Программа генетических исследований геном человека кратко
Обновлено: 02.07.2024
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). Исходная идея проекта зародилась в 1984 среди группы физиков, работавших в Министерстве энергетики США и желавших заняться другой задачей после завершения работ в рамках ядерных проектов.
В 1990 была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д.Мирзабеков. С самого начала работ по геномному проекту ученые договорились об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-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 нашей стране была полностью перестроена и сконцентрирована на новой области – биоинформатике, которая пытается с помощью математических методов понять и осмыслить все, что уже расшифровано.
Общебиологическое значение исследований, проведенных в рамках Проекта.
Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома. Вообще говоря, геном человека высококонсервативен. Мутации в нем могут либо повредить его, и тогда они приводят к тому или иному дефекту или гибели организма, либо оказаться нейтральными. Последние не подвергаются отбору, поскольку не имеют фенотипического проявления. Однако они могут распространяться в популяции, и если их доля превышает 1%, то говорят о полиморфизме (многообразии) генома. В геноме человека очень много участков, различающихся всего одним-двумя нуклеотидами, но передающихся из поколения в поколение. С одной стороны, этот феномен мешает исследователю, поскольку ему приходится разбираться, имеет ли место истинный полиморфизм или это просто ошибка секвенирования, а с другой – создает уникальную возможность для молекулярной идентификации отдельного организма. С теоретической точки зрения вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных.
Практические приложения.
Еще одно важное применение результатов секвенирования – идентификация новых генов и выявление среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Так, есть данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыто уже семь генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Это позволит проводить раннюю (и даже пренатальную) диагностику заболеваний, предрасположенность к которым уже установлена.
Проблемы и опасения.
Другая проблема касается самих кодирующих участков ДНК. При чисто молекулярно-компьютерном анализе возведение этих участков в ранг генов требует соблюдения сугубо формальных критериев: есть в них знаки пунктуации, необходимые для прочитывания информации, или нет, т.е. синтезируется ли на них конкретный генный продукт и что он собой представляет. В то же время роль, время и место действия большинства потенциальных генов пока неясны. По мнению Вентера, для определения функций всех генов может потребоваться не меньше ста лет.
Генетический телескоп
Хотя чисто техническая возможность секвенировать геном была показана еще в 70-х годах, когда был расшифрован первый геном вируса, о человеке задумались не сразу. По легенде, эта идея оформилась благодаря биологу Роберту Синшеймеру из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Его коллеги-астрономы работали над созданием самого большого (на тот момент) наземного телескопа, и Синшеймер раздумывал над проектом подобного масштаба в биологии.
Шкаф с фрагментом человеческого генома, который стоит в лондонском музее Wellcome Collection. Полностью расшифровка занимает сотни томов, в каждом из которых около тысячи страниц
Russ London / Wikimedia commons
Разворот одного из томов с расшифровкой человеческого генома из лондонского музея Wellcome Collection
Adam Nieman / flickr / CC BY-SA 2.0
В обсуждении участвовал Уолтер Гилберт, который за 10 лет до того предложил свой метод секвенирования ДНК (известный как метод Максама-Гилберта или метод химической деградации ДНК), практически одновременно с Фредериком Сэнгером. Он загорелся идеей создания геномного института и увлек ей первооткрывателя структуры ДНК Джеймса Уотсона и Чарльза Делиси, который возглавлял подразделение здоровья и окружающей среды в Министерстве энергетики США. Последнему геномный проект виделся логичным продолжением исследований влияния радиации на человека. В 1986 году они уже подсчитывали затраты на расшифровку последовательности генома человека.
Одна из автоматизированных линий для подготовки образцов в Институте Уайтхеда в Центре геномных исследований, где секвенировали геном человека
International Human Genome Sequencing Consortium / Nature, 2001
Несмотря на критику и ценник, им удалось продавить как Министерство энергетики, так и Национальные институты здоровья США (NIH). В 1990 году проект стартовал. Панель экспертов настоятельно порекомендовала кроме генома человека заняться также исследованием геномов модельных организмов: кишечной палочки, дрожжей, круглых червей и мыши — чтобы в случае успеха гены человека было с чем сравнивать.
В авторах статьи 2001 года были члены International Human Genome Sequencing Consortium из 20 научных групп США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая.
Обложка журнала Time, вышедшего в 26 июня 2000 года. Слева — Крейг Вентер, справа Фрэнсис Коллинз
Почти одновременно со стартом проекта в США, советский академик Александр Баев смог убедить Горбачева выделить значительное финансирование на оборудование лабораторий и создание научных групп, которые могли бы участвовать в международном консорциуме по расшифровке генома человека. По воспоминаниям академика Льва Киселева, который в то время был председателем научного совета российской части программы, отечественный проект начинался очень активно — на его развитие было выделено около 20 миллионов долларов. Однако в 90-х годах государство уже не могло финансировать столь дорогостоящие фундаментальные исследования, и участие в консорциуме, хотя и не закрылось окончательно, было сокращено до минимума.
Фрагмент физической карты 19-й хромосомы, которую читали в Ливерморской национальной лаборатории при участии ИБХ РАН
Обложки журналов Science и Nature, в которых вышли статьи HPG и Celera Genetics
Science, 2001; Nature, 2001
Предпосылки и последствия
В 80-е годы у генетиков уже были инструменты, позволяющие исследовать размер хромосом и расположение на них генов — в основном, при помощи ферментативного расщепления ДНК рестриктазами, разделения фрагментов в геле и гибридизации с радиоактивно меченой последовательностью. Взглянуть на ДНК более пристально удалось благодаря изобретению производительного метода секвенирования англичанином Фредериком Сэнгером, который до того уже придумал способ чтения аминокислотной последовательности белковых молекул.
Определение последовательности ДНК по Сэнгеру, в свою очередь, стало возможным благодаря открытию ДНК-полимеразы — фермента, который в клетке обеспечивает удвоение молекул ДНК за счет комплементарного достраивания цепи на одноцепочечной матрице.
Фрагмент расшифрованной последовательности в геле
Источник: Jennifer Commins et al. / Biological Procedures Online, 2009
Порядок действий при использовании метода секвенирования, который применяли в Celera Genomics
Источник: Jennifer Commins et al. / Biological Procedures Online, 2009
Неудивительно, что многим ведущим генетикам эта задача казалась нерешаемой. Однако по ходу выполнения проекта развитие технологий облегчило ученым работу. Среди технических достижений можно отметить появление автоматического капиллярного секвенатора, где фрагменты разделялись в тонких трубочках, а не в геле. Такие приборы, помимо того, что позволяли увеличить количество образцов, после появления флуоресцентно меченых нуклеотидов, перешли на автоматическую детекцию сигнала. Кроме того, развитие компьютерных технологий: от сетей, которые позволили ученым получать доступ к данным из любой точки, до программ для сравнения и обработки последовательностей.
Накопление последовательностей послужило толчком для развития целой науки — биоинформатики, которая занимается сборкой, обработкой и анализом геномов с использованием математических методов.
Первые итоги и дальнейшее развитие
Так к 2000 году удалось получить представление о последовательности ДНК человека в составе эухроматина — участков, с которых активно идет транскрипция, то есть считывание данных РНК-полимеразой.
Одной только сырой последовательностью букв результат проекта, конечно не ограничивается. После расшифровки число генов в геноме человека пришлось сократить со 100 тысяч до 30 тысяч — это число всего в два раза больше, чем у мухи или червя, написали авторы исторической публикации в Nature.
Как менялись оценки числа генов в геноме человека с 1964 по 2009 годы
Mihaela Pertea and Steven L Salzberg / Genome Biology, 2010
Также ученые узнали, что геном человека содержит очень много повторов и мобильных элементов, подавляющее большинство из которых уже не работает. Кроме того, геном человека очень разнообразен — генетики оценили, что количество однонуклеотидных полиморфизмов в нем (участков, в которых у разных людей может стоять тот или иной нуклеотид) достигает 1,5 миллионов. Это стало ясно в том числе благодаря тому, что в проекте была использована ДНК от большого количества добровольцев, а не от одного человека.
Геном для медицины
За двадцать лет с момента завершения сборки черновой версии генома технологии секвенирования и анализа последовательностей развились настолько, что сегодня узнать последовательность кодирующих участков генома (экзома) обойдется вам уже не в три миллиарда долларов, а лишь несколько сотен.
Изменение стоимости секвенирования генома человека после сентября 2001 года
Генотипирование, то есть определение однонуклеотидных полиморфизмов конкретного человека, уже во многом стало рутиной — в базе данных UK Biobank хранятся данные полногеномного типирования 500 тысяч человек. Кроме генетических данных, записи участников содержат информацию о показателях здоровья, привычках, семейных историях болезни и т.п. Такие наборы данных позволяют исследователям проводить так называемые полногеномные анализы ассоциаций (GWAS — Genome-Wide Association Study), которые позволяют выявить, например, генетическую предрасположенность к определенному заболеванию.
20 лет спустя
- идентификация 20 000–25 000 генов ДНК;
- определение последовательности 3 млрд. пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и сохранение этой информации в базе данных;
- усовершенствование приборов для анализа данных;
- внедрение новейших технологий в область частного использования;
- исследование этических, правовых и социальных вопросов, возникающих при расшифровке генома.
6 июня 2000 г. президент США и премьер-министр Великобритании объявили о расшифровке человеческого генетического кода, и таким образом соревнование закончилось. На самом деле, был опубликован рабочий черновик человеческого генома, и лишь к 2003 г. он был расшифрован практически полностью, хотя и сегодня все еще проводят дополнительный анализ некоторых участков генома.
И вдруг все затихло. надежды не оправдались. казалось, что 3 млрд долл., вложенных в эту затею, выброшены на ветер.
Нет, не совсем так. Быть может, полученные результаты не столь грандиозны, как предполагалось во времена зарождения проекта, но они позволят достичь в будущем значительных успехов в различных областях биологии и медицины.
Еще один важный результат проекта — дополнение истории человека. Раньше все данные об эволюции были почерпнуты из археологических находок, а расшифровка генокода не только дала возможность подтвердить теории археологов, но в будущем позволит точнее узнать историю эволюции как человека, так и биоты в целом. Как предполагается, анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов сможет открыть новые пути в исследовании теории эволюции, и во многих случаях вопросы эволюции теперь можно будет ставить в терминах молекулярной биологии. Такие важнейшие вехи в истории эволюции, как появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных, можно будет проследить на молекулярном уровне. Ожидается, что это позволит пролить свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами: приматами, неандертальцем (чей генокод недавно был реконструирован из 1,3 млрд фрагментов, подвергавшихся тысячелетнему разложению и загрязненных генетическими следами археологов, державших в руках останки этого существа), а также и всеми млекопитающими, и ответить на вопросы: какой же ген делает нас Homo sapiens, какие гены отвечают за наши поразительные таланты? Таким образом, поняв, как прочитать информацию о нас в генокоде, мы сможем узнать, как гены влияют на физические и умственные характеристики и даже на наше поведение. Возможно, в будущем, посмотрев на генетический код, можно будет не только предсказать, как будет выглядеть человек, но и, к примеру, будет ли у него актерский талант. Хотя, естественно, никогда нельзя будет это определить со 100%-ной точностью.
Кроме того, межвидовое сравнение покажет, чем отличается один вид от другого, как они разошлись на эволюционном древе. Межпопуляционное сравнение покажет, как этот вид эволюционирует. Сравнение ДНК отдельных особей внутри популяции покажет, чем объясняется различие особей одного вида, одной популяции. Наконец, сравнение ДНК различных клеток внутри одного организма поможет понять, как происходит дифференцирование тканей, как они развиваются и что идет не так в случае заболеваний, таких например, как рак.
Открытый доступ к информации позволит объединить опыт врачей, информацию о патологических случаях, результаты многолетнего изучения отдельных особей, и потому станет возможным соотнести генетическую информацию с данными анатомии, физиологии, поведения человека. И уже это сможет привести к лучшей медицинской диагностике и прогрессу в лечении.
Например, исследователь, изучающий определенную форму рака, сможет сузить круг поиска до одного гена. Сверив свои данные с данными открытой базы генома человека, он сможет проверить, что другие написали об этом гене, включая (потенциально) трехмерную структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими генами человека или с генами мышей, дрожжей или дрозофилы, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела, в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном, или другие данные.
Более того, понимание хода заболевания на уровне молекулярной биологии позволит создать новые терапевтические методы. Учитывая, что ДНК играет огромную роль в молекулярной биологии, а также ее центральное значение в функционировании и принципах работы живых клеток, углубление знаний в этой области откроет путь для новых методов лечения и открытий в различных областях медицины.
Итак, привычная биология ушла в прошлое, наступил час новой эры науки: постгеномной биологии. Она полностью развенчала идею витализма, и хотя в него уже больше столетия не верил ни один биолог, новая биология не оставила места и для призраков.
Не только интеллектуальные озарения играют важную роль в науке. Такие технические прорывы, как телескоп в астрономии, микроскоп в биологии, спектроскоп в химии, приводят к неожиданным и замечательным открытиям. Похожую революцию в геномике производят сейчас мощные компьютеры и информация, содержащаяся в ДНК.
Кроме стоимости расшифровки, важным показателем является его точность. Считается, что приемлемым уровнем является не более одной ошибки в 10 000–100 000 символов. Сейчас уровень точности находится на уровне 1 ошибки в 20 000 символов.
Проект геном человека. Генетическое картирование
Таким образом, определение хромосомной локализации искомого гена - генетическое картирование -является первым, ключевым шагом на пути к раскрытию молекулярной основы того или иного наследственного заболевания.
Существует несколько основных методов, позволяющих картировать неизвестный ген в конкретном хромосомном локусе:
а) клинико-генеалогический (простейший и наиболее давний) - основан на анализе наследования признаков в больших родословных; примером может служить установление локализации гена на Х-хромосоме в случае передачи болезни по Х-сцепленному типу;
б) цитогенетический - базируется на ассоциации выявляемых при микроскопии хромосомных перестроек с определенным клиническим фенотипом;
в) метод гибридизации in situ (в том числе его современная модификация - флюоресцентная гибридизация in situ, FISH) - использует специфическую гибридизацию мРНК и кДНК искомого гена с денатурированными хромосомами на метафазных препаратах клетки; г) метод гибридных клеток - основан на анализе совместной сегрегации клеточных признаков и хромосом в клонированных in vitro гибридных соматических клетках [Фогель Ф., Мотульски А., 1990; Gardner E. et al., 1991 ].
Все эти методы нашли свое применение в современной молекулярной генетике, однако они обладают серьезными ограничениями, связанными как с недостаточной разрешающей способностью, так и с существованием жестких предусловий, необходимых для проведения исследования (таких как наличие зондов, доступность селективных систем для отбора гибридных клеток и т.п.). Наиболее мощным, продуктивным и широко используемым в настоящее время методом картирования генов наследственных болезней человека является так называемый linkage-анализ - анализ сцепления искомого гена с набором точно локализованных генетических маркеров [Ott J.,1991; Pulst S., 1999].
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Читайте также: