Проект «Геном человека» является наиболее амбициозной биологической исследовательской программой за всю историю науки. Знание генома человека внесет неоценимый вклад в развитие медицины и биологии человека. Исследования человеческого генома так же необходимо человечеству, как когда-то было необходимо знание человеческой анатомии. Осознание этого пришло в 1980-х, и это привело к тому, что появился проект «Геном человека». В 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А. А. Баев (1904–1994). С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Вклад России в международное сотрудничество признан в мире: 70 отечественных исследователей являются членами HUGO.
Итак, прошло 10 лет с того времени, когда проект «Геном человека» был завершен. Есть повод вспомнить, как это было...
В 1990 г. при поддержке министерства энергетики США, а также Великобритании, Франции, Японии, Китая и Германии, был запущен этот трехмиллиардный проект. Возглавил его д-р Фрэнсис Коллинз, глава . Целями проекта являлись:
- 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.
В 1998 г. аналогичный проект был запущен д-ром Крейгом Вентером и его фирмой «Celera Genomics ». Д-р Вентер поставил перед своей командой задачу более быстрого и дешевого секвенирования человеческого генома (в отличие от трехмиллиардного международного проекта, бюджет проекта д-ра Вентера ограничивался 300 млн долл.). Кроме того, фирма «Celera Genomics » не собиралась открывать доступ к своим результатам.
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.
Тогда умы ученых были взбудоражены необыкновенными возможностями: новые, действующие на генетическом уровне лекарства, а значит, не за горами создание «персональной медицины», настроенной точно под генетический характер каждого отдельно взятого человека. Существовали, конечно, и опасения, что может быть создано генетически зависимое общество, в котором людей буду делить на высшие и низшие классы по их ДНК и соответственно ограничивать их возможности. Но все же была надежда, что этот проект окажется столь же прибыльным, сколь и Интернет.
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.
В результате исполнения проекта «Геном человека» был создан открытый банк генокода. Общедоступность полученной информации позволила многим исследователям ускорить свою работу. Ф. Коллинз привел в качестве иллюстрации такой пример: «Поиск гена фиброзно-кистозной дегенерации был успешно завершен в 1989 г., что стало результатом нескольких лет исследований моей лаборатории и еще нескольких других и стоило США около 50 млн долл. Сейчас это способен сделать смышленый выпускник университета за несколько дней, и все, что ему понадобится, - это Интернет, несколько недорогих реактивов, термоциклический аппарат для увеличения специфичности сегментов ДНК и доступ к ДНК-секвенатору, читающему ее по световым сигналам».
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.
Вскоре после расшифровки большей части генокода в 2003 г., ученые обнаружили, что существует гораздо меньше генов, чем они ожидали, но впоследствии убедились в противоположном. Традиционно ген определяли как участок ДНК, который кодирует белок. Однако, расшифровывая генокод, ученые выяснили, что 98,5% участков ДНК не кодируют белки, и назвали эту часть ДНК «бесполезной». И выяснилось, что эти 98,5% участков ДНК имеют едва ли не большее значение: именно эта часть ДНК отвечает за ее функционирование. Например, определенные участки ДНК содержат инструкции для получения похожих на ДНК, но небелковых молекул, так называемых двухцепочечных РНК. Эти молекулы являются частью молекулярно-генетического механизма, контролирующего активность гена (РНК-интерференция). Некоторые двухцепочечные РНК могут подавлять гены, препятствуя синтезу их белковых продуктов. Таким образом, если данные участки ДНК также считать генами, то их количество удвоится. В итоге исследования изменилось само представление о генах, и сейчас ученые считают, что ген - это единица наследственности, которую нельзя понимать как просто участок ДНК, кодирующий белки.
Можно сказать, что химический состав клетки - ее «хард», а информация, закодированная в ДНК, - предварительно загруженный «софт». Никто раньше и не предполагал, что клетка является чем-то большим, чем просто совокупностью составных частей, и что для ее построения недостаточно закодированной в ДНК информации, что столь же важным является процесс саморегулирования генома - и путем сообщения между соседними генами, и путем воздействия других молекул клетки.
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.
Наконец, и «персональная медицина» теперь кажется уже более реальной задачей. Д-р Уиллс выразил надежду, что лечение заболеваний путем замены поврежденного участка ДНК нормальным станет возможным уже в следующее десятилетие. Сейчас проблемой, препятствующей развитию такого метода лечения, является то, что ученые не умеют доставлять ген в клетку. Пока единственный известный способ доставки - заражение животного вирусом с необходимыми генами, но это опасный вариант. Однако д-р Уиллс предполагает, что в скором времени в этом направлении будет совершен прорыв.
Сегодня уже существуют простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак молочной железы, нарушение свертываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и др. Такие заболевания, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, как было выяснено, связаны не с общими для всех, а с огромным количеством редких, практически индивидуальных мутаций (причем не в одном гене, а в нескольких; например, мышечную дистрофию Шарко-Мари-Тут может вызвать мутация 39 генов), в результате чего эти болезни трудно поддаются диагностике и воздействию медицинских препаратов. Именно это открытие является одним из камней преткновения «персональной медицины», поскольку, прочитав генокод человека, пока невозможно точно определить состояние его здоровья. Исследуя генокоды разных людей, ученые были разочарованы результатом. Около 2000 участков ДНК человека статистически относилось к «болезненным», которые при этом не всегда относились к работающим генам, т. е. не представляли угрозы. Похоже, что эволюция избавляется от мутаций, вызывающих болезнь, до того, как они станут общими.
Проводя исследования, группа ученых в Сиэтле обнаружила, что из всего человеческого генокода лишь 60 генов претерпевают спонтанную мутацию каждое поколение. При этом мутировавшие гены могут вызвать различные заболевания. Так, если у каждого из родителей было по одному «испорченному» и одному «неиспорченному» гену, то у детей болезнь может и не проявиться или проявится в очень слабой форме, если они получат один «испорченный» и один «неиспорченный» ген, но если ребенок унаследует оба «испорченных» гена, то это может привести к болезни. К тому же, поняв, что общечеловеческие болезни вызываются индивидуальным мутациями, ученые пришли к выводу, что необходимо исследовать полностью весь генокод человека, а не его отдельные участки.
Несмотря на все затруднения, уже созданы первые генетические лекарства против рака, которые блокируют эффекты генетических отклонений, приводящих к росту опухолей. Также недавно было одобрено лекарство компании «Amgen » от остеопороза, которое основывается на том, что болезнь вызывается гиперактивностью определенного гена. Последнее достижение - проведение анализа биологических жидкостей на присутствие мутации определенного гена для диагностики рака толстой кишки. Такой тест позволит избавить людей от неприятной процедуры колоноскопии.
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.
Закон Мура говорит о том, что компьютеры увеличивают свою мощность вдвое примерно каждые два года. Таким образом, за последнее десятилетие их мощность возросла более чем в 30 раз при постоянно снижающейся цене. В геномике пока нет имени для аналогичного закона, но его следовало бы назвать законом Эрика Лэндера - по имени главы Broad Institute (Cambridge , Massachusetts , крупнейший американский центр, занимающийся расшифровкой ДНК). Он подсчитал, что по сравнению с прошлым десятилетием цена расшифровки ДНК снизилась на сотни тысяч долларов. При расшифровке последовательности геномов в International Human Genome Sequencing Consortium использовали метод, разработанный еще в 1975 г. Ф. Сенджером, что заняло 13 лет и стоило 3 млрд долл. А значит, расшифровка генетического кода была под силу только мощным компаниям или центрам по исследованию генетической последовательности. Сейчас, используя последние устройства для расшифровки от фирмы «Illumina » (San Diego , California ), человеческий геном может быть прочитан за 8 дней, и стоить это будет около 10 тыс. долл. Но и это не предел. Другая калифорнийская фирма, «Pacific Biosciences» и з Менло Парка, разработала способы, позволяющие прочитать геном всего с одной молекулы ДНК. Вполне возможно, что скоро расшифровка генома будет занимать минут 15 и стоить менее 1000 долл. Аналогичные разработки существуют и в «Oxford Nanopore Technologies » (Великобритания). Раньше фирмы использовали решетки проб ДНК (ДНК-чипы) и искали определенные генетические символы - SNP. Сейчас известно несколько десятков таких символов, но есть основания предполагать, что среди трех миллиардов «букв» генетического кода их гораздо больше.
До недавнего времени полностью было расшифровано всего несколько генокодов (в проекте «Геном человека» были использованы кусочки генокода множества людей, а затем собраны в единое целое). Среди них генокоды К. Вентера, Дж. Уотсона, д-ра Ст. Куэйка, двух корейцев, китайца, африканца, а также больного лейкемией, национальность которого ныне уже трудно установить. Теперь, с постепенным усовершенствованием техники чтения последовательностей генов, станет возможным расшифровка генокода все большего и большего числа людей. В будущем свой генокод сможет прочитать любой человек.
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.
На настоящий момент в США ведутся споры по поводу патентования «расшифрованных» генов. Однако многие исследователи считают, что патентование генов станет препятствием для развития науки. Главная стратегическая задача будущего сформулирована следующим образом: изучить однонуклеотидные вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить различия между индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возможность не только подойти к созданию индивидуальных генных «портретов» людей, что, в частности, позволит лучше лечить болезни, но и определить различия между популяциями, выявлять географические районы повышенного «генетического» риска, что поможет давать четкие рекомендации о необходимости очистки территорий от загрязнения и выявлять производства, на которых есть большая опасность поражения геномов персонала.
SNP - одиночный генетический символ, который меняется от человека к человеку. Его открыли специалисты «International HapMap Project », изучая такую мутацию генокода, как однонуклеотидный полиморфизм. Целью проекта по картированию участков ДНК, различных для разных этнических групп, был поиск уязвимости этих групп к отдельным заболеваниям и возможностей их преодоления. Эти исследования могут также подсказать, как человеческие популяции адаптировались к различным заболеваниям.
История возникновения проекта
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 1988 Объединенный комитет, куда входили Министерство энергетики США и Национальные институты здоровья, представили обширный проект, в задачи которого – помимо секвенирования генома человека – входило всестороннее изучение генетики бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши (эти организмы широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека). Кроме того, предусматривался детальный анализ этических и социальных проблем, возникающих в связи с работой над проектом. Комитету удалось убедить Конгресс выделить на проект 3 млрд. долларов (один нуклеотид ДНК – за один доллар), в чем немалую роль сыграл ставший во главе проекта Нобелевский лауреат Дж. Уотсон . Вскоре к проекту присоединились другие страны (Англия, Франция, Япония и др.). В России в 1988 с идеей секвенирования генома человека выступил академик А.А.Баев , и в 1989 в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека».
В 1990 была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO ), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академикА.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. Закончить работу предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005. Однако скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год по всему миру, то на исходе 1999 частная американская фирма «Celera» , возглавляемая Дж. Вентером (J.Venter) , расшифровывала не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Этого удалось достичь благодаря тому, что секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок; они работали круглосуточно, функционировали в автоматическом режиме и сразу же передавали всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизировалась, аннотировалась и становилась доступной ученым всего мира. Кроме того, фирма «Celera» широко использовала данные, полученные в рамках Проекта другими его участниками, а также разного рода предварительные данные. 6 апреля 2000 состоялось заседание Комитета по науке Конгресса США, на котором Вентер заявил, что его компания завершила расшифровку нуклеотидной последовательности всех существенных фрагментов генома человека и что предварительная работа по составлению нуклеотидной последовательности всех генов (предполагалось, что их 80 тыс. и что они содержат примерно 3 млрд. нуклеотидов), наконец, завершена.
Доклад был сделан в присутствии представителя HUGO, крупнейшего специалиста по секвенированию д-ра Р.Уотерсона. Расшифрованный фирмой «Celera» геном принадлежал анонимному мужчине, т.е. содержал как X-, так и Y-хромосомы, а HUGO использовали в своих исследованиях материал, полученный от разных людей. Между Вентером и HUGO велись переговоры о совместной публикации результатов, однако они закончились безрезультатно из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. По мнению компании «Celera», об этом можно говорить лишь в том случае, если гены полностью секвенированы и известно, как расшифрованные сегменты располагаются в молекуле ДНК. Этому требованию удовлетворяли результаты «Celera», в то время как результаты HUGO не позволяли однозначно определить взаимное положение расшифрованных участков. В результате в феврале 2001 в специальных выпусках двух авторитетнейших научных журналов, «Science» и «Nature» , были раздельно опубликованы результаты исследований «Celera» и HUGO и приведены полные нуклеотидные последовательности генома человека, охватывающие около 90% его длины.
Общебиологическое значение исследований, проведенных в рамках Проекта
Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых; без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Их расшифровка ведется все возрастающими темпами. Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 году генома бактерии Haemophilus influenzae , позже были полностью расшифрованы геномы более 20 бактерий, среди которых – возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 картировали геном первой эукариотической клетки (клетки, содержащей оформленное ядро) –дрожжевой , а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolits elegans (нематоды ). Завершена расшифровка генома первого насекомого – плодовой мушки дрозофилы и первого растения – арабидопсиса . У человека уже установлено строение двух самых маленьких хромосом – 21-й и 22-й. Все это создало основы для создания нового направления в биологии – сравнительной геномики .
Знание геномов бактерий, дрожжей и нематоды дает 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.
Весьма 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, межгенные участки и т.д., 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. На лицо 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 нами. Много лет назад Ф.Крик , один из авторов «двойной спирали» – 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.
Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома . Вообще говоря, геном человека высоко консервативен. 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
Самые большие надежды и ученые, и общество возлагают на возможность применения результатов секвенирования генома человека для лечения генетических заболеваний . К настоящему времени в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе и такие серьезные, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, хорея Гентингтона, наследственный рак молочной железы и яичников. Структуры этих генов полностью расшифрованы, а сами они клонированы. Еще в 1999 была установлена структура 22-й хромосомы и определены функции половины ее генов. С дефектами в них связано 27 различных заболеваний, в том числе шизофрения, миелолейкоз и трисомия 22 – вторая по распространенности причина спонтанных абортов. Самым эффективным способом лечения таких больных была бы замена дефектного гена здоровым. Для этого, во-первых, необходимо знать точную локализацию гена в геноме, а во-вторых – чтобы ген попал во все клетки организма (или хотя бы в большинство), а это при современных технологиях невозможно. Кроме того, даже попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается ею как чужой, и она пытается избавиться от него. Таким образом, «вылечить» удается только часть клеток и только на время. Еще одно серьезное препятствие на пути применения генной терапии – мультигенная природа многих заболеваний, т.е. их обусловленность более чем одним геном. Итак, массового применения генной терапии в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать, хотя успешные примеры такого рода уже есть: удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена. Исследования в этой области ведутся по всему миру, и, может быть, успехи будут достигнуты раньше, чем предполагается, как это и произошло с секвенированием генома человека.
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.
Широкое применение, несомненно, найдет и еще один феномен : обнаружилось, что разные аллели одного гена могут обусловливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства лекарств, предназначенных разным группам пациентов. Это поможет избежать побочных эффектов терапии, снизить миллионные затраты. Возникает целая новая отрасль – фармакогенетика , которая изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут повлиять на эффективность лечения. Появятся 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 .
Важный практический аспект вариабельности генома – возможность идентификации личности . Чувствительность методов «геномной дактилоскопии» такова, что достаточно одной капли крови или слюны, одного волоса, чтобы с абсолютной достоверностью (99,9%) установить родственные связи между людьми. После секвенирования генома человека этот метод, использующий теперь не только специфические маркеры в ДНК, но и однонуклеотидный полиморфизм, станет еще более надежным. Вариабельность генома породила направление геномики – этногеномику . Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для данного этноса . Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология, лингвистика. Еще одно интересное направление – палеогеномика , занимающаяся исследованием древней ДНК, извлеченной из останков, найденных в могильниках и курганах.
Проблемы и опасения
Финансирование «геномной гонки» и участие в ней тысяч специалистов основывались, прежде всего, на постулате, что расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК сможет решить фундаментальные проблемы генетики. Оказалось, однако, что лишь 3% генома человека кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов в ходе развития. Каковы функции остальных участков ДНК и есть ли они вообще – остается совершенно неясным. Около 10% генома человека составляют так называемые Alu-элементы длиной 300 п.н. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции у приматов, и только у них. Попав к человеку, они размножались до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом, то образуя сгустки, то прерывая гены.
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.
Далее необходимо договориться, что вкладывать в само понятие «геном». Часто под геномом понимается лишь генетический материал как таковой, однако с позиции генетики и цитологии его составляет не только структура элементов ДНК, но и характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать и как пойдет индивидуальное развитие при определенных условиях среды. И, наконец, нельзя не упомянуть о феномене так называемой«неканонической наследственности» , привлекшем к себе внимание в связи с эпидемией «коровьего бешенства». Эта болезнь стала распространяться в Великобритании в 1980-х годах после того, как в корм коровам стали добавлять переработанные головы овец, среди которых встречались овцы, больные скрэпи (нейродегенеративное заболевание). Сходная болезнь стала передаваться людям, употреблявшим в пищу мясо больных коров. Обнаружилось, что инфекционным агентом являются не ДНК или РНК, а белки-прионы. Проникая в клетку-хозяина, они изменяют конформацию нормальных белков-аналогов. Феномен прионов обнаружен также у дрожжей.
Таким образом, попытка представить расшифровку генома как чисто научно-техническую задачу несостоятельна. А между тем такой взгляд широко пропагандируется даже весьма авторитетными учеными. Так, в книге «Код кодов» (The Code of Codes, 1993) У.Гилберт , открывший один из методов секвенирования ДНК, рассуждает о том, что определение нуклеотидной последовательности всей ДНК человека приведет к изменениям в наших представлениях о самих себе. «Три миллиарда пар оснований могут быть записаны на одном компакт-диске. И любой может вытащить из кармана свой диск и сказать: «Вот он – Я!» Между тем необходимо знать не только порядок следования звеньев в цепи ДНК и не только взаимное расположение генов и их функции. Важно выяснить характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать в конкретных условиях – внутренних и внешних. Ведь многие болезни человека обусловливаются не дефектами в самих генах, а нарушениями их согласованных действий, системы их регуляции.
Расшифровка генома человека и других организмов не только привела к прогрессу во многих областях биологии, но и породило множество проблем. Одна из них – идея «генетического паспорта», в котором будет указано, несет ли данный человек опасную для здоровья мутацию. Предполагается, что эти сведения будут конфиденциальными, но никто не может гарантировать, что не произойдет утечки информации. Прецедент уже был в случае «генетической паспортизации» афроамериканцев с той целью, чтобы определить, являются ли они носителями гена гемоглобина, содержащего мутацию, которая связана с серповидноклеточной анемией. Эта мутация распространена в Африке в малярийных районах, и если она присутствует в одном аллеле, то обеспечивает носителю устойчивость к малярии, обладатели же двух копий (гомозиготы) умирают в раннем детстве. В 1972 в рамках борьбы с малярией на «паспортизацию» было истрачено более 100 млн. долл., а после выполнения программы выяснилось, что: а) у здоровых людей, носителей мутации, возникает комплекс вины, эти люди чувствуют себя не совсем нормальными, и такими их начинают воспринимать окружающие; б) появились новые формы сегрегации – отказ в приеме на работу. В настоящее время некоторые страховые компании выделяют средства на проведение ДНК-тестов в отношении ряда заболеваний, и если будущие родители, носители нежелательного гена, не соглашаются на прерывание беременности и у них рождается больной ребенок, им могут отказать в социальной поддержке.
Другая опасность – эксперименты по трансгенозу, созданию организмов с пересаженными от других видов генами, и распространению таких «химер» в окружающей среде. Здесь особую опасность представляет необратимость процесса. Если атомную станцию можно закрыть, использование ДДТ и аэрозолей прекратить, то изъять из биологической системы новый организм невозможно. Мобильные гены, открытые МакКлинток у растений, и сходные с ними плазмиды микроорганизмов передаются в природе от вида к виду. Ген, вредный или полезный (с точки зрения человека) для одного вида, может со временем перейти к другому виду и непредсказуемым образом изменить характер своего действия. В Америке мощная биотехнологическая компания «Монсанто» создала сорт картофеля, в клетки которого включен бактериальный ген, кодирующий токсин, который убивает личинок колорадского жука. Утверждается, что этот белок безвреден для человека и животных, однако страны Европы не дали разрешения на выращивание у себя этого сорта. Картофель испытывается в России. Опыты с трансгенными растениями предусматривают строжайшую изоляцию делянок с подопытными растениями, однако на охраняемых полях с трансгенными растениями Института фитопатологии в Голицыне под Москвой ремонтные рабочие выкопали картошку и тут же ее съели. На юге Франции ген устойчивости к насекомым «перескочил» от культурных растений к сорнякам. Другой пример опасного трансгеноза – выпуск в озера Шотландии лосося, который набирает вес в 10 раз быстрее, чем обычный лосось. Существует опасность, что этот лосось попадет в океан и нарушит сложившееся популяционное равновесие у других видов рыб.
Что можно ждать от геномных исследований в ближайшие 40 лет?
Вот как сформулировал прогноз Ф. Коллинз, руководитель программы «Геном человека» (США).
2010 год
Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, яростно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.
2020 год
На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.
2030 год
Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее 1000 $. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.
Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.
2040 год
Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при/до рождения).
Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни детектируются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.
Для большинства заболеваний доступна генная терапия.
Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря социоэкономическим мерам. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.
«Гены предрасположенности или болезни, которые нас выбирают»
Как всякое научное открытие, расшифровка генома человека привела к появлению новых важных научных направлений, бурным развитием которых ознаменовалось начало 21 века – функциональная геномика (functional genomics), генетическое разнообразие (human genome diversity), этические, правовые и социальные аспекты исследований генома человека (ethical’legal and social implications — ELSI).
Задачей функциональной геномики является изучение функций новых генов, точнее генных ансамблей, так называемых «генных сетей» в нормальном развитии органов, тканей и при различных заболеваниях. Исследование генетического разнообразия проливает свет на эволюцию человека, проблемы этногенеза, т.е. происхождение рас, национальностей, этнических групп и пр. Они особенно важны и для выяснения наследственной предрасположенности человека к различным, в том числе и наиболее частым заболеваниям . Огромное значение на современном этапе приобретают исследования путей адаптации человека к серьезным переменам в медицине и обществе, вызванными быстро нарастающей «генетизацией» человечества.
Одним из важнейших итогов изучения генома человека является возникновение и быстрое развитие нового направления медицинской науки – молекулярной медицины — медицины, основанной на диагностике, лечении и профилактике наследственных и ненаследственных болезней с помощью самих генов, точнее нуклеиновых кислот . Что же отличает молекулярную медицину от обычной медицины? Прежде всего, универсальность диагностики, основанная на точных методах анализа самих генов. Ее профилактическая направленность, то есть возможность диагностировать или с высокой вероятностью предсказывать то или иное заболевание (предиктивная медицина ). Четко выраженная индивидуальность лечения (лекарства должны подбираться каждому больному строго индивидуально). Наконец, использования для лечения разных наследственных и ненаследственных болезней самих генов и их продуктов (генная терапия). Что же такое предиктивная медицина? Как показывают результаты сравнительного анализа, частота индивидуальной вариабельности молекулярной структуры геномов разных людей составляет около 0,1%. Это означает, что такие различия (замены отдельных букв) встречаются очень часто – примерно через каждые 400 знаков, что предполагает наличие 9 000 000 замен на каждый геном. Важно, что такие варианты не редко встречаются внутри самих генов. Их результатом могут быть замены букв в генетическом коде (полиморфизмы), в результате которых синтезируются белки с необычными, часто сильно измененными свойствами, отличными от нормальных. Наличие таких функционально различных белков (изоферментов), гормонов и пр. создает уникальный биохимический паттерн каждого человека.
Подобные замены в генах (полиморфизмы) далеко не всегда нейтральны. Они, а точнее продукты таких генов, как правило, работают менее эффективно и делают человека уязвимым к тому или иному заболеванию . Особенно ярко эту мысль выразил Фрэнсис Коллинз — директор Международной Программы «Геном Человека»: «Никто из нас не совершенен. Все больше генетических тестов становится доступно и каждый из нас, в конечном счете, обнаруживает у себя мутацию, предрасполагающую к какой-нибудь болезни». Действительно, именно 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», то есть гены, полиморфизмы (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. Существенно подчеркнуть, что причиной большинства заболеваний являются мутации не отдельных, а многих разных генов (т.н. генных сетей), обеспечивающих соответствующие метаболические процессы. В последнее время именно расшифровка составляющих элементов таких генных сетей при различных заболеваниях, выяснение роли полиморфизмов отдельных генов в их возникновении составляет горячую область предиктивной медицины.
Важным разделом предиктивной медицины является фармакогенетика — выяснение генетически обусловленных особенностей индивидуальной реакции организма на различные фармпрепараты. По некоторым данным ежегодно в мире погибает более 100 000 человека в связи с неправильной дозировкой лекарственных веществ, игнорирующей индивидуальную вариабельность действия лекарств. В настоящее время разработаны и широко используются в различных лабораториях и диагностических центрах, многочисленные генетические тесты. Часть из них направлена на выявление носителей мутантных генов, приводящих к различным тяжелым наследственным заболеваниям. Эти тесты особенно актуальны в семьях высокого риска, где уже есть больной ребенок . Они позволяют выяснить в семье носителей соответствующих мутантных генов и предотвратить рождение заведомо больного ребенка после своевременной дородовой (пренатальной) диагностики. Существует, однако, большая группа нейродегенеративных и некоторых онкологических заболеваний, первые клинические проявления которых наблюдаются сравнительно поздно, уже у взрослых. Для таких болезней разработаны методы досимптоматической диагностики.
В настоящее время, как показывает анализ мировой литературы, уже доступны для клинического применения около 150-200 генетических тестов Их широко применяют в различных центрах США и стран Западной Европы, особенно во Франции, Великобритании и в Германии. Во Франции, например, разработана и уже используется в медицинской практике система SESAM (System Expert Specialisee aux Analyae Medicale). Она основана на компьютерной интерпретации результатов генетического тестирования, а так же результаты биохимических, серологических и иммунологических анализов. В ходе ее выполнения уже используют свыше 80 тестов, которые обрабатывают при помощи специальной компьютерной программы. Особенно существенный вклад вносит данная программа в Предиктивную Медицину. Основной упор при этом делается на интерпретацию результатов различных генетических тестов, и, в первую очередь, тестов по изучению состояния генов системы детоксикации, ответственных за чувствительность человека к самым различным внешним воздействиям, особенно к химическим препаратам, лекарствам и другим ксенобиотикам. В Великобритании уже началось осуществление масштабного проекта по созданию Биобанка , содержащего генетическую информацию более 500 000 британцев разных рас и этнических групп с целью изучения диабета, рака, болезни Альцгеймера, сердечно-сосудистых заболеваний. Предполагается, что данный проект, в случае его успешной реализации, станет началом новой эры в медицине, так как с его помощью станет возможным прогнозировать и лечить заболевания, основываясь на индивидуальных генетических особенностях пациентов.
Программа массовой генетической паспортизации всего населения и, прежде всего, молодежи уже начата в Эстонии. В России такая Программа пока отсутствует. Однако различные предиктивные генетические тесты уже проводятся в разных молекулярных лабораториях и центрах Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Томска и Уфы.
Естественно, что гены системы детоксикации (они же — гены метаболизма) представляют собой лишь одно из многих семейств генов, тестирование которых важно для целей предиктивной медицины. Существенная роль в наследственной предрасположенности принадлежит и другим генам, в частности, генам, контролирующим трансмембранный перенос метаболитов, а так же генам, продукты которых играют ключевую роль в клеточном метаболизме (гены-триггеры).
Таким образом, как ни печально, приходится признать, что человек рождается уже с набором генов, предрасполагающих его к тому или иному тяжелому заболеванию. При чем в каждой семье и у каждого человека выраженность наследственной предрасположенности к конкретной болезни сугубо индивидуальна. Тестирование соответствующих генов позволяет не только выявить лиц с повышенным риском этих и других мультифакториальных заболеваний, но и оптимизировать стратегию их лечения.
Существенно подчеркнуть, что достаточно объективная информация о наследственной предрасположенности к любому мультифакториальному заболеванию, которую мы унаследовали от родителей, может быть получена в результате тестирования не одного или двух, но сразу нескольких различных генов — главных генов предрасположенности в той или иной генной сети. В настоящее время методы тестирования многокомпонентных генных сетей разработаны для более 25 мультифакториальных заболеваний. Ко всему сказанному добавим: идентификация всех генов человека, открытие новых генных сетей неизмеримо увеличивает возможности генетического тестирования наследственной предрасположенности и медико-генетического консультирования. Существенную помощь в этом могут оказать новые технологии. В частности, методы анализа с помощью микрочипов, которые позволяет одномоментно тестировать тысячи генетических полиморфизмов у одного человека или сразу несколько полиморфизмов у многих тысяч людей. Последний подход особенно важен для суждения о генетической структуре населения целого государства, что важно для планирования наиболее эффективной системы профилактики частых мультифакториальных болезней.
Итак , с помощью генетических тестов можно получить достаточно объективную информацию о том, какие болезни уже «выбрали» нас в момент формирования нашего генома на начальных этапах эмбрионального развития, то есть носителями каких мутантных генов мы являемся. Вполне реально уже сегодня узнать в какой мере уникальные особенности нашего генома могут представлять реальную угрозу для здоровья наших детей и близких родственников, могут привести нас самих к тяжелым, неизлечимым заболеваниям. Совокупность таких сведений о геноме каждого человека и позволяет говорить об индивидуальной базе данных. Внедрение в практическую медицину пренатальной (дородовой) диагностики наследственных болезней, скрининг (массовое обследование) носительства мутантных генов и генетических тестов активно способствуют формированию баз данных для отдельных индивидуумов и целых семей. Дополненная сведениями о кариотипе (наборе хромосом) и генетическим номером (уникальный генетический код каждого человека, устанавливаемый методами геномной дактилоскопии) и является основой расширенной индивидуальной базы данных человека — его «генетическим паспортом»). Проблема, однако, заключается в том, что далеко не каждый человек хочет и готов знать о подводных камнях своей наследственности. Не менее серьезной оказывается и проблема обязательной строгой конфиденциальности такой информации. Естественно, что решение этих и многих других проблем на пути широкого внедрения достижений современной генетики в жизнь требует их детального осмысления учеными и обществом. Назрела необходимость четкой юридической регламентации и гармоничной социальной адаптации применения достижений предиктивной медицины в практике здравоохранения.
«Геном Человека как Научная Основа Профилактической Медицины»
Стратегические направления исследований генома человека.
Исследования генома человека уже привели к возникновению таких новых научных направлений, и, соответственно, программ как «Функциональная Геномика»; «Генетическое Разнообразие Человека»; «Этические, Правовые и Социальные Аспекты Исследований Генома Человека». Эти направления активно проникают во все сферы жизни человека, и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающей «генетизации» человечества.
1. 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 тысяч. Какова функция остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов составляет важную стратегическую задачу исследований в программе «Функциональная Геномика» . Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток, 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 генов — вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.
2. Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, межиндивидуальные 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), а также насекомых (дрозофилы), червей (Caenorhabditis elegans). Есть основания предполагать, что компьютеризованный анализ геномов различных животных позволит создать Периодическую Систему Геномов. Будет ли она по аналогии с известной Периодической Системой Химических Элементов Д.И.Менделеева двумерной или окажется многомерной покажет будущее. Однако сама возможность создания такой Биологической Периодической Системы сегодня уже не представляется фантастичной.
3. По мере все более полной «генетизации» жизни человека, т.е. проникновения генетики не только во все разделы медицины, но и далеко за ее пределы, в том числе в социальные сферы, нарастающей заинтересованностью всех слоев мирового сообщества в достижениях генетики, все более очевидным для ученых, чиновников, правительств и просто образованных людей становится необходимость решения многочисленных этических, юридических, правовых и социальных проблем порождаемых успехами в изучении генома человека и познании его функций. Серии Этических, Правовых и Социальных программ, направленных на изучение проблем адаптации человека и общества в целом к восприятию достижений генетики.
Расшифровка последней хромосомы
Ученые расшифровали последнюю хромосому генома человека. Составлена карта самой сложной хромосомы человека.
Хромосома 1
содержит почти в два раза больше генов, чем обычная хромосома, и составляет 8% генетического кода человека. Это самая крупная хромосома стала последней из 23 хромосом человека (22 парных плюс половые), расшифрованной в рамках проекта «Геном человека» (Human Genome), сообщает Reuters.
В данной хромосоме содержится 3141 ген, в том числе те, которые связаны с такими заболеваниями, как рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона. «Данное достижение закрывает важный этап проекта «Геном человека», — говорит Саймон Грегори, руководитель проекта, которым занимается британский Институт Сэнгера.
Хромосома 1 является самой крупной и содержит наибольшее число генов. «Поэтому с этим участком генома связано наибольшее число заболеваний», — говорит Грегори.
На секвенсирование хромосомы 1 понадобилось 10 лет работы 150 британских и американских ученых. Результаты работы помогут исследователям во всем мире развивать методы диагностики и лечение рака, аутизма, психических расстройств и других заболеваний.
Хромосомы находятся в ядре клетки, они представляют нитеобразные структуры и содержат гены, которые определяют индивидуальные характеристики человека. Геном человека, по оценкам, состоит из 20-25 тыс. генов. В ходе секвенсирования хромосомы 1 было обнаружено 1000 новых генов.
Библиография
Баранов В.С., Баранова Е.В., Иващенко Т.Э., Асеев М.В. Геном человека и гены «предрасположенности»: Введение в предиктивную медицину. СПб., 2000
Боринская С.А., Янковский Н.К. Структура генома прокариот // Молекулярная биология. 1999. Т. 33. № 6
Бочков Н.П. Генетика человека и клиническая медицина // Вестн. РАМН. 2001. № 10
Генная терапия — медицина будущего / Под ред. А.В.Зеленина. М., 2000
Горбунова В.Н., Баранов В.С Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СПБ., 1997
Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека. Новосибирск, 1997
Тяжелова Т.В., Иванов Д.В., Баранова А.В., Янковский Н.К. Новые гены человека в области 13q14.3, обнаруженные in silico // Генетика. 2003. Т. 39. №6
Янковский Н.К., Боринская С.А. Геном человека: научные и практические достижения и перспективы: Аналитический обзор // Вестник РФФИ. 2003.№
2
Baranova A.V., Lobashev A.V., Ivanov D.V., Krukovskaya L.L., Yankovsky N.K., Kozlov A.P. In silico screening for tumour-specific expressed sequences in human genome // FEBS Lett. 2001. Nov. V. 9. № 508 (1)
Collins F.S., Green E.D., Guttmacher A.E., Guyer M.S. A vision for the future of genomics research. 2003. Nature. № 422
Mitochondrial DNA sequence diversity in Russians. Orekhov V., Poltoraus A., Zhivotovsky L.A., Spitsyn V., Ivanov P., Yankovsky N. // FEBS Lett. 1999. Feb. V. 19. № 445 (1)
Orekhov V., Ivanov P., Zhivotovsky L., Poltoraus A., Spitsyn V., Ginter E., Khusnutdinova E., Yankovsky N. MtDNA sequence diversity in three neighbouring ethnic groups of three language families from the European part of Russia // Archaeogenetics: DNA and the Population Prehistory of Europe / Ed. by. C. Renfrew, K. Boyle. Cambridge, 2000
The Human Genome // Nature. 2001. № 409
The Human Genome // Nature. 2003. № 421
Venter J.C., Adams M.D., Myers E.W. et al.
The sequence of the human genome // 2001. Science. № 291
Материал взят из архива программы А. Гордона из раздела «Специальные проекты» сайта http://promo.ntv.ru, а также с сайта http://www.newsru.com из статьи «Ученые расшифровали последнюю хромосому генома человека» от 18 мая 2006 г.
МАТЕРИАЛЫ К ЛЕКЦИЯМ
РАСШИФРОВКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА: УСПЕХИ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Е.Н. Гнатик
Кафедра онтологии и теории познания Факультет гуманитарных и социальных наук Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 10, Москва, Россия, 117198
Биотехнологии оказывают существенное воздействие на социально-экономическое развитие общества, а также на философию, мораль, право, религию и другие сферы культуры, поскольку их применение затрагивает проблемы управления природой человека и всего живого на нашей планете. В работе речь идет о тенденциях и особенностях современной биологической науки и медицины, о новом уровне понимания биологических проблем, основывающемся на результатах программы «Геном человека». Статья приурочена к пятнадцатилетней годовщине с момента важнейшего события в мире науки начала XXI в. - расшифровки генома человека.
Ключевые слова: проект «Геном человека», молекулярная биология, высокотехнологичная медицина, философские проблемы, природа человека.
15 лет назад, в 2001 г., был завершен и опубликован «черновой» вариант расшифровки генома человека. Реализация этой международной программы явилась беспрецедентным событием в современном естествознании. Значение этого события сложно переоценить. Ведь во многом благодаря именно этому достижению наука о живом стала одной из важнейших отраслей человеческих знаний, по сути лидером естествознания. Современное биологическое знание и биотехнологии оказывают существенное воздействие на социально-экономическое развитие общества, а также на философию, мораль, право, религию и другие сферы культуры в связи с тем, что их использование затрагивает проблемы управления природой человека и всего живого в целом.
Расшифровка строения наследственного аппарата человека долгое время считалась неразрешимой задачей, во многом и потому, что исследователи не располагали соответствующими методами и подходами. Открытие химического строения и пространственной структуры ДНК в 1953 г. явилось огромным прорывом, определив фарватер дальнейшего развития биологии. Но реальные научные, мето-
дические и технические возможности определения структуры больших по размеру молекул, кодирующих наследственную информацию, появились только к концу ХХ в. Реализация Международного проекта «Геном человека» (без преувеличения являющегося одним из самых масштабных, амбициозных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки) началась в 1988 г. Основная цель проекта - выяснение последовательности нуклеотидов во всех молекулах ДНК человека с одновременным установлением локализации всех генов. Приоритетными направлениями были объявлены структурно-функциональное изучение генома, а также медицинская генетика и генотерапия.
В течение первых двух лет функционирования программы «Геном человека» скорости секвенирования были весьма низкими. Такими темпами для полного завершения работы потребовалось бы около ста лет. Становилось очевидным, что необходимы поиски новых подходов и технологий расшифровки нуклеотид-ных последовательностей фрагментов ДНК, разработка принципиально новых физических, химических и математических методов, создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ.
В результате технических новаций постепенно возрастала производительность аппаратуры, стали использоваться промышленные роботы, многие процессы были автоматизированы. Уже к 1995 г. скорость секвенирования возросла почти в 10 раз! Однако это позволило расшифровать менее 0,001% от всего генома человека. А спустя десятилетие после старта проекта, к началу 1998 г., было секвени-ровано лишь около 3% генома. Но при этом прогнозы исследователей были оптимистичными: завершение расшифровки планировалось на 2003 г. . Технологии совершенствовались непрерывно, была практически создана новая индустрия по секвенированию ДНК. В Англии, США, Франции, Германии, Японии появились гигантские автоматизированные фабрики - геномотроны, секвениру-ющие по несколько миллионов нуклеотидов в неделю. В результате «Одиссея» о наследственности «в черне» была завершена раньше ожидаемого срока, и в феврале 2001 г. в международных научных журналах «Nature» и «Science» были опубликованы почти полные нуклеотидные последовательности ДНК человека. Окончательный вариант появился в 2003 г., после чего программа официально завершилась. Однако работы по дальнейшему изучению тонкой молекулярной структуры генома человека активно продолжаются, объем информации растет, знания непрерывно корректируются.
Проект «Геном человека» можно с полным правом считать знаковой работой, символом «индустриальной науки». Достигнут новый уровень понимания биологических основ человека, усилия и финансовые вложения вполне оправданы. Важнейшим следствием стало то, что были качественно усовершенствованы методическая и приборная база науки, мощный импульс получили новейшие направления. Создание проекта «Геном человека» поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные программы не только теоретического, но и практического плана.
По данным, полученным в ходе секвенирования, размер генома человека составляет около 3 млрд пар оснований. Каждая из 23 пар хромосом содержит от-
дельную линейную двунитевую молекулу ДНК. Таким образом, стало достоверно известно, что геном каждого человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, каждая из которых содержит отдельный фрагмент генетического текста. Если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24 (22 аутосомы и две половые хромосомы Х и Y). Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом. Размер генома и набор генов у всех людей практически одинаковы, однако многие гены могут находиться в альтернативных состояниях (называемых аллелями). Из возможных аллелей определенного гена человек получает от своих родителей всего два - один от матери, другой от отца.
Второе принципиально важное сведение о структуре генома человека заключается в том, что составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер. Нумерация хромосом произведена в соответствии с размером. Самая короткая хромосома (№ 22) содержит около 47 млн пар нуклеотидов, а самая большая хромосома (№ 1) - около 250 млн пар . Половая хромосома Х по своему размеру следует за хромосомой № 7. В отличие от других хромосом (аутосом), для Х-хромосомы в половине случаев ее партнером в клетке является хромосома Y (маленький хромосомный рудимент), определяющая мужской пол организма. У женского пола в клетках всегда присутствуют две хромосомы Х, однако работает всегда лишь одна, выбранная случайно, а вторая Х-хромосома инактивиру-ется . У человека половые хромосомы образуют пару № 23.
Как правило, когда речь идет о геноме человека, имеется в виду ядерный геном. Однако существует и митохондриальный геном (содержащий всего 37 генов), который иногда называют хромосомой 25. Митохондриальная ДНК передается по наследству исключительно по женской линии.
Изучая шаг за шагом «энциклопедию жизни», содержащуюся в геноме, ученые обнаружили много удивительного. Например, количество наших генов в ДНК вместо предполагаемых ранее 100 тыс. оказалось лишь около 22 тыс. В генах записана информация о структуре молекул РНК: матричной (кодирующей белки), рибосомной, транспортной и некоторых других видов так называемой некоди-рующей РНК . Выяснилось, что у человека транскрибируется и затем транслируется, т.е. кодирует белки, всего 1,1-1,4% от всей ДНК генома .
Огромное значение для познания наследственности и изменчивости организмов имеет сравнительный анализ полных геномов живых существ, который позволяет делать выводы, имеющие общебиологическое значение - о механизмах и темпах эволюции, вариабельности геномов и др. Такой анализ несопоставимо более информативен, чем сравнительный анализ отдельных генов (например, генов рибосомных РНК, который практиковался для заключений о взаимосвязях между организмами в догеномный период).
В ходе исследований было выяснено, что количество ДНК в геноме организма не связано с его эволюционной сложностью; этот факт получил название «парадокс содержания ДНК» (C-value paradox, C - от content) . К примеру, в геноме круглого червя обнаружено 19 тыс. генов, т.е. у людей их не намного
больше. Поражает воображение и тот факт, что человек отличается от мыши всего 300-ми другими генами . Более трети генов человека идентичны генам бактерий (это гены, обеспечивающие базовые функции клеток). Весь геном человека отличается от генома шимпанзе примерно на 1% генов, остальные идентичны . Наибольшее отличие геномов человека и шимпанзе состоит в разном числе хромосом (23 пары у человека и 24 пары у шимпанзе). Интересно, что наибольшее различие прослеживается между Y-хромосомами, а наименьшее - между Х-хромосомами .
Сравнение структур секвенированных генов геномов человека, дрозофилы, нематоды, дрожжей, бактерий и других организмов приводит к выводу, что все живые существа произошли от общего предка в результате дупликаций, модификаций и различного рода перетасовок генетического материала. Родственные гены легко идентифицируются в геномах различных организмов. Однако существуют также гены, кодирующие продукты, специфичные для отдельных видов. Получила подтверждение возможность межвидового (горизонтального) транспорта генов . Кроме того, 60% из известных белков человека имеют сходство с белками других видов, геномы которых секвенированы.
Подтвердилась гипотеза о том, что генетический код универсален (его основная часть одинакова для всех форм жизни на Земле). Этот вывод обоснован опытом массового секвенирования генов и белков. Почти всегда коллинеарное соответствие генов и белков согласуется с правилами генетического кода. Однако в некоторых экзотических системах трансляции (митохондрии животных, растений и грибов, хлоропласты растений, мельчайшие бактерии, реснитчатые простейшие и др.) найдены минорные отклонения в генетическом коде, а также изменения правил неоднозначного спаривания и наборов антикодонов и фракций транспортных РНК. Это своеобразные «диалекты» генетического кода, отражающие специфику их эволюции и функционирования. Геном человека изобилует различными повторяющимися последовательностями, согласно современным данным, они составляют около 30% генома. На сегодняшний день у исследователей практически не осталось сомнений в том, что генетический код явился продуктом добиологической молекулярной эволюции и продолжал частично эволюционировать в дальнейшем. В стохастическом процессе молекулярной эволюции свойства генетического кода могли быть либо предзаданы (предетерминированы) физико-химическими характеристиками компонент и условий, либо отобраны как адаптивные среди альтернативных вариантов, либо фиксированы случайно. Гипотезы возникновения генетического кода в разной степени учитывают эти возможности.
Все эти данные требуют разработки новых подходов к пониманию эволюционного процесса и его механизмов. Сравнительный анализ геномов разных видов животных и человека продемонстрировал наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше участков, несущих информацию о структуре белков и РНК (экзонов), и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интро-
нов). Согласно современным данным, в геноме человека 97% ДНК не содержит никаких генов вообще . В целом, прерывистое, «разорванное» строение, когда экзоны чередуются с интронами, характерно для подавляющего большинства эукариотических генов и представляет собой фундаментальное свойство, отличающее их от прокариотических . Проведенные исследования дают возможность предположить, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством увеличения разнообразия их геномов, сколько путем перекомбинации уже существовавших генов, их постепенного копирования, модификации, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Данные проблемы являются предметом эволюционной геномики, венцом которой может стать создание новой систематики живых организмов.
Исследователи находятся в самом начале большого пути, ведь понимание работы генома не сводится лишь к описанию набора элементов ДНК и определению их местоположения. Не меньшее значение имеет характер связей между ними, который определяет, как гены будут функционировать и как пойдет индивидуальное развитие в тех или иных условиях среды. Специалисты выяснили, что большинство генов в клетке «молчит». Набор активных генов различается в зависимости от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов. Можно сказать, что в каждой клетке «звучит» свой аккорд генов. Различия интрон-экзонной структуры матричной РНК могут определять интенсивность синтеза одного и того же белка в разных тканях или на разных этапах онтогенеза. Кроме того, экзоны могут соединяться в различных сочетаниях, благодаря чему один ген может определять синтез нескольких белков.
Необходимость изучения процессов кодирования генами белков, взаимодействия белков в организме и других проблем, связанных с протеинами, стимулировала возникновение протеомики. Генные исследования и эта новая наука комплементарны в том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических белков. Таким образом, центр постгеномных исследований был перенесен в область инвентаризации белков и создания так называемой про-теомной карты человека. В сравнении с геномикой задача протеомики на несколько порядков сложнее. Между геномикой и протеомикой, между геномом и проте-омом есть одно фундаментальное различие, позволяющее разрабатывать новые методы исследования, новые стратегии. Дело в том, что протеом - динамичен, тогда как геном стабилен и постоянен. Иначе было бы невозможно передать наследственные свойства от поколения к поколению, обеспечить сохранение видов и т.д. Изменчивость генома всегда происходит на фоне его высокой стабильности и ни в коем случае ее не отменяет. А набор белков постоянно изменяется в зависимости от множества параметров: фазы клеточного деления, тканевой специализации клетки, стадии ее дифференцировки, принадлежности к нормальным или злокачественным клеткам, состояния стресса или покоя, воздействия внеклеточных физиологически активных веществ и т.д. В связи с этим белковый «портрет» клетки зависит от множества факторов и воздействий, подвержен практически непрерывным трансформациям, что, безусловно, значительно усложняет его изуче-
ние. Изменчивость протеома связана еще и с тем, что после синтеза белки претерпевают множество химических изменений (модификаций), которые создают их огромное разнообразие (притом что исходно они могут быть кодированы одним геном) .
В этой связи на пути протеомики существуют принципиальные трудности. Работа белков, как и работа генов, зависит от многих факторов, и, прежде всего, от их пространственной структуры; а эта структура значительно сложнее пространственной структуры генов, потому что гены записаны линейным текстом, а белки - трехмерная «скульптура». Более того, в живой клетке форма белков может динамически меняться. Несмотря на то, что в каждой клетке максимально может быть «всего лишь» около 22 тыс. функционирующих генов, число белков может быть значительно - на порядки - больше. Соответственно, эти белки способны взаимодействовать друг с другом, и число таких взаимодействий необычайно велико.
Существует несколько протеомных технологий, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Многие исследователи полагают, что оптимальный путь - это изучение промежуточного продукта между генами и белками, а именно - тех небольших молекул (информационная РНК), которые переносят инструкцию на создание того или иного белка от его гена к «внутриклеточным машинам» по производству белков (рибосомам). Процесс переписывания такой инструкции с гена на РНК именуется в биологии «транскрипцией», в силу чего данный подход получил название «транскриптомика». Работающий геном производит одновременно множество различных РНК, и специалисты в области транс-криптомики видят свою задачу в выявлении и расшифровке всех этих молекул.
Исследователи с оптимизмом смотрят в будущее, полагая, что эти амбициозные задачи со временем будут решены, как решена уже задача создания полностью искусственной клетки. Данное событие значительно приблизило нас к ответу на вопрос, что такое жизнь. В мае 2010 г. группе американских ученых под руководством К. Вентера удалось получить синтетическую клетку из синтетической хромосомы. Объектом эксперимента стали микоплазмы - простейшие микроорганизмы, занимающие промежуточное положение между бактериями и вирусами. Изучив геном двух различных клеток близкородственных организмов, ученые синтезировали молекулу ДНК одной из них, состоящую более чем из миллиона пар оснований. Затем геном второй клетки заменили геномом синтезированной ДНК.
При этом, как полагают исследователи, избранная методика не является единственной. Сегодня работы по созданию синтетической клетки ведутся в нескольких лабораториях различных стран. Это позволяет больше узнать о сущности живого больше, синтезируя живое ее из атомов и молекул, а не аналитически разбирая его на части. Именно к этому стремится молодая наука - синтетическая биология. Ее задача - проектировать живые системы с предсказуемыми свойствами, используя взаимозаменяемые детали из исходного набора кирпичиков жизни.
При помощи молекулярной биологии получены ответы на очень важные вопросы. Так, например, сегодня уже не подлежит сомнению, что абсолютно все люди планеты Земля генетически действительно являются братьями и сестрами. При секвенировании генов представителей белой, желтой и черной рас межиндивидуальная вариабельность не превысила 0,1% .
Установлено, что полиморфизм характерен для всех генов человека и имеет выраженную этническую и популяционную специфику .
Другой пример затрагивает проблему происхождения полов. Сегодня все больше исследователей поддерживают гипотезу, сводящуюся к следующему: «Когда-то в древние времена наши предки перешли от общего для большинства рептилий принципа определения пола зародыша - в зависимости от температуры яйца в кладке, к более надежному генетическому контролю. Появлению половых хромосом предшествовало появление генов, управляющих половым диморфизмом, - морфологическими отличиями между самцами и самками, делающими их более приспособленными к выполнению своих специфических функций. Так, у млекопитающих появились и закрепились гены, которые превращали женский организм зародыша в мужской. У птиц, наоборот, возникли гены, превращающие мужской организм в женский.
Половой диморфизм затрагивал многие морфологические признаки организмов. Например, развитая мускулатура и агрессивный характер больше способствовал успеху самцов, в то время как для самок - это бесцельная трата энергии, которую лучше направить на защиту и воспитание потомства. Таким образом, имеется ряд генов, которые востребованы в организме одного пола, но излишни для организма другого. Их называют половыми антагонистическими генами. Половые хромосомы возникли в результате мутации, которая нарушила естественный процесс обмена участниками парных хромосом. События переноса генов с одной половой хромосомы на другую стали редкими, и каждая из них стала эволюционировать своим собственным путем. Чем сильнее шла дифференциация генов на половых хромосомах, тем более специализированными и, следовательно, более эффективными становились самцы и самки в популяции. На хромосоме Y накапливались гены, полезные самцам, но бесполезные или вредные для самок, а на хромосоме Х шел тот же процесс, но в обратном направлении» .
Потенциал применения знаний, полученных в ходе реализации программы «Геном человека», огромен. Использование генетических методов является весьма перспективным в самых различных сферах познания, порой очень далеких от биологии, в том числе и в сугубо гуманитарных областях познания. Так, молекулярная антропогенетика привлекает внимание и интерес криминалистов, экологов, лингвистов, антропологов, палеонтологов, этнографов, философов, историков и многих других специалистов. Одним из важнейших итогов изучения генома человека является возникновение и стремительное развитие молекулярной медицины. Качественно новый раздел медицинской науки - медицинская генетика - изучает закономерности наследственных заболеваний, роль генетических факторов в развитии ненаследственных форм патологии, а также разрабатывает способы их диагностики, профилактики и лечения. Появление принципиально новых техно-
логий, позволяющих активно манипулировать генами и их фрагментами и обеспечивать адресную доставку новых блоков генетической информации в заданные участки генома, дало возможность выйти в область практической медицины. В частности, это позволило скорректировать традиционную концепцию о существовании двух классов заболеваний - наследственных и ненаследственных. Исследователи склоняются к представлению о том, что ненаследственные недуги (а их более 95% всех болезней человека) тоже связаны с геномом. Вывод таков: «Все болезни человека так или иначе связаны с геномом, только одна группа является следствием дефекта в структуре гена, а другая является нарушением регуляции экспрессии генов генома» .
По сути происходит переход медицинской науки на принципиально новый, молекулярный уровень изучения патологии человека - уровень патологической анатомии генома человека. Одним из центральных направлений теоретической медицины стала концепция генетической терапии. Ее история насчитывает уже два с половиной десятилетия (клинические испытания начаты в 1990 г.). Определены принципы и методические подходы, отобраны потенциальные болезни-мишени.
Государственные и частные научные центры и университеты, специализированные институты и клиники по всему миру заняты разработкой методологии и клинических протоколов генотерапии наследственных и приобретенных заболеваний. Возникла фармакогеномика, сфокусировавшая свое внимание на поиске новых средств лечения с учетом знаний о структуре генома человека и генетических основ вариабельности ответа пациентов на получаемые лекарства. Для фар-макогеномики большое значение имеют минимальные генетические отличия (так называемый сингулярный нуклеотидный полиморфизм), которые определяют эффективность лекарств и их переносимость в каждом конкретном случае. Это дает возможность создавать лекарства, эффективные для конкретных людей. Достижения генетики способствуют пониманию сущности многих серьезных заболеваний, таких как онкологические, сердечно-сосудистые, диабет, лейкемия, болезни Паркинсона и Альцгеймера и др.
Новая высокотехнологичная медицина становится все более весомой частью культуры, оказывает значительное влияние на представления и ценности, мировоззренческие установки и футурологические проекты, оценки перспектив человека и человечества. Впервые в истории в практическую плоскость переносятся вопросы совершенствования наследственной основы живых организмов. Появившиеся возможности клонирования индивидуальных генов, создания генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработка методов получения организмов с заданными наследственными признаками, а также методов генотерапии, включая генодиагностику (в том числе преимплантационную и пренатальную), значительно увеличивают степень ответственности ученых за судьбы человечества. В руках исследователей оказалась невиданная доселе власть не только над представителями видов растительного и животного мира, но и над человеком. Современное общество возлагает большие надежды на успешное решение этих задач, а также на то, что применяться эти методы будут на основе гуманизма и уважения к личности.
ЛИТЕРАТУРА
Collins F.S., Jegalian K.G. Deciphering the Code of Life // Scientific American. 1999. December. P. 50.
International human Genome Sequencing consortium // Nature. 2001. № 409. P. 860-921.
Venter I.C., Adams M.D., Myers E.W., Li P.W., Mural Pr.I., Sutton G.G., Smith H.O., Jandell M., Rvans C.A., Holt Pr.A. The sequence of the human genome // Science. 2001. № 291. P. 1304-1351.
Тарантул В.З. Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. М., 2003. С. 44.
Граник В.Г. Генетика. Химический и медико-биологический аспекты: монография. М.: Вузовская книга, 2011. С. 220.
Боринская С.А., Янковский Н.К. Человек и его гены // Биология в школе. 2001. № 4-5.
Вельков В.В. Имеет ли смысл прогрессивная эволюция? // Химия и жизнь. 2005. № 3. С. 32.
Baltimore D. Our genome unveiled // Nature. 2001. № 409. P. 814-816.
Wolfsberg T.G., Mcintyre I., Schuler G.D. Guide to the draft human genome // Nature. 2001. № 409. P. 824-826.
Snel В., Bork P., Huynen М. Genome evolution: gene fusion versus gene fission // Trends in Genetics. 2000. V. 16. P. 9-11.
Генетический паспорт - основа индивидуальной и предиктивной медицины / Под ред. В.С. Баранова. СПб.: Изд-во Н-Л, 2009. С. 38.
Лимборская С.А. Этногеномика и геногеография народов Восточной Европы / Лимбор-ская С.А., Хуснутдинова Э.К., Балановская Е.В. М.: Наука, 2002.
Говорун В.М., Арчаков А.И. Протеомные технологии в современной биомедицинской науке // Биохимия. 2002. № 67(10). С. 1109-1123.
MAPPING ON THE HUMAN GENOME: PROGRESS, PROBLEMS, PROSPECTS
Department of Ontology and Epistemology Faculty of Humanities and Social Sciences Peoples" Friendship University of Russia Miklukho-Maklay str., 10/2, Moscow, Russia, 117198
The article is confined to the fifteen-year anniversary of the paramount event in the world of science of the XXI century - to the mapping on the human genome. Implementation of this international program was an unprecedented event in modern natural sciences. Creation of the Human genome project has set biology in a number of the sciences which are capable to realize global programs with huge not only especially scientific, but also practical value. Biotechnologies make essential impact on social and economic development of society, and also on philosophy, morals, the right, religion and other spheres of culture as their application affects problems of management of human nature and all live in general. The author tells about tendencies and features of modern biological science and medicine, about the new level of comprehension of biological problems which is based on results of the Human genome program.
Key words: Human genome project, molecular biology, hi-tech medicine, philosophical problems, human nature.
Collins F.S., Jegalian K.G. Deciphering the Code of Life. Scientific American. 1999. December. P. 50.
International human Genome Sequencing consortium. Nature. 2001. № 409. P. 860-921.
Venter I.C., Adams M.D., Myers E.W., Li P.W., Mural Pr.I., Sutton G.G., Smith H.O., Jandell M., Rvans C.A., Holt Pr.A. The sequence of the human genome. Science. 2001. № 291. P. 1304- 1351.
Tarantul V.Z. Genom cheloveka: Enciklopediya, napisannaya chetyr"mya bukvami. M., 2003. S. 44.
Granik V.G. Genetika. Himicheskij i mediko-biologicheskij aspekty: monografiya. M.: Vuzov-skaya kniga, 2011. S. 220.
Borinskaya S.A., Yankovskij N.K. Chelovek i ego geny. Biologiya v shkole. 2001. № 4-5.
Vel"kov V.V. Imeet li smysl progressivnaya ehvolyuciya? Himiya i zhizn". 2005. № 3. S. 32.
Baltimore D. Our genome unveiled. Nature. 2001. № 409. P. 814-816.
Wolfsberg T.G., Mcintyre I., Schuler G.D. Guide to the draft human genome. Nature. 2001. № 409. P. 824-826.
Snel V., Bork P., Huynen M. Genome evolution: gene fusion versus gene fission. Trends in Genetics. 2000. V. 16. P. 9-11.
Geneticheskij pasport - osnova individual"noj i prediktivnoj mediciny. Ed. V.S. Baranova. SPb.: Izd-vo N-L, 2009. S. 38.
Limborskaya S.A., Husnutdinova EH.K., Balanovskaya E.V. Etnogenomika i genogeografiya narodov Vostochnoj Evropy. M.: Nauka, 2002.
Исследования генома человека в той или иной степени занимается ученые всех развитых стран.
Первое место среди них, несомненно, принадлежит США (около 50% публикаций в этой области – работы американских авторов). Затем с большим отставанием следуют Великобритания, Франция и другие страны.
В нашей стране программа "Геном человека" получила статус Государственной научно-технической программы в 1988 году. Было даже Постановление Совета Министров СССР "О мерах по ускорению работ в области генома человека" №1060 от 31 августа 1988 года.
С 1992 года она стала Российской государственной программой. Государственное финансирование программы "Геном человека" при этом в России минимально.
В США из 70 млрд. долларов, отпускаемых на науку в год, 240 млн. уходит на изучение генома человека. В России в 1994 году было отпущено на изучение генома менее 1 млрд. рублей – в 800 раз меньше. Но, тем не менее, программа работает, главным образом, на энтузиазме тех исследователей, которые в ней участвуют.
Геном – это совокупность генов; считают, что у человека их 50 – 100 тыс. (точное число неизвестно). Наследственная информация, как и любая другая, имеет свой способ записи, хранения и реализации. Природа создала необычный для человеческой техники способ записи – химический. «Алфавит» наследственности состоит из четырех химических "букв" – нуклеотидов, обозначаемых в записях экспериментаторов символами A,T,GиC.
Физически наследственная запись представлена молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), образованными упомянутыми четырьмя нуклеотидами.
Каждая половая клетка человека содержит 23 молекулы ДНК, общая длина которых 1,5 м. Эти тонкие и длинные по сравнению с размерами клетки нити, упакованные очень плотно, содержат 3 млрд. "нуклеотидных букв".
Задача программы состоит в том, чтобы прочесть генетический текст, т. е. аналитически установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК (секвенирование) и затем определить местоположение генов в этом тексте (картирование). Параллельно ставится и другая, не менее трудная задача: установить, какую роль играют в организме все 100000 генов – пока мы знаем функцию примерно 5000.
Физический объем предстоящей работы очень велик. Сейчас секвенирование вручную и с помощью автоматов недостаточно производительно, и для 3 млрд. нуклеотидов потребуется разработать совершенно новые аналитические методы. Генетические тексты будут иметь такой вид: … ATGCAGAGGTCGCCTCTG…
В данном случае – это фрагмент гена наследственного заболевания – муковисцидоза.
Длина записи всего генома составит примерно 6000 км. Разумеется, для регистрации результатов и их обработки понадобится мощные компьютеры и специальные методы информатики. Программа рассчитана на 15 лет, и ее выполнение пройдет в несколько этапов.
Что будет получено в результате секвенирования генома человека на первом этапе? Длинная последовательность химических символов. Ее можно рассматривать только как модель генома человека, не принадлежащими ни одному индивидуальному человеческому существу прошлого, настоящего или будущего. "Деиндивидуализация" модели обусловлена тем способом секвенирования, который сложился сейчас в мировом сообществе исследователей. Материал для анализа получают не от одного человека, а от многих, анализ проводят различные исследователи, неизбежны аналитические ошибки. Поэтому последовательность нуклеотидов может быть определена моделью генома человека как вида Homosapiens.
Для характеристики конкретного человека (Homoindividualis) будет создан специальный метод. И затем познание генома, обогащенное функциональными знаниями позволит подойти к человеку, как он есть, со всеми его индивидуальными биологическими качествами в условиях его социального окружения (Homocivilis). Тем самым, можно будет получить его «генетический портрет».
Только на последнем этапе научные данные о геноме человека приобретут законченность, и появится возможность влиять на его социальный статус и личную судьбу. И тогда возникнет широкий выбор ситуаций. Нужно заметить, что программа претендует на более глубокое проникновенное знание природы человека, чем было возможно прежде. Это знание будет обладать предсказательной силой, способной охарактеризовать личность всесторонним образом. Вероятно, на первых порах «генетический портрет» будет состоять из немногих доступных генетических характеристик, но постепенно станет пополняться всё новыми деталями.
Нельзя не отметить, что у истоков проекта «Геном человека» стоял Джеймс Уотсон. Ему и Френсису Крику - оба они лауреаты Нобелевской премии – человечество уже обязано одним великим открытием: именно они раскрыли тайну двойной спирали, то есть установили форму молекулы ДНК. По словам Устсона, «никто из тех немногих, кто удостоился чести весной 1953 года первым увидеть двойную спираль, не мог вообразить, что мы доживем до того времени, когда она будет полностью расшифрована».
Если учесть, что сама генетическая азбука насчитывает всего четыре буквы, а их общее число в каждой молекуле ДНК составляет примерно 3,5 миллиарда, возникает вопрос: возможно ли рассчитать последовательную связь трех с половиной миллиардов первичных элементов ДНК?
Оказывается, возможно. Участники двух конкурировавших при решении этой проблемы групп – международного проекта «Геном человека», который возглавляет Френсис Коллинз, и частной американской компании «Селера джиномикс» Крэга Вентера - практически удалось с ней справиться.
Проект по сути завершен на три года раньше срока, - отмечает Джеймс Уотсон. То, что удалось совершить ученым, открывает перед человечеством поистине фантастические перспективы. Вполне реальной начинает представляться, в частности, возможность предотвращения болезней еще до их проявления и создания индивидуальных лекарств для каждого конкретного пациента на основе его «генетической карты».
На завершение нынешней генетической революции уйдет еще как минимум столетие, считают специалисты. Только для уточнения полученных результатов и ликвидации оставшихся «пробелов» потребуется около двух лет. А некоторые из ученых полагают, что, опираясь на нынешние технологии, эти «пробелы» вообще не удастся закрыть. Сейчас выявлено примерно 50 тысяч генов и считается, что предстоит обнаружить еще несколько тысяч. Однако, вслед за этим придется решать еще одну задачу, связанную с объяснением молекулярных основ жизни, - идентифицировать, охарактеризовать и понять значение многих тысяч белков, за выработку которых эти гены отвечают. Она не менее, а может быть, даже более сложна и масштабна, чем предыдущая.
В принципе, к решению этой задачи ученые приступили еще до того, как завершили составление «генетической карты» человека. Проблема эта, именуемая «протеомикой», заключается в каталогизации и анализе каждого белка, из которых состоит наш организм.
Хотя белки являются прямым результатом выполнения команд, закодированных в ДНК, они много разнообразнее ее молекул. В принципе, так и должно быть. Ведь каждая важная для жизни химическая реакция так или иначе зависит от белков. Удивительно, но то, что они делают, в значительной степени определяется их формой. Белки покрыты «карманами» и «выемками», в которые молекулы входят столь же точно и плотно, как ключ - в замок.
Чтобы полностью понять, как работает белок, надо знать каждый «уголок» на его поверхности. Вот почему Национальный институт общих медицинских наук (НИОМН США) затратит в ближайшее время 20 миллионов долларов на создание цепи исследовательских центров, которые будут заниматься той отраслью протеомики, которая получила название «структурная геномика». В последующее десятилетие эти центры займутся детализацией формы 10 тысяч белков. Это только малая часть всех белков, встречающихся в природе, но ученые НИОМН считают, что как раз эти десять тысяч охватывают основную часть структур, представляющих интерес для биологии и медицины.
Почему бы не изучить все белки? Может, когда-нибудь и изучат. Но их слишком много - от 50 тысяч до 2 миллионов, в зависимости от того, по какой методике вести подсчет. НИОМН надеется установить набор форм, именуемых весьма прозаично – «бочонки», «бублики», «сферы», молекулярные «застежки-молнии», которые при смешивании будут определять форму любого продукта генов. Около тысячи таких структур и кодирующих их генов уже внесены в каталог.
Причем, по словам ученых, структуры, на расшифровку которых два десятилетия назад нескольким исследователям потребовалось бы 10 лет, сейчас могут быть расшифрованы в течение всего нескольких недель. «К концу пятилетней экспериментальной фазы, - предсказывает Джон Норвел, директор программы НИОМН, - каждый из центров будет выдавать от 100 до 200 структур белков в год».
Ученым предстоит установить также, какие конкретные изменения и на каких конкретных участках ДНК определяют предрасположенность человека к тем или иным болезням. Эти вариации ничтожны и могут сводиться к перестановке всего нескольких «букв», но тем сложнее задача.
На нынешнем рубеже (2000 г.) завершилась хотя и важная, но только одна часть проекта «Геном человека». Однако, американцы уже относятся к нему весьма настороженно. Согласно опросу, проведенному авторитетным американским еженедельником «Тайм» и телекомпанией Си-эн-эн, 46 % респондентов считают, что результаты проекта скорее причинят вред; в том же, что они принесут пользу, убеждены на 6 % меньше. По мнению 41 % опрошенных, даже само создание технологии расшифровки генома неверно с моральной точки зрения. Однако 47 % ответивших придерживаются противоположной позиции.
Как показывают итоги исследования, американцев весьма тревожит и то, как будет использоваться генетическая информация; их совершенно не устраивает перспектива свободного распространения этих сведений. В частности, 84 % не желают, чтобы информация об их генетическом коде попала в руки правительства; не возражают против этого только 14 %. Кроме того, 75 % опрошенных выступают против предоставления такой информации компаниям, обеспечивающим их медицинскую страховку; 22 % не высказали возражений по этому поводу.
Интересно, что только 61 % участников опроса заявил, что хотели бы знать, к каким болезням они предрасположены, исходя из информации, содержащейся в их ДНК, а 35 % ответили отрицательно. По мнению 67 % американцев, генетической информацией о них должен располагать их врач, но 30 % не согласны и на это.
Это свидетельствует о том, что человечество находится на пороге возникновения новых нравственных постулатов: генетической этики, генетического права, генетической безопасности.
И еще один аспект. Расшифровка «генной карты» человека открывает более чем многообещающие перспективы для компаний, работающих в области фармацевтики и генной инженерии. Здесь может пролиться форменный «золотой дождь». Понимая это, участвующая в «генной гонке» компания «Селера джиномикс» намерена запатентовать полученные в ходе работ результаты. Вместе с тем, как отметил Джеймс Уотсон, характеризуя качество выполненных исследований, события последнего времени показали, что те, кто работает на общественное благо, вовсе не обязательно остаются позади тех, кто преследует личную выгоду.
В общем хоре восторженных откликов и оценок прозвучали и голоса ученых, напоминающих, что человек только подступает к «Книге жизни», как иногда называют молекулу ДНК. Умение разбирать буквы, складывать слоги и составлять самые простые слова - это только «азы», самое начало образования, а «библиотеки» новых знаний еще только ждут своих исследователей. Одна из главных задач в этой области создание «гененического портрета» человека.
Этот «портрет» может содержать указание на возможные болезни или предрасположенность к ним, на мутантные гены, грозящие наследственными нарушениями у потомства, предрасположенность к наркомании, психопатии. Кроме того, он может содержать данные, касающиеся поведения, эмоций, склонностей, интеллектуальных способностей личности и т. п.
В России можно отметить успехи в работе по функциональному картированию одной из хромосом человека – 19-й хромосомы. Создана «клонотека» фрагментов ДНК этой хромосомы, специфически взаимодействующих с так называемым «ядерным матриксом». Десять таких нуклеотидных последовательностей картированы на хромосоме.
Продвинулось изучение ДНК эндогенных проретровирусов человека, расположенных в 110 участках хромосомы 19. Определена структура 200 участков ДНК из уже существующей «клонотеки» фрагментов ДНК этой хромосомы. Общее число расшифрованных участков ДНК для этой хромосомы превысило 500.
Весьма успешно ведутся исследования по структурно-функциональному картированию хромосом 3 и 13. Получен ряд оригинальных и важных результатов.
В институте молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН продолжается разработка нового автоматизированного метода секвенирования (определения последовательности расположения нуклеотидов в ДНК) с использованием так называемых «микроматриц» (микрочипов). Этот метод должен существенно удешевить, упростить и ускорить процедуру секвенирования, но кроме того можно рассчитывать на его успешное использование в молекулярной диагностике, что очень важно для биологов и медицинских генетиков.
В рамках программы "Геном человека" совместно с английскими и американскими исследователями проведена работа по идентификации костных останков членов царской семьи Романовых. Метод геномной дактилоскопии оказался весьма плодотворным в этом очень сложном случае.
Разработан ряд оригинальных компьютерных программ для анализа генома, которые получили международное признание. Установлен прямой доступ к международным «банкам данных» по структурной информации, которые обновляются раз в неделю. Появилась возможность сопоставлять данные разных «банков» (EMBL,GenBank), что позволяет иметь наиболее полную информацию в этой бурно развивающейся области.
Установлен также доступ к «банкам данных» об отдельных хромосомах человека, а также к «банкам», собирающим структуры белков.
Продолжается идентификация и картирование "больных" генов, разрабатываются и внедряются в медицинскую практику оригинальные модификации методов ДНК – диагностики (генодиагностики). В медико-генетических центрах Москвы, Ст–Петербурга, Томска в настоящее время диагностируется около 30 наследственных болезней человека; например, можно назвать серповидноклеточную анемию, фенилкетонурию, миодистрофию Дюшенна и Беккера и др.
Продолжается расширение международной кооперации. Идут интенсивные и весьма продуктивные совместные исследования с Аргонской национальной лабораторией (США), Каролинским институтом (Швеция), Имперским фондом раковых исследований (Англия) и некоторыми другими.
22 сентября 1995 года состоялось расширенное заседание Научного совета Государственной научно-технической программы Российской Федерации "Геном человека", на котором выступил с докладом председатель Научного совета член – корр. РАН Л.Л. Киселев. В докладе "Стратегия ГНТП РФ "Геном человека" на 1996 – 2000 годы Л.Л. Киселев отметил, что наступило время столь радикальных изменений, что в какой-то мере можно говорить о новой программе. Она должна учитывать прежде всего разделение труда в области изучения генома человека между ведущими странами мира, тенденции мировой науки, а также национальные традиции России и нынешний уровень отечественных исследований.
Программа должна быть реалистичной, оригинальной, сбалансированной, масштабной, координированной, интегрированной, консервативной и динамичной при кажущейся противоречивости некоторых из этих требований.
На данном этапе можно выделить три основных направления исследования:
расшифровка структуры генома человека в целом и функциональной роли его отдельных элементов;
компьютерный анализ результатов структурных исследований;
генопатология, генодиагностика и генотерапия (идентификация "больных" генов).
В каждом из этих направлений разрабатываются новые методы исследования, включающие секвенирование, физическое картирование генов, получения «клонотек» и банков данных, программное обеспечения анализа генома.
При проведении структурно-функционального анализа важно определять приоритеты, вести жесткий отбор анализируемых генов. Основные задачи исследования по этому направлению: транскрипция генов и её регуляция; структурно-функциональная организация индивидуальных генов особенно важных практически и теоретически.
Геноинформатика – это создание «банков данных» и анализ информации. Основные требования здесь – усовершенствование структуры «банков» и доступа к ним, исправление ошибок, удаление повторов, ускорение анализа больших массивов информации, модернизация парка вычислительной техники.
В области медицинской генетики новые методы должны иметь очевидные преимущества по сравнению с уже существующими. Они должны концентрироваться на наиболее распространенных наследственных и онкологических заболеваниях, быть абсолютно надежными и достаточно удобными для широкого практического использования, экономичными и быстродействующими.
Конечная цель изучения "больных" генов – исправление генетических дефектов путем генотерапии. Это направление бурно развивается в мире, но, к сожалению, крайне медленно в России.
Важно привлечь гораздо больше внимания к биотическим и правовым аспектам изучения генома, к проблемам патентования информации о геноме человека и структуре ДНК и популяризации значения изучения генома человека для всего общества.
Изучением генома человека, как было сказано, занимаются во всех развитых странах. Формально научная кооперация в этой области отсутствует, несмотря на участие HUGO(HumanGenomeOrganization– организация "Геном человека") и ЮНЕСКО. Дело в том, что в этой области с каждым днем усиливается жёсткая конкуренция, связанная с научными амбициями исследовательских групп, особенно тех, кто занят «охотой» за генами наследственных болезней.
Возможности здесь день ото дня растут, а результаты лабораторных исследований становятся всё более реальными для коммерческого исследования. Однако, в тоже время неизбежно возникает и кооперация. Формы сотрудничества различны: совместные публикации, участие в конференциях, обмен визитами, организация совместных групп ученых из разных стран, создание «клонотек», доступных для общего пользования.
Кооперации способствует то обстоятельство, что большинство задач в этой области на самом деле не может быть решено усилиями одного или нескольких ученых – необходим большой коллектив.
Например, в недавнем открытии генов BRCA1 иBRCA2 (рак грудной железы и яичников) участвовало соответственно 45 и 32 человека. Авторами одной из публикаций были 108 ученых из разных институтов девяти стран. В международном сообществе достойное место занимают и работы российских ученных, осуществляющих программу "Геном человека".