Выдающимся достижением науки последних лет считается расшифровка генома человека сообщение
Обновлено: 20.05.2024
Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project , HGP) — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20,000-25,000 генов в человеческом геноме.
Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США (англ.). В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Частной компанией Celera Genomics (англ.) был запущен аналогичный параллельный проект, завершенный несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.
Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности, Escherichia coli, насекомые, такие как мушка дрозофила, и млекопитающие, например, мышь.
Изначально планировалось определение более трёх миллиардов последовательности нуклеотидов, содержащихся в гаплоидном человеческом геноме их. Затем несколько групп обьявили о попытке расширить задачу до секвенирования диплоидного генома человека, среди них международный проект HapMap (англ.), Applied Biosystems, Perlegen,
Содержание
Проект
Предпосылки
Начиная с 1988 года главой Национального Центра Исследований Человеческого Генома в Национальной Организации Здравоохранения США (NIH) был Джеймс Уотсон. В 1992 его вынудили уйти в отставку, в основном, из-за несогласия с позицией его руководителя, Бернадины Хили (англ.) по вопросам патентования генов (англ.). В апреле 1993 его заменил Френсис Коллинз (англ.), а в 1997 году название центра было изменено на Национальный Институт Исследований Человеческого Генома (англ.) (NHGRI).
Трёхмиллиардный проект был формально запущен в 1990 году министерством энергетики США и национальным институтом здравоохранения, и ожидалось что он продлится 15 лет. Помимо США, в международный консорциум вошли генетики Китая, Франции, Германии, Японии и Великобритании.
Завершённость
- Прежде всего, центральные регионы каждой хромосомы, известные как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК; их сложно секвенировать при помощи современных технологий. Центромеры имеют длину миллионы (возможно десятки миллионов) пар нуклеотидов, и, по большому счёту, остаются не секвенированными.
- Во-вторых, концы хромосом, называемые теломерами, также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 хромосом их расшифровка не завершена. Точно не известно, какая часть последовательности остаётся не расшифрованной до теломер, но как и с центромерами, существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию.
- В-третьих, в геноме каждого индивидуума есть несколько локусов, которые содержат членов мультигенных семейств, которые также сложно расшифровать с помощью основного на сегодняшний день метода фрагментирования ДНК (англ.). В частности, эти семейства кодируют белки, важные для иммунной системы.
- Кроме перечисленных регионов, остаётся ещё несколько брешей, разбросанных по всему геному, некоторые из которых довольно крупные, но есть надежда, что все они будут закрыты в ближайшие годы.
Б́ольшая часть остающейся ДНК сильно повторяющаяся, и маловероятно, что она содержит гены, однако это останется неизвестным, пока они не будут полностью секвенированы. Понимание функций всех генов и их регуляции далека от завершения. Роль мусорной ДНК, эволюция генома, различия между индивидуумами, и многие другие вопросы по-прежнему являются предметом интенсивных исследований в лабораториях всего мира.
Последовательность человеческой ДНК сохраняется в базах данных, доступных любому пользователю через интернет. Национальный центр биотехнологической информации США (и его партнёрские организации в Европе и Японии) хранят геномные последовательности в базе данных известной как GenBank (англ.), вместе с последовательностями известных и гипотетических генов и белков. Другие организации, к примеру Калифорнийский Университет в Санта-Круз (англ.)[1] и Ensembl (англ.)[2] поддерживают дополнительные данные и аннотации а также мощные инструменты для визуализации и поиска в этих базах. Были разработаны компьютерные программы для анализа данных, потому что сами данные без таких программ интерпретировать практически невозможно.
Процесс идентификации границ генов и других мотивов в необработанных последовательностях ДНК называется аннотацией генома (англ.) и относится к области биоинформатики. Эту работу при помощи компьютеров выполняют люди, но они делают её медленно и, чтобы удовлетворять требованиями высокой пропускной способности проектов секвенирования геномов, здесь также всё шире используют специальные компьютерные программы. Лучшие на сегодняшний день технологии аннотации используют статистические модели основанные на параллелях между последовательностями ДНК и человеческим языком, пользуясь такими концепциями информатики как формальные грамматики.
Почти 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 результаты.
Как были достигнуты результаты
Сопоставление данных общего и частного проектов
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.
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 рыночной капитализации за два дня.
История частного проекта
Как были достигнуты результаты
IHGSC для ориентации и проверки правильности сборки последовательности каждой человеческой хромосомы использовал секвенирование концевых фрагментов в сочетании с картированием больших (около 100 тыс. пар оснований) плазмидных клонов, полученных методом фрагментирования генома, а также применял метод фрагментирования меньших субклонов тех же плазмид, а также множество других данных [7] .
Доноры генома
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).
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 [18] [19] .
4 сентября 2007 года, команда под руководством Крейга Вентера опубликовала полную последовательность его собственной ДНК [20] , впервые сняв покров тайны с шестимиллиарднонуклеотидной последовательности генома единственного человека.
Перспективы
Работа над интерпретацией данных генома находится всё ещё в своей начальной стадии. Ожидается что детальное знание человеческого генома откроет новые пути к успехам в медицине и биотехнологии. Ясные практические результаты проекта появились ещё до завершения работы. Несколько компаний, например Myriad Genetics (англ.), начали предлагать простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак груди, нарушения свёртываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и многим другим. Также ожидается, что информация о геноме человека поможет поиску причин возникновения рака, болезни Альцгеймера и другим областям клинического значения и, вероятно, в будущем может привести к значительным успехам в их лечении.
Также ожидается множество полезных для биологов результатов. Например, исследователь, изучающий определённую форму рака может сузить свой поиск до одного гена. Посетив базу данных человеческого генома в сети, этот исследователь может проверить что другие учёные написали об этом гене включая (потенциально) трёхменую структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими человеческими генами или с генами в мышах или дрожжах или дрозофиле, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном или другие данные.
Более того, глубокое понимание процесса заболевания на уровне молекулярной биологии может предложить новые терапевтические процедуры. Учитывая установленную огромную роль ДНК в молекулярной биологии и её центральную роль в определении фундаментальных принципов работы клеточных процессов, вероятно, что расширение знаний в данной области будет способствовать успехам медицины в различных областях клинического значения, которые без них были бы невозможны.
Анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов также открывает новые пути в исследовании теории эволюции. Во многих случаях вопросы эволюции теперь можно ставить в терминах молекулярной биологии. И в самом деле, многие важнейшие вехи в истории эволюции (появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, имунной системы позвоночных) можно проследить на молекулярном уровне. Ожидается что этот проект прольёт свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами (приматами, а на деле и всеми млекопитающими).
Проект определения разнообразия человеческого генома (англ.) (HGDP), отдельное исследование, нацеленное на картирование участков ДНК, которые различаются между этническими группами, который был, по слухам, приостановлен, но на самом деле продолжает работу и в настоящее время накапливает новые результаты. В будущем HGDP, вероятно, сможет получить новые данные в области контроля заболеваний, развития человека и антропологии. HGDP может открыть секреты уязвимости этнических групп к отдельным заболеваниям и подсказать новые стратегии для их преодоления (см. Раса и здоровье (англ.)). Он может также показать, как человеческие популяции адаптировались к этим заболеваниям.
9. Полученные в результате переноса генов организмы называются генетически модифицированными или трансгенными.
Переносу генов предшествует кропотливая работа по выявлению нового гена в геноме организма-донора и его выделению. Затем необходимо встроить данный участок молекулы ДНК в переносчик ДНК (обычно используются ДНК плазмид или бактериофаги). Процесс введения вектора новой ДНК в клетку хозяина называется транформацией.
Трансгенный организм — живой организм, в геном которого искусственно введен ген другого организма.
Целью создания трансгенных организмов является получение организма с новыми свойствами. Клетки трансгенного организма производят белок, ген которого был внедрен в геном. Новый белок могут производить все клетки либо определенные клеточные типы.
Создание трансгенных организмов используют:
• в научном эксперименте для развития технологии создания трансгенных организмов, для изучения роли определенных генов и белков, для изучения многих биологических процессов; огромное значение в научном эксперименте получили трансгенные организмы с маркерными генами (продукты этих генов с легкостью определяются приборами, так легко можно определить происхождение клеток, их судьбу в организме и т. д.);
• в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений и пород животных;
• в биотехнологическом производстве плазмид и белков.
В настоящее время получено большое количество штаммов трансгенных бактерий, линий трансгенных животных и растений.
С научной точки зрения употребление трансгенных продуктов может быть очень опасно. Некоторые ученые считают, что никакая насильственная вставка гена в уже сложившийся геном не может пройти бесследно. До сих пор не существует надежных методов для определения последствий употребления генно-модифицированных продуктов человеком. Ученые опасаются, что многие негативные эффекты могут проявиться лишь через поколения.
Например, они приписывают увеличение форм аллергии к последствиям употребления генно-модифицированных продуктов. Также они опасаются того, что встроенный ген может перейти из генно-модифицированного продукта в микрофлору кишечника и сделать ее нечувствительной к антибиотикам. А это повод для распространения новых болезнетворных бактерий.
Однако другие ученые считают, что нет реальных поводов для беспокойства, а указанные факты могут объясняться и другими причинами. Они приводят в пример другие страны (Индия, Китай, США), где трансгенные продукты давно используются в пищу и не принесли ожидаемых негативных последствий, и считают шумиху вокруг этого вопроса политико-экономическим интересом.
1990 — международная программа геном человека начинается.
Значение исследования генетического кода человека
Многие медицинские сообщества многих стран уже давно проявляли интерес и считают, что расшифровка генома человека важна ради прогресса медицины и выявления мутаций при ядерном облучении.
Целями проекта стало:
- составление карты человеческого генома и определение всего 3,2 миллиарда букв
- картирование и секвенирование геномов других организмов, если это будет полезным для изучения биологии
- разработка технологий для анализа ДНК и изучения социальных, этических и правовых последствий геномных исследований.
Начало клонирования организмов
Первый секвенированный геном
В 1995 году, чтобы продемонстрировать новые стратегии последовательности американский биолог Дж. Крейг Вентер опубликовал первый полностью секвенированный геном самовоспроизводящегося свободного живого организма — Гемофильной палочки.
Известный как грипп гемофильная палочка — это бактерия, которая может вызвать менингит уха и респираторные инфекции у детей. До этого прорыва, ученым только удалось секвенировать участок ДНК некоторых вирусов, которые примерно в десять раз короче, чем грипп гемофильная палочка.
Реализация проекта заняла около года и имела выдающееся достижение. Его успех доказал, что метод может быть применен быстро и качественно для определения генома в целом, подготавливая почву для будущих открытий.
1995 — гемофильная инфекция -это первый секвенированный геном бактерии
В марте 2000 года, ученые из ряда лабораторий успешно расшифровали генетический состав фруктовой мухи. Совместные усилия будут иметь серьезные последствия для секвенирования генома человека, как молекулярная биология и развитие имеет много общего с млекопитающими.
2000 – генетический код дрозофилы декодируется
В 2002 году ученые реализовали следующий большой шаг и расшифровали геном первого млекопитающего – мыши. Достижение позволило им сравнить, в первый раз, геном человека с другим млекопитающим.
Удивительно, выяснилось, что 90% кода мыши могут соответствовать с соответствующим местом на расшифровке генома человека. Как мышь и геном человека содержится около 30 000 белок-кодирующих участков ДНК. Эти открытия выведены впервые, насколько тесно млекопитающих были генетически связаны.
Первое клонирование животных
Всемирно известная овечка Долли была первым млекопитающим, клонированным из взрослой клетки. Подвиг был новаторским в то время как животные, такие как коровы были ранее клонированы из клеток эмбриона. Долли показала, что даже ДНК все еще может быть использован для создания всего организма.
Долли была создана учеными Рослинского института в Шотландии, из вымени клетки шестилетней белой овцы. Ученые нашли способ перепрограммировать клетки, которые затем вводили в яйцеклетку из которой её родные ядра были удалены. Затем яйцо было культивировано до стадии, прежде чем быть имплантировано в суррогатную мать.
Клонирование животных из взрослых клеток — это сложный процесс, и из 277 попыток только Долли была единственным ягненком, чтобы выжить. Она продолжала жить в безмятежном существовании в Рослинском институте и была способна производить нормальное потомство. После ее смерти (её усыпили), стала чучелом и выставлена на показ.
1996 – клонирование животных: овечка Долли
История создания генофонда человека
Для того, чтобы координировать процесс, было также решено, что крупные центры секвенирования информируют организацию генома человека о каких-либо намерениях о последовательности расшифровки генома человека.
Декодирование первой хромосомы человека
В то время непрерывный участок ДНК не был расшифрована и собран. Однако, это была только первая глава расшифровки генетического кода человека — остальное было еще впереди.
1999 — первая хромосома человека декодируется
Генофонд определен
История расшифровки генома человека завершилась в 2003 году, когда проект был завершен. Международный научно-исследовательский проект может быть описан как величайшее путешествие когда-либо сделанное – хоть и вовнутрь человека.
После этого ученые проводили второй этап проекта – завершающий этап. В течение этого времени, исследователи заполнили пробелы и устранили особенности ДНК в неоднозначных местах, пока они не завершили 99% описания ДНК в окончательной форме. Длина молекулы ДНК составляет 340 нанометров.
Эта окончательная форма содержит 2,85 миллиарда нуклеотидов, с прогнозируемыми темпами погрешность всего в 1 случае из 100 000 виртуализированных баз. Неоднозначности включают относительно небольшое количество белок-кодирующих генов (между 20 000 и 25 000) и там были похожие структуры с теми же функциями, представленные в разных видах.
Если учесть, что меньше чем за 200 лет назад, первооткрыватели, такие как Чарльз Дарвин только начинают подозревать, что характеристики могут передаваться по наследству, это же уму непостижимо, что ученым удалось найти методы секвенирования ДНК.
Перспективы
С 2010 года уже определяются генетические заболевания. Вводятся новые законы о нераспространении личных данных касающиеся генетики.
С 2020 года планируется ввести в действие новые лекарства на основе геномной информации
Новые исследования по расшифровке генома человека показали удивительные результаты. Оказывается, огромное количество вариантов ДНК человека возникло лишь в последние 5000 лет. Новый взгляд на происхождение человеческой ДНК показал, что геном человека был совсем не тот, что был во времена неолита .
Большинство отличительных генетических отличий людей появилось всего лишь в течение последних примерно 5000 лет недавно сообщили учёные. Человеческая популяция внезапно разрослась с нескольких миллионов до 7 миллиардов, в основном благодаря росту сельского хозяйства.
Исследователи изучили более 15000 генов в каждом из 6515 людей американо-европейского и афро-американского происхождения, ища различные генетические варианты. Ранее учёные сообщали об обнаружении множества редких генетических вариантов в меньшем количестве добровольцев. Теперь, исследователи полностью уверены в данной гипотезе, когда уже из генов возникло большинство вариантов.
Из 709816 генетических вариантов, найденных в американцах европейского происхожения, участвовавших в исследовании, более 81 процентов возникло лишь в прошлые 5000 лет, по данным исследователей. У Афро-американцев, участвовавших в массовом исследовании, было найдено 643128 генетических вариантов, более 58 процентов из которых составляют изменения ранее 5000 лет."Это может показаться большим промежутком времени, но всего лишь около 5 процентов времени люди существовали в современном виде",- говорит соавтор исследования Джошуа Экей, генетик из Университета Вашингтона в Сиэтле.
Хотя демографический взрыв у людей был очевиден со взгляда демографов, этот рост был почти невидимым для изучения генетиками общих генетических вариантов. Нужно время, чтобы выявить не отброшенные генетические варианты. Общие варианты - те, что в 5 и более процентов населения - как правило, старые изменения, которые в основном остались, как правило, потому что обычно не имеют большого влияния на здоровье.
"В новом исследовании учёных появилось чёткое представление о влияниии недавнего демографического взрыва на гены человека",- говорит Сара Тишкофф, генетик из университета Пенсильвании в Филадельфии. "Работа может помочь отследить варианты, которые влияют на риск появления общих заболеваний для человечества",- говорит она. В настоящее время, связав распространенные варианты болезней, учёные могут объяснить лишь небольшую генетической роль в риске развития заболеваний.
Исследователи обнаружили, что когда люди мигрировали из Африки около 70000 лет назад, они несли с собой мутировавшие версии генов, естественный отбор, возможно, отсеял бы гены, если бы они остались в Африке. Случайно, многие из потенциально вредных мутаций перенесли мигранты, а затем были переданы множеству потомков, как только они начали эмигрировать в Европу. Но многие другие потенциально вредные мутации - если они были только у малой части древних мигрантов - были потеряны, как только небольшие группы людей вышли c Африканского континента для заполнения остального мира.
На европейских американцев, генетические варианты по прогнозам, оказывают вредное воздействие, как правило, раньше, чем на афро-американцев - 3000 лет в среднем в европейских американцах по сравнению с 6200 годами в афро-американцах. (Африканское население выросло в последние тысячелетия, но не настолько, как население за пределами Африки, которое пошло от нуля до миллиардов меньше, чем за 100000 лет). Эволюции не было времени, чтобы очистить новейшие вредоносные изменения в обеих группах, чтобы многие из них не представляли опасности с точки зрения риска развития заболеваний.
"Хотя большинство генетических вариантов, по прогнозам исследователей, могут изменить свойства белков в худшую сторону, некоторые из генетических настроек могут когда-нибудь дать людям эволюционное преимущество",- говорит Джошуа Экей. Какие именно варианты оказываются хорошие, а какие могут дать проблемы предугадать невозможно. "Трудно рассуждать о генетическом здоровье нашего вида, когда среда меняется",- говорит он. "Мы должны проверить еще несколько тысяч лет." Но, добавляет он, одно можно сказать точно: "Если мы перестанем изменяться, мы станем эволюционно мертвы".
Читайте также: