в 10 раз больше
данных, чем любой ранее собранный из результатов
метода фрагментирования геном. Год спустя
команда Celera опубликовала свою сборку
трёх миллиардов пар нуклеотидов человеческого
генома.
В 1998 году, американский исследователь
Крейг Вентер и его фирма Celera Genomics запустили
аналогичное исследование, финансированное
частным капиталом. В начале 1990-х, когда
проект «Геном человека» только начинал
работу, Вентер тоже работал в Национальном
институте здоровья США. Целью его собственного
$300-миллионного проекта Celera было более
быстрое и дешёвое секвенирование человеческого
генома, чем в $3-миллиардном государственном
проекте.
Celera использовала более
рискованную разновидность метода
фрагментации генома (англ.), которую
использовали ранее для секвенирования
бактериальных геномов размером
до шести миллионов пар нуклеотидов
в длину, но никогда для чего-либо
столь большого, как человеческий
геном, состоящий из трёх миллиардов
пар нуклеотидов.
Вначале Celera анонсировала, что
она будет добиваться патентной защиты
«всего лишь 200 или 300» генов, но позднее
внесла поправки, что ищет «защиту интеллектуальной
собственности» на «полное описание важнейших
структур», составляющих примерно 100—300
целей. Наконец фирма подала [9] предварительные
патентные заявки на 6 500 целых или частичных
генов. Celera также обещала опубликовать
результаты своей работы согласно условиям
«Бермудского заявления (англ.)» 1996 года,
выпуская новые данные ежеквартально
(проект «Геном человека» выпускал новые
данные ежедневно), однако, в отличие от
проекта с государственным финансированием,
фирма не дает разрешения на свободное
распространение или коммерческое использование
своих данных.
В марте 2000 года, президент США
Билл Клинтон заявил что последовательность
генома не может быть запатентована и
должна быть свободно доступна для всех
исследователей. После заявления президента
акции компании Celera сильно упали, что потянуло
вниз весь биотехнологический сектор
Nasdaq, потерявший около 50 миллиардов долларов
рыночной капитализации за два дня.
Хотя рабочий вариант генома
был анонсирован в июне 2000 года, Celera и учёные
работавшие в проекте «Геном человека»
опубликовали детали своей работы только
в феврале 2001. Специальные выпуски журнала
Nature (который публиковал научные статьи
государственного проекта[10]) и журнала
Science (который опубликовал статью Celera[11])
описали методы, использовавшиеся для
производства черновика последовательности,
и предложили её анализ. Эти черновики
покрывали примерно 83 % генома (90 % эухроматиновых
регионов с 150 000 брешей, а также содержали
порядок и ориентацию многих всё ещё не
законченных сегментов). В феврале 2001 года,
во время подготовки совместных публикаций,
были выпущены пресс-релизы, говорящие
о том, что проект был завершён обеими
группами. В 2003 и 2005 гг. были анонсированы
улучшенные черновики, содержавшие приблизительно
92 % последовательности.
Соревнование очень хорошо
сказалось на проекте, заставив участников
государственного проекта модифицировать
свою стратегию, чтобы ускорить ход работы.
Вначале конкуренты согласились объединить
результаты, но союз распался после того,
как Celera отказалась сделать свои результаты
доступными через публичную базу данных
GenBank с неограниченным доступом для всех
пользователей. Celera включила данные проекта
«Геном человека» в собственную последовательность,
однако запретила попытки использовать
свои данные для всех сторонних пользователей.
«Геном человека» — это наиболее
известный из многих международных геномных
проектов, нацеленных на секвенирование
ДНК конкретного организма. В настоящее
время знание последовательности человеческой
ДНК приносит наиболее ощутимую пользу.
Кроме того, важные достижения в биологии
и медицине ожидаются в результате секвенирования
модельных организмов[убрать шаблон],
в число которых входят мыши, дрозофилы,
Danio rerio, дрожжи, нематоды, некоторые растения
и множество микробов и паразитов.
В 2004, исследователи из Международного
Консорциума по Секвенированию Человеческого
Генома (англ. International Human Genome Sequencing Consortium)
(IHGSC) проекта «Геном человека» огласили
новую оценку числа генов в человеческом
геноме составившую от 20,000 до 25,000[12]. Ранее
предсказывалось от 30,000 до 40,000, а в начале
проекта оценки доходили до 2,000,000. Это
число продолжает колебаться и в настоящее
время ожидается что ещё в течение многих
лет не удастся прийти к согласию по поводу
точного количества генов в человеческом
геноме.
2.3.Достижение результатов
За последние шесть лет созданы международные
банки данных о последовательностях нуклеотидов
в ДНК разных организмов (GenBank / EMBL / pBJ) и
о последовательностях аминокислот в
белках (PIR / SwissPot). Любой специалист может
воспользоваться собранной там информацией
в исследовательских целях. Решение о
свободном доступе к информации далось
нелегко. Ученые, юристы, законодатели
немало потрудились, чтобы воспрепятствовать
намерениям коммерческих фирм патентовать
все результаты проекта и превратить эту
область науки в бизнес.
Расшифрованные геномы.
1995 г. - бактерия Hemophilus influenza;.
1996 г. - клетка дрожжей (6 тыс. генов,
12,5 Мб);
1998 г. - круглый червь Caenorhabditis elegans (19
тыс. генов, 97 Мб).
Основные результаты завершенных этапов
проекта изложены в журнале "Science"
(1998. Vol. 282, № 5396,. Р. 2012-2042).
Изученные гены человека. За 1995 г. длина
участков ДНК человека с установленной
последовательностью оснований увеличилась
почти в 10 раз. Но хотя прогресс был налицо,
результат за год составил менее 0,001% от
того, что предстояло сделать. Но уже к
июлю 1998 г. было расшифровано почти 9% генома,
а затем каждый месяц появлялись новые
значительные результаты. Изучив большое
число копий генов в виде сДНК и сопоставив
их последовательности с участками хромосомной
ДНК, к ноябрю 1998 г. расшифровали 30 261 ген
(примерно половина генома).
Функции генов. Результаты завершенной
части проекта позволяют судить о роли
двух третей генов в образовании и функционировании
органов и тканей человеческого организма.
Оказалось, что больше всего генов нужно
для формирования мозга и поддержания
его активности, а меньше всего для создания
эритроцитов - лишь 8.
Полученные данные позволили
впервые реально оценить функции генов
в организме человека.
В мире каждый сотый ребенок
рождается с каким-либо наследственным
дефектом. 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. Вот некоторые
болезни, возникающие в результате повреждения
генов, структура которых полностью расшифрована:
Хронический грануломатоз;
Ранний рак груди/яичника;
Мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса;
Атрофия мышц позвоночника;
Другие организмы. Когда составлялась
программа исследований по проекту, решили
сначала отработать методы на более простых
моделях. Поэтому на первом этапе реализации
проекта изучили 8 разных представителей
мира микроорганизмов, а к концу 1998 г. -
уже 18 организмов с размерами генома от
1 до 20 Мб. В их числе представители многих
родов бактерий: архебактерии, спирохеты,
хламидобактерии, кишечная палочка, возбудители
пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие
бактерии, микоплазмы, риккетсии, цианобактерии.
Как уже упоминалось, завершен генетический
анализ одноклеточного эукариота - дрожжей
Saccharomy-ces cerevisae и первого многоклеточного
животного - червя C. elegans.
Повреждения генов и наследственные
болезни. Из 10 тыс. известных заболеваний
человека около 3 тыс. - наследственные
болезни. Они необязательно наследуются
(передаются потомкам). Просто вызваны
они нарушениями наследственного аппарата,
то есть генов (в том числе в соматических
клетках, а не только в половых). Выявление
молекулярных причин "поломки" генов
- важнейший результат проекта. Число изученных
болезнетворных генов быстро растет, и
через 3-4 года мы познаем все 3 тыс. генов,
ответственных за те или иные патологии.
Это поможет разобраться в генетических
программах развития и функционирования
человеческого организма, в частности,
понять причины рака и старения. Знание
молекулярных основ заболеваний поможет
их ранней диагностике, а значит, и более
успешному лечению. Адресное снабжение
лекарствами пораженных клеток, замена
больных генов здоровыми, управление обменом
веществ и многие другие мечты фантастов
на наших глазах превращаются в реальные
методы современной медицины.