Žmogaus genomo nustatymas. Kas yra žmogaus genomas: dekodavimas

Mokslininkai, siekiantys iššifruoti žmogaus genetinio kodo seką, teigė, kad savo darbą baigė dvejais metais anksčiau nei numatyta.

Šis pranešimas paskelbtas praėjus mažiau nei trejiems metams po genomo juodraščio paskelbimo pasaulio spaudoje. 2000 m. birželį Didžiosios Britanijos ministras pirmininkas Tony Blairas ir tuometinis JAV prezidentas Billas Clintonas paskelbė, kad 97% „gyvenimo knygos“ buvo iššifruota.

Dabar žmogaus DNR seka yra beveik 100% iššifruota. Tai palieka mažas spragas, kurios laikomos per brangiai užpildytos, tačiau sistema, galinti daryti medicinines ir mokslines išvadas iš genetinių duomenų, jau yra gerai sukurta.

Sanger institutas, vienintelė Didžiosios Britanijos institucija, dalyvaujanti didelio masto tarptautiniame projekte, atliko beveik trečdalį visų darbų. Joks mokslinis institutas pasaulyje neįdėjo didesnio indėlio į genomo iššifravimą.

Pasak jos direktoriaus, profesoriaus Alano Bradley, žmogaus genomo iššifravimas yra svarbus žingsnis ilgoje kelionėje, o nauda, kurią galiausiai gaus medicina iš šio tyrimo, yra tikrai fenomenali.

„Tik viena mūsų darbo dalis – 20-osios chromosomos seka – jau leido paspartinti genų, atsakingų už diabeto, leukemijos ir vaikystės egzemos vystymąsi, paieškas, – sako profesorius. – Neturėtume tikėtis greito proveržio. bet neabejotina, kad baigiame vieną nuostabiausių gyvenimo knygos skyrių“.

Aukšti standartai

Ne mažiau reikšminga dekodavimo darbų dalis krito ant Amerikos mokslininkų pečių.

JAV nacionalinio genomo tyrimų instituto direktorius daktaras Francisas Collinsas taip pat atkreipia dėmesį į ilgalaikę perspektyvą. „Vienas iš mūsų projektų buvo susijęs su jautrumo II tipo diabetui genų nustatymu, – sako jis. – Šia liga serga vienas iš 20 vyresnių nei 45 metų žmonių, ir ši dalis laikui bėgant tik didėja. Naudojant viešai prieinamą genetinių sekų žemėlapį, mums pavyko atrinkti vieną geną 20 chromosomoje, kurio buvimas genome, atrodo, padidina tikimybę susirgti II tipo diabetu.

Kai buvo oficialiai paskelbtas žmogaus genomo projektas, kai kurie ekspertai tvirtino, kad jam įgyvendinti prireiks 20 ar net daugiau metų. Tačiau darbo pažangą neįtikėtinai paspartino robotų manipuliatorių ir superkompiuterių atsiradimas. Mokslininkų aktyvumą šia kryptimi paskatino ir informacija, kad lygiagrečiai žmogaus genomą iššifruoja privačiai finansuojama bendrovė „Celera Genomics“.

Per pastaruosius trejus metus pagrindinis biologų tikslas buvo užpildyti spragas, kurios liko jau iškoduotose DNR sekose, bei detaliau išgryninti visus kitus duomenis, kurių pagrindu būtų galima sukurti „auksinį standartą“, būtų pagrindas tolesnei šios srities raidai.

"Mes sugebėjome pasiekti savo darbe nustatytas ribas daug greičiau, nei tikėjomės", - sakė Sangerio instituto DNR sekos nustatymo vadovė dr. Jane Rogers, "išlaikydami neįtikėtinai aukštus kokybės standartus. Šis darbas leidžia tyrėjams iš karto "Pradėti įvairius biomedicinos projektus. Dabar jie turi gražiai nušlifuotą galutinį produktą, kuris jiems bus labai naudingas. Tai tarsi pereiti nuo pirmosios demonstracinės muzikos juostos įrašymo iki darbo su visaverčiu klasikiniu kompaktiniu kompaktiniu disku."

Žinodami beveik visą mūsų DNR genetinio kodo beveik trijų milijardų raidžių-nukleotidų seką, mokslininkai galės susidoroti su tomis žmogaus gyvenimo problemomis, kurias sukelia genetinės priežastys.

Dar balandžio pradžioje seras Johnas Sulstonas, kuris vadovavo britų projekto daliai beveik nuo pat jo pradžios, sakė, kad šie tyrimai „atras žmogaus genetinius duomenis, kurie gali būti naudojami amžinai“.

Genų identifikavimo darbas dabar gali užtrukti kelias dienas, o ne metus, kaip anksčiau. Tačiau pagrindinė praktinės medicinos užduotis dabar yra žinias apie tai, kurie genai veikia neteisingai arba sukelia tam tikrus sutrikimus, paversti žiniomis, ką galima dėl to padaryti.

Ir norėdami tai padaryti, jie turės geriau suprasti, kaip baltymai (dar žinomi kaip baltymai) – sudėtingos molekulės, sukurtos pagal genetinius DNR „šablonus“, sąveikauja tarpusavyje, kad sukurtų ir išlaikytų mūsų kūną.

Genomikos mokslas jau egzistuoja ir aktyviai vystosi, tačiau proteonikos mokslas dar tik pradeda formuotis. Ir čia, kaip sakė profesorius Bradley, dar laukia „ilgas kelias“.

Aukšti standartai

Ne mažiau reikšminga dekodavimo darbų dalis krito ant Amerikos mokslininkų pečių.

Genomikos mokslas jau egzistuoja ir aktyviai vystosi, tačiau proteonikos mokslas dar tik pradeda formuotis. Ir čia, kaip sakė profesorius Bradley, dar laukia „ilgas kelias“.

Tai buvo prieš septynerius metus – 2000-ųjų birželio 26 d. Bendroje spaudos konferencijoje, kurioje dalyvavo JAV prezidentas ir Didžiosios Britanijos ministras pirmininkas, dviejų tyrimų grupių atstovai - Tarptautinis žmogaus genomo sekos nustatymo konsorciumas(IHGSC) ir Celera genomika- paskelbė, kad aštuntajame dešimtmetyje prasidėjęs žmogaus genomo iššifravimo darbas sėkmingai baigtas ir parengta jo juodraštinė versija. Prasidėjo naujas žmonijos raidos epizodas – postgenominė era.

Ką mums gali duoti genomo iššifravimas ir ar išleistos lėšos bei pastangos vertos pasiektų rezultatų? Francisas Kolinsas ( Francis S. Collinsas), Amerikos žmogaus genomo programos vadovas, 2000 m. pateikė tokią medicinos ir biologijos raidos postgenominėje eroje prognozę:

2010 m – genetinis tyrimas, ligų riziką mažinančios profilaktikos priemonės, genų terapija iki 25 paveldimų ligų. Slaugytojai pradeda atlikti medicinines genetines procedūras. Preimplantacinė diagnostika yra plačiai prieinama, aktyviai diskutuojama apie šio metodo apribojimus. Jungtinėse Valstijose yra įstatymai, užkertantys kelią genetinei diskriminacijai ir gerbiantys privatumą. Praktiniai genomikos pritaikymai nėra prieinami visiems, ypač besivystančiose šalyse.
2020 m – prekyboje atsiranda vaistai nuo diabeto, hipertenzijos ir kitų ligų, sukurti remiantis genomo informacija. Kuriami vėžio gydymo būdai, kurie konkrečiai nukreipia į specifinių navikų vėžio ląstelių savybes. Farmakogenomika tampa įprastu daugelio vaistų kūrimo metodu. Keičiasi psichikos ligų diagnostikos būdas, atsiranda naujų gydymo metodų, keičiasi visuomenės požiūris į tokias ligas. Praktinis genomikos pritaikymas vis dar prieinamas ne visur.
2030 m - viso individo genomo nukleotidų sekos nustatymas taps įprasta procedūra, kainuos mažiau nei 1000 USD. Senėjimo procese dalyvaujantys genai buvo kataloguoti. Klinikiniai tyrimai atliekami siekiant pailginti maksimalią žmonių gyvenimo trukmę. Laboratorinius eksperimentus su žmogaus ląstelėmis pakeitė eksperimentai su kompiuteriniais modeliais. JAV ir kitose šalyse stiprėja masiniai pažangių technologijų priešininkų judėjimai.
2040 m – Visos visuotinai pripažintos sveikatos priemonės yra pagrįstos genomika. Polinkis sirgti daugeliu ligų nustatomas (net iki gimimo). Galimi veiksmingi profilaktiniai vaistai, pritaikyti kiekvienam asmeniui. Ligos nustatomos ankstyvosiose stadijose atliekant molekulinį stebėjimą.
Genų terapija yra prieinama daugeliui ligų. Vaistų pakeitimas genų produktais, kuriuos organizmas gamina reaguodamas į gydymą. Dėl pagerėjusių socialinių ir ekonominių sąlygų vidutinė gyvenimo trukmė sieks 90 metų. Kyla rimtų diskusijų apie žmogaus gebėjimą kontroliuoti savo evoliuciją.
Pasaulyje išlieka nelygybė, kuri kuria įtampą tarptautiniu lygiu.

Kaip matyti iš prognozės, genomo informacija artimiausiu metu gali tapti daugelio ligų gydymo ir profilaktikos pagrindu. Neturėdamas informacijos apie savo genus (ir ji telpa į standartinį DVD), žmogus ateityje galės išsigydyti slogą tik nuo kokio nors gydytojo džiunglėse. Ar tai atrodo fantastiška? Bet kadaise visuotinė vakcinacija nuo raupų ar internetas buvo tokie pat fantastiški (atkreipkite dėmesį, kad aštuntajame dešimtmetyje to nebuvo)! Ateityje vaiko genetinis kodas bus suteiktas tėvams gimdymo namuose. Teoriškai su tokiu disku individualaus žmogaus bet kokių negalavimų gydymas ir prevencija taps tik smulkmena. Profesionalus gydytojas per itin trumpą laiką galės nustatyti diagnozę, paskirti veiksmingą gydymą, netgi nustatyti įvairių ligų atsiradimo tikimybę ateityje. Pavyzdžiui, šiuolaikiniais genetiniais tyrimais jau galima tiksliai nustatyti moters polinkio sirgti krūties vėžiu laipsnį. Beveik neabejotinai po 40–50 metų nei vienas save gerbiantis gydytojas, neturintis genetinio kodo, nenorės „gydytis aklai“ – kaip ir šiandien chirurgija neapsieina be rentgeno.

Užduokime sau klausimą – ar tai, kas buvo pasakyta, yra patikima, o gal iš tikrųjų viskas bus atvirkščiai? Ar žmonėms pagaliau pavyks įveikti visas ligas ir pasieks visuotinę laimę? Deja. Pradėkime nuo to, kad Žemė maža, o laimės visiems neužtenka. Tiesą sakant, to neužtenka net pusei besivystančių šalių gyventojų. „Laimė“ daugiausia skirta valstybėms, kurios yra išsivysčiusios mokslo, ypač biologijos, požiūriu. Pavyzdžiui, technika, kuria galite „skaityti“ bet kurio asmens genetinį kodą, jau seniai užpatentuota. Tai puikiai išvystyta automatizuota technologija – nors ji brangi ir labai subtili. Jei norite, nusipirkite licenciją arba, jei norite, sugalvokite naują techniką. Tačiau ne visos šalys turi pakankamai pinigų tokiai plėtrai! Dėl to daugelis valstybių turės medicinos, kuri gerokai lenkia likusį pasaulį. Natūralu, kad neišsivysčiusiose šalyse Raudonasis Kryžius statys labdaros ligonines, ligonines ir genominius centrus. Ir palaipsniui tai lems tai, kad besivystančių šalių (kurių yra dauguma) pacientų genetinė informacija bus sutelkta dviejose ar trijose institucijose, finansuojančiose šią labdarą. Sunku net įsivaizduoti, ką galima padaryti su tokia informacija. Gal ir gerai. Tačiau galimas ir kitas rezultatas. Mūšis dėl prioriteto, lydėjęs genomo sekos nustatymą, iliustruoja genetinės informacijos prieinamumo svarbą. Trumpai prisiminkime kai kuriuos faktus iš Žmogaus genomo programos istorijos.

Genomo dekodavimo priešininkai šią užduotį laikė nerealia, nes žmogaus DNR yra dešimtis tūkstančių kartų ilgesnė už virusų ar plazmidžių DNR molekules. Pagrindinis argumentas prieš buvo: „ projektui įgyvendinti prireiks milijardų dolerių, kurių pasiilgs kitos mokslo sritys, todėl genomo projektas sulėtins viso mokslo plėtrą. Bet jei bus rasti pinigai ir iššifruotas žmogaus genomas, tai gauta informacija nepateisins išlaidų...„Tačiau Jamesas Watsonas, vienas iš DNR struktūros atradėjų ir viso genetinės informacijos skaitymo programos ideologas, šmaikščiai atkirto: Geriau nepagauti didelės žuvies, nei nepagauti mažos",. Buvo išgirstas mokslininko argumentas - genomo problema buvo iškelta JAV Kongrese, todėl buvo priimta nacionalinė žmogaus genomo programa.

Amerikos mieste Bethesda, netoli Vašingtono, yra vienas iš HUGO koordinavimo centrų ( Žmogaus genomo organizacija). Centras koordinuoja mokslinį darbą „Žmogaus genomo“ tema šešiose šalyse – Vokietijoje, Anglijoje, Prancūzijoje, Japonijoje, Kinijoje ir JAV. Į darbą įsijungė daugelio pasaulio šalių mokslininkai, susijungę į tris komandas: dvi tarpvalstybines – Amerikos. Žmogaus genomo projektas ir britai iš „Wellcome Trust Sanger Institute“.- ir privati korporacija iš Merilendo, kuri į žaidimą įsitraukė šiek tiek vėliau - Celera genomika. Beje, tai bene pirmas kartas biologijoje, kai privati įmonė taip aukštai konkuravo su tarpvyriausybinėmis organizacijomis.

Kova vyko naudojant kolosalias priemones ir galimybes. Kaip prieš kurį laiką pastebėjo Rusijos ekspertai, Celera atsistojo ant Žmogaus genomo programos pečių, tai yra panaudojo tai, kas jau buvo padaryta kaip pasaulinio projekto dalis. tikrai, Celera genomika Prie programos prisijungiau ne iš pradžių, o tada, kai projektas jau įsibėgėjo. Tačiau ekspertai iš Celera patobulino sekos algoritmą. Be to, jų užsakymu buvo pastatytas superkompiuteris, kuris leido greičiau ir tiksliau į gautą seką įtraukti identifikuotus DNR „statybinius blokus“. Žinoma, visa tai bendrovei nedavė Celera besąlygišką pranašumą, tačiau privertė ją laikyti visateise lenktynių dalyve.

Išvaizda Celera genomikaįtampa smarkiai išaugo – įsidarbinusieji pagal vyriausybės programas jautė aršią konkurenciją. Be to, sukūrus įmonę išryškėjo viešųjų investicijų panaudojimo efektyvumo klausimas. Prie galvos Celera tapo profesoriumi Craig Venter ( Craigas Venteris), turėjęs didelę mokslinio darbo pagal valstybinę programą „Žmogaus genomas“ patirtį. Būtent jis pasakė, kad visos viešosios programos yra neveiksmingos ir kad jo įmonė genomą sekvenuoja greičiau ir pigiau. Ir tada atsirado kitas veiksnys – pagavo didelės farmacijos kompanijos. Faktas yra tas, kad jei visa informacija apie genomą bus viešai prieinama, jie praras intelektinę nuosavybę ir nebus ką patentuoti. Susirūpinę dėl to, jie investavo milijardus dolerių į „Celera Genomics“ (su kuria turbūt buvo lengviau derėtis). Tai dar labiau sustiprino jos pozicijas. Reaguodamos į tai, tarpvalstybinio konsorciumo komandos turėjo skubiai padidinti genomo dekodavimo darbo efektyvumą. Iš pradžių darbas buvo nekoordinuotas, bet vėliau buvo pasiektos tam tikros sambūvio formos – ir lenktynės ėmė didinti tempą.

Finalas buvo gražus – konkuruojančios organizacijos, abipusiu susitarimu, vienu metu paskelbė apie žmogaus genomo iššifravimo darbų pabaigą. Tai įvyko, kaip jau rašėme, 2000 m. birželio 26 d. Tačiau laiko skirtumas tarp Amerikos ir Anglijos atvedė JAV į pirmąją vietą.

1 pav. „Lenktynės dėl genomo“, kuriose dalyvavo tarpvyriausybinė ir privati įmonė, formaliai baigėsi „lygiosiomis“: abi tyrėjų grupės beveik vienu metu paskelbė savo pasiekimus. Privačios įmonės vadovas Celera genomika Craigas Venteris paskelbė savo darbą žurnale Mokslas kartu su ~270 mokslininkų, dirbusių jam vadovaujant. Darbas, kurį atliko Tarptautinis žmogaus genomo sekos konsorciumas (IHGSC), buvo paskelbtas žurnale Gamta, o pilname autorių sąraše yra apie 2800 žmonių, dirbančių beveik trijose dešimtyse centrų visame pasaulyje.

Tyrimai iš viso truko 15 metų. Pirmosios „juodraščio“ žmogaus genomo versijos sukūrimas kainavo 300 mln. Tačiau visiems šios temos tyrimams, įskaitant lyginamąją analizę ir daugelio etinių problemų sprendimą, buvo skirta apie tris milijardus dolerių. Celera genomika investavo maždaug tiek pat, nors išleido vos per šešerius metus. Kaina kolosali, tačiau ši suma yra nereikšminga, palyginti su nauda, kurią besivystanti šalis gaus iš galutinės pergalės prieš dešimtis sunkių ligų, kurios netrukus tikimasi. 2002 m. spalio pradžioje interviu „The Associated Press“ prezidentas Celera genomika Craigas Venteris sakė, kad viena iš jo ne pelno organizacijų planuoja gaminti kompaktinius diskus, kuriuose būtų kuo daugiau informacijos apie kliento DNR. Preliminari tokio užsakymo kaina yra daugiau nei 700 tūkstančių dolerių. O vienam iš DNR struktūros atradėjų – daktarui Jamesui Watsonui – šiemet jau buvo įteikti du DVD su jo genomu, kurių bendra vertė – 1 milijonas dolerių – kaip matome, kainos krenta. Taigi, įmonės viceprezidentas 454 Gyvybės mokslai Michaelas Egholmas ( Michaelas Egholmas) pranešė, kad netrukus kompanija galės padidinti iššifravimo kainą iki 100 tūkstančių dolerių.

Plačiai paplitusi šlovė ir didelio masto finansavimas yra dviašmenis kardas. Viena vertus, dėl neribotų lėšų darbas vyksta lengvai ir greitai. Bet kita vertus, tyrimo rezultatas turėtų pasirodyti toks, koks yra užsakytas. Iki 2001 metų pradžios žmogaus genome 100% tikrumu buvo nustatyta daugiau nei 20 tūkstančių genų. Paaiškėjo, kad šis skaičius yra tris kartus mažesnis, nei buvo prognozuota prieš dvejus metus. Antroji JAV nacionalinio genominių tyrimų instituto tyrėjų komanda, vadovaujama Franciso Collinso, nepriklausomai gavo tuos pačius rezultatus – nuo 20 iki 25 tūkstančių genų kiekvienos žmogaus ląstelės genome. Tačiau kiti du tarptautiniai bendradarbiavimo mokslinių tyrimų projektai pridėjo prie galutinių sąmatų netikrumo. Dr. Williamas Heseltine'as (vykdomasis direktorius) Žmogaus genomo tyrimai) reikalavo, kad jų banke būtų informacija apie 140 tūkstančių genų. Ir jis kol kas nesiruošia dalintis šia informacija su pasaulio bendruomene. Jo įmonė investavo pinigus į patentus ir planuoja užsidirbti iš gautos informacijos, susijusios su plačiai paplitusių žmonių ligų genais. Kita grupė teigė, kad yra 120 000 identifikuotų žmogaus genų, ir taip pat tvirtino, kad šis skaičius atspindi bendrą žmogaus genų skaičių.

Čia būtina patikslinti, kad šie tyrinėtojai užsiėmė ne paties genomo, o informacinės (dar vadinamos šabloninės) RNR (mRNR arba mRNR) DNR kopijų DNR sekos iššifravimu. Kitaip tariant, buvo tiriamas ne visas genomas, o tik ta jo dalis, kurią ląstelė perkoduoja į mRNR ir nukreipia baltymų sintezę. Kadangi vienas genas gali tarnauti kaip šablonas kelių skirtingų tipų mRNR gamybai (tai priklauso nuo daugelio veiksnių: ląstelės tipo, organizmo vystymosi stadijos ir kt.), tada bendras visų skirtingų mRNR sekų skaičius (ir kaip tik tai yra patentuota Žmogaus genomo tyrimai) bus žymiai didesnis. Greičiausiai naudoti šį skaičių genų skaičiui genome įvertinti yra tiesiog neteisinga.

Akivaizdu, kad paskubomis „privatizuota“ genetinė informacija ateinančiais metais bus kruopščiai tikrinama, kol tikslus genų skaičius pagaliau taps visuotinai priimtas. Tačiau nerimą kelia tai, kad „pažinimo“ procese patentuojama viskas, ką galima patentuoti. Tai net ne mirusio lokio oda, bet apskritai viskas, kas buvo duobėje, buvo padalinta! Beje, šiandien diskusijos sulėtėjo, o žmogaus genome oficialiai yra tik 21 667 genai (NCBI 35 versija, 2005 m. spalio mėn.). Pažymėtina, kad kol kas didžioji dalis informacijos lieka viešai prieinama. Dabar yra duomenų bazių, kuriose kaupiama informacija apie ne tik žmonių, bet ir daugelio kitų organizmų genomo sandarą (pavyzdžiui, EnsEMBL). Tačiau bandymai gauti išskirtines teises naudoti bet kokius genus ar sekas komerciniais tikslais visada buvo, dabar yra ir bus toliau.

Šiandien pagrindiniai programos struktūrinės dalies tikslai iš esmės jau įgyvendinti – žmogaus genomas perskaitytas beveik visiškai. Pirmoji, „juodraštinė“ sekos versija, paskelbta 2001 m. pradžioje, toli gražu nebuvo tobula. Jai trūko maždaug 30 % visos genomo sekos, iš kurių apie 10 % buvo vadinamosios seka. euchromatinas- turtingi genai ir aktyviai išreikšti chromosomų regionai. Remiantis naujausiais skaičiavimais, euchromatinas sudaro maždaug 93,5% viso genomo. Likę 6,5% gaunami iš heterochromatinas– šiose chromosomų sritys yra skurdžios genų ir turi daug pasikartojimų, o tai kelia rimtų sunkumų mokslininkams, bandantiems perskaityti jų seką. Be to, manoma, kad heterochromatino DNR yra neaktyvi ir neišreikšta. (Tai gali paaiškinti mokslininkų „nedėmesingumą“ likusiems „mažiems“ žmogaus genomo procentams.) Tačiau net 2001 m. euchromatinių sekų „juodraščio“ versijose buvo daug lūžių, klaidų ir neteisingai sujungtų bei nukreiptų. fragmentai. Jokiu būdu nesumenkinant šio projekto reikšmės mokslui ir jo taikymui, verta paminėti, kad šios preliminarios informacijos panaudojimas didelės apimties eksperimentuose, kuriuose analizuojamas visas genomas (pavyzdžiui, tiriant genų evoliuciją ar bendra genomo organizacija) atskleidė daug netikslumų ir artefaktų. Todėl tolesnis ir ne mažiau kruopštus darbas, „paskutiniai žingsniai“, buvo tikrai būtini.

2 pav. Kairė: Automatizuota linija DNR mėginiams paruošti sekos nustatymui Whitehead instituto genominių tyrimų centre. Dešinėje: Laboratorija, užpildyta didelio našumo DNR sekų dekodavimo mašinomis.

Iššifravimo užbaigimas užtruko dar keletą metų ir beveik padvigubino viso projekto kainą. Tačiau jau 2004 m. buvo paskelbta, kad euchromatinas buvo nuskaitytas 99%, o bendras tikslumas yra viena klaida 100 000 bazinių porų. Pertraukų skaičius sumažėjo 400 kartų. Skaitymo tikslumas ir išsamumas tapo pakankamas norint veiksmingai ieškoti genų, atsakingų už tam tikrą paveldimą ligą (pavyzdžiui, diabetą ar krūties vėžį). Praktiškai tai reiškia, kad mokslininkams nebereikia atlikti daug darbo reikalaujančio proceso, patvirtinančio genų, su kuriais jie dirba, sekas, nes jie gali visiškai pasikliauti konkrečia, viešai prieinama viso genomo seka.

Taigi pradinis projekto planas buvo gerokai viršytas. Ar tai padėjo mums suprasti, kaip mūsų genomas yra struktūrizuotas ir veikia? Neabejotinai. Straipsnio autoriai Gamta, kuriame buvo paskelbta „galutinė“ (2004 m.) genomo versija, naudodama ją atliko keletą analizių, kurios būtų buvę visiškai beprasmės, jei po ranka būtų turėjusi tik „juodraščio“ seką. Paaiškėjo, kad daugiau nei tūkstantis genų „gimė“ visai neseniai (žinoma, pagal evoliucijos standartus) - pradinio geno padvigubinimo ir vėlesnio savarankiško dukterinio geno ir pirminio geno vystymosi procese. Neseniai „mirė“ vos mažiau nei keturiasdešimt genų, sukaupę mutacijų, dėl kurių jie buvo visiškai neaktyvūs. Dar vienas straipsnis, publikuotas tame pačiame žurnalo numeryje Gamta, tiesiogiai nurodo metodo, kurį naudoja mokslininkai, trūkumus Celera. Šių trūkumų pasekmė buvo daugybės pakartojimų praleidimas nuskaitytose DNR sekose ir dėl to nepakankamai įvertintas viso genomo ilgis ir sudėtingumas. Kad ateityje nesikartotų panašios klaidos, straipsnio autoriai pasiūlė naudoti hibridinę strategiją – itin efektyvaus metodo derinį, kurį naudoja mokslininkai Celera, ir palyginti lėtas ir daug darbo reikalaujantis, bet ir patikimesnis metodas, kurį naudoja IHGSC mokslininkai.

Kur toliau vyks precedento neturintis žmogaus genomo tyrimas? Dabar apie tai galima ką nors pasakyti. 2003 m. rugsėjį įkurtas tarptautinis konsorciumas ENCODE ( DNR elementų enciklopedija) savo tikslu iškėlė žmogaus genomo „kontrolės elementų“ (sekų) atradimą ir tyrimą. Iš tiesų, 3 milijardai bazinių porų (būtent žmogaus genomo ilgis) turi tik 22 tūkstančius genų, išsklaidytų šiame DNR vandenyne mums nesuprantamu būdu. Kas kontroliuoja jų išraišką? Kodėl mums reikia tokio DNR pertekliaus? Ar tai tikrai balastas, ar vis dar pasireiškia, turėdamas kažkokių nežinomų funkcijų?

Pirmiausia, kaip bandomasis projektas, ENCODE mokslininkai „atidžiau pažvelgė“ į seką, atstovaujančią 1% žmogaus genomo (30 mln. bazinių porų), naudodami naujausią molekulinės biologijos tyrimų įrangą. Rezultatai buvo paskelbti šių metų balandį Gamta. Paaiškėjo, kad dauguma žmogaus genomo (įskaitant regionus, kurie anksčiau buvo laikomi „tyliaisiais“) yra įvairių RNR gamybos šablonas, kurių daugelis nėra informaciniai, nes nekoduoja baltymų. Daugelis šių „nekoduojančių“ RNR sutampa su „klasikiniais“ genais (DNR skyriais, koduojančiais baltymus). Kitas netikėtas rezultatas buvo tai, kaip reguliavimo DNR sritys buvo išdėstytos genų, kurių ekspresiją jie kontroliuoja, atžvilgiu. Daugelio šių regionų sekos evoliucijos metu mažai pasikeitė, o kiti regionai, kurie, kaip manoma, buvo svarbūs ląstelių kontrolei, mutavo ir keitėsi netikėtai dideliu greičiu evoliucijos metu. Visos šios išvados iškėlė daugybę naujų klausimų, į kuriuos atsakymus galima gauti tik atliekant tolesnius tyrimus.

Kitas uždavinys, kurio sprendimas bus artimiausios ateities reikalas, – nustatyti likusių „mažų“ genomo procentų, sudarančių heterochromatiną, seką, t. chromosomų padvigubėjimas ląstelių dalijimosi metu. Dėl pakartojimų šių sekų iššifravimo užduotis yra sudėtinga esamiems metodams, todėl reikia išrasti naujus metodus. Todėl nenustebkite, kai 2010 m. bus paskelbtas dar vienas straipsnis, skelbiantis apie žmogaus genomo iššifravimo „baigimą“ - jame bus kalbama apie tai, kaip buvo „nulaužtas“ heterochromatinas.

Žinoma, dabar turime tik tam tikrą „vidutinę“ žmogaus genomo versiją. Vaizdžiai tariant, šiandien turime tik patį bendriausią automobilio konstrukcijos aprašymą: variklis, važiuoklė, ratai, vairas, sėdynės, dažai, apmušalai, benzinas ir alyva ir tt Atidžiau panagrinėjus gautą rezultatą matyti, kad yra metų darbas tobulinant mūsų žinias apie kiekvieną konkretų genomą. Žmogaus genomo programa nenustojo egzistavusi, ji tik keičia savo orientaciją: nuo struktūrinės genomikos pereinama prie funkcinės genomikos, skirtos nustatyti, kaip genai valdomi ir veikia. Be to, visi žmonės genų lygmeniu skiriasi taip pat, kaip tie patys automobilių modeliai skiriasi skirtingomis tų pačių agregatų versijomis. Gali skirtis ne tik atskiros bazės dviejų skirtingų žmonių genų sekose, bet ir didelių DNR fragmentų, kartais apimančių kelis genus, kopijų skaičius gali labai skirtis. Tai reiškia, kad į pirmą planą iškyla darbas, susijęs su detaliu, tarkime, skirtingų žmonių populiacijų, etninių grupių atstovų ir net sveikų bei sergančių žmonių genomų palyginimu. Šiuolaikinės technologijos leidžia greitai ir tiksliai atlikti tokias lyginamąsias analizes, tačiau prieš dešimt metų niekas apie tai nesvajojo. Kita tarptautinė mokslinė asociacija tiria žmogaus genomo struktūrinius pokyčius. JAV ir Europoje nemažos lėšos skiriamos finansuoti bioinformatikai – jaunam mokslui, iškilusiam informatikos, matematikos ir biologijos sankirtoje, be kurio neįmanoma suprasti beribio šiuolaikinėje biologijoje sukauptos informacijos vandenyno. Bioinformacijos metodai padės atsakyti į daugelį įdomių klausimų – „kaip įvyko žmogaus evoliucija?“, „kurie genai lemia tam tikras žmogaus organizmo savybes?“, „kurie genai atsakingi už jautrumą ligoms? Jūs žinote, ką sako anglai: " Tai pradžios pabaiga“ – „Tai pradžios pabaiga“. Ši frazė tiksliai atspindi esamą situaciją. Prasideda pats svarbiausias ir – esu visiškai tikras – įdomiausias dalykas: rezultatų kaupimas, jų palyginimas ir tolesnė analizė.

« ...Šiandien išleidžiame pirmąjį „Gyvenimo knygos“ leidimą su mūsų nurodymais, – televizijos kanale „Rossija“ sakė Francisas Collinsas. - Kreipsimės į ją dešimtis, šimtus metų. Ir netrukus žmonės susimąstys, kaip jie galėtų išsiversti be šios informacijos.».

Kitą požiūrį galima iliustruoti cituojant akademiką V. A. Kordyumą:

„...Viltys, kad nauja informacija apie genomo funkcijas bus visiškai atvira, yra grynai simbolinės. Galima prognozuoti, kad iškils gigantiški centrai (esančių pagrindu), kurie visus duomenis galės sujungti į vieną nuoseklią visumą, savotišką elektroninę Žmogaus versiją ir ją įgyvendinti praktiškai – į genus, baltymus, ląsteles, audiniai, organai ir visa kita. Bet kas? Kam malonu? Kam? Vykdant „žmogaus genomo“ programą, buvo sparčiai tobulinami pirminės DNR sekos nustatymo metodai ir įranga. Didžiausiuose centruose tai virto savotiška gamykline veikla. Bet net ir atskirų laboratorinių prietaisų (tiksliau, jų kompleksų) lygmenyje jau sukurta tokia pažangi įranga, kuri per tris mėnesius gali nustatyti DNR seką, kurios tūris prilygsta visam žmogaus genomui. Nenuostabu, kad kilo mintis nustatyti atskirų žmonių genomus (ir iš karto pradėta sparčiai įgyvendinti). Žinoma, labai įdomu palyginti skirtingų individų skirtumus jų esminių principų lygmenyje. Neabejotina ir tokio palyginimo nauda. Bus galima nustatyti, kas turi kokių genomo anomalijų, numatyti jų pasekmes ir pašalinti tai, kas gali sukelti ligas. Sveikata bus garantuota, o gyvenimas gerokai pailgės. Tai viena vertus. Kita vertus, viskas nėra akivaizdu. Gauti ir išanalizuoti visą individo paveldimumą reiškia gauti išsamų, išsamų jo biologinį dokumentą. Tai, jei to norės jį pažįstantis, leis jam taip pat visapusiškai daryti ką nori su žmogumi. Pagal jau žinomą grandinę: ląstelė yra molekulinė mašina; žmogus susideda iš ląstelių; ląstelė visomis savo apraiškomis ir visu galimų atsakymų diapazonu yra įrašyta į genomą; Jau šiandien genomu galima manipuliuoti ribotai, o artimiausioje ateityje juo galima manipuliuoti beveik bet kokiu būdu...»

Tačiau baimintis tokių niūrių prognozių tikriausiai dar anksti (nors apie jas tikrai reikia žinoti). Norint juos įgyvendinti, būtina visiškai atstatyti daugelį socialinių ir kultūrinių tradicijų. Biologijos mokslų daktaras Michailas Gelfandas labai gerai apie tai pasakė viename interviu. O. Rusijos mokslų akademijos Informacijos perdavimo problemų instituto direktoriaus pavaduotojas: „ ...jei turite, tarkime, vieną iš penkių genų, nulemiančių šizofrenijos išsivystymą, tai kas gali nutikti, jei ši informacija – jūsų genomas – patektų į jūsų potencialaus darbdavio, nieko nesuprantančio apie genomiką, rankas!(ir dėl to jie gali jūsų nepriimti, manydami, kad tai rizikinga; ir tai nepaisant to, kad nesergate ir nesergate šizofrenija – aut. pastaba.) Kitas aspektas: atsiradus individualizuotai medicinai, pagrįstai genomika, draudimo medicina visiškai pasikeis. Juk vienas dalykas yra numatyti nežinomas rizikas, o kitas – visiškai tam tikras. Tiesą sakant, visa Vakarų visuomenė, ne tik Rusijos, dabar nepasirengusi genomo revoliucijai...“ .

Iš tiesų, norėdami išmintingai panaudoti naują informaciją, turite ją suprasti. Ir tam, kad suprasti genomą nėra lengva perskaityti, to toli gražu neužtenka – mums prireiks dešimtmečių. Susidaro labai sudėtingas vaizdas, kurį norint suprasti, reikės pakeisti daugybę stereotipų. Todėl iš tikrųjų genomo iššifravimas vis dar vyksta ir bus tęsiamas. O ar mes liksime nuošalyje, ar pagaliau tapsime aktyviais šių lenktynių dalyviais, priklauso nuo mūsų pačių.

Literatūra

Kiselevas L. (2001). Naujoji biologija prasidėjo 2001 m. vasario mėn. „Mokslas ir gyvenimas“;
Kiselevas L. (2002). Antrasis genomo gyvenimas: nuo struktūros iki funkcijos. "Žinios yra galia". 7 ;
Ewanas Birney, The ENCODE Project Consortium, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó ir kt. al.. (2007). Funkcinių elementų identifikavimas ir analizė 1% žmogaus genomo pagal bandomąjį ENCODE projektą. Gamta. 447 , 799-816;
Linkolnas D. Steinas. (2004). Žmogaus genomas: pradžios pabaiga. Gamta. 431 , 915-916;
Gelfand M. (2007). Postgenominė era. „Komercinė biotechnologija“.

Tarptautinis žmogaus genomo projektas buvo pradėtas vykdyti 1988 m. Tai vienas iš daugiausiai darbo reikalaujančių ir brangiausių projektų mokslo istorijoje. Jei 1990 metais iš viso tam buvo išleista apie 60 milijonų dolerių, tai 1998 metais vien JAV vyriausybė išleido 253 milijonus dolerių, o privačios įmonės – dar daugiau. Projekte dalyvauja keli tūkstančiai mokslininkų iš daugiau nei 20 šalių. Nuo 1989 metų jame dalyvauja ir Rusija, kur prie projekto dirba apie 100 grupių. Visos žmogaus chromosomos yra padalintos tarp dalyvaujančių šalių, o Rusija tyrimams gavo 3, 13 ir 19 chromosomas.

Pagrindinis projekto tikslas – išsiaiškinti nukleotidų bazių seką visose žmogaus DNR molekulėse ir nustatyti lokalizaciją, t.y. visiškai suplanuoti visus žmogaus genus. Projektas apima šunų, kačių, pelių, drugelių, kirminų ir mikroorganizmų genomų tyrimą. Tikimasi, kad mokslininkai nustatys visas genų funkcijas ir sukurs būdus, kaip panaudoti radinius.

Kas yra pagrindinė projekto tema – žmogaus genomas?

Yra žinoma, kad kiekvienos žmogaus somatinės ląstelės branduolyje (be DNR branduolio yra ir mitochondrijos) yra 23 poros chromosomų, kiekvieną chromosomą vaizduoja viena DNR molekulė. Bendras visų 46 DNR molekulių ilgis vienoje ląstelėje yra apie 2 m, jose yra apie 3,2 milijardo nukleotidų porų. Bendras DNR ilgis visose žmogaus kūno ląstelėse (jų yra maždaug 5x1013) yra 1011 km, tai yra beveik tūkstantį kartų didesnis už atstumą nuo Žemės iki Saulės.

Kaip tokios ilgos molekulės telpa į branduolį? Pasirodo, kad branduolyje yra „priverstinės“ DNR klojimo mechanizmas chromatino pavidalu - sutankinimo lygiai.

Pirmasis lygis apima DNR organizavimą su histono baltymais – nukleozomų susidarymą. Dvi specialių nukleozominių baltymų molekulės sudaro oktamerą ritės pavidalu, ant kurio suvyniota DNR grandinė. Vienoje nukleozomoje yra apie 200 bazių porų. Tarp nukleozomų lieka iki 60 bazinių porų dydžio DNR fragmentas, vadinamas linkeriu. Toks lankstymo lygis leidžia sumažinti DNR linijinius matmenis 6–7 kartus.

Kitame lygyje nukleosomos yra išdėstytos į fibrilę (solenoidą). Kiekvienas posūkis susideda iš 6-7 nukleozomų, tuo tarpu linijiniai DNR matmenys sumažėja iki 1 mm, t.y. 25-30 kartų.

Trečiasis sutankinimo lygis yra fibrilių kilpavimas - kilpinių domenų, besitęsiančių kampu nuo pagrindinės chromosomos ašies, susidarymas. Šviesos mikroskopu jie gali būti matomi kaip tarpfazinės „lempų šepetėlio“ chromosomos. Mitozinėms chromosomoms būdinga kryžminė juostelė tam tikru mastu atspindi genų tvarką DNR molekulėje.

Jei prokariotuose genų linijiniai dydžiai atitinka struktūrinio baltymo dydžius, tai eukariotuose DNR dydžiai yra daug didesni nei bendri reikšmingų genų dydžiai. Tai pirmiausia paaiškinama mozaikine, arba egzon-intronine, geno struktūra: transkribuotini fragmentai – egzonai – yra įsiterpę su nereikšmingomis sritimis – intronais. Genų seką pirmiausia visiškai transkribuoja susintetinta RNR molekulė, iš kurios vėliau išpjaunami intronai, sujungiami egzonai ir tokia forma ribosomoje nuskaitoma informacija iš mRNR molekulės. Antroji milžiniško DNR dydžio priežastis yra didelis pasikartojančių genų skaičius. Kai kurie kartojasi dešimtis ar šimtus kartų, o kiti turi iki 1 milijono pakartojimų viename genome. Pavyzdžiui, rRNR koduojantis genas kartojasi apie 2 tūkst.

Dar 1996 metais buvo manoma, kad žmogus turi apie 100 tūkstančių genų, dabar bioinformatikos ekspertai teigia, kad žmogaus genome yra ne daugiau kaip 60 tūkstančių genų ir jie sudaro tik 3% viso ląstelės DNR ilgio. likusių 97% funkcinis vaidmuo dar neįdiegtas.

Kokie mokslininkų pasiekimai per kiek daugiau nei dešimt metų darbo su projektu?

Pirmoji didelė sėkmė buvo pilnas Haemophilus influenzae bakterijos genomo kartografavimas 1995 m. Vėliau buvo pilnai aprašyti daugiau nei 20 bakterijų genomai, įskaitant tuberkuliozės, šiltinės, sifilio ir kt. sukėlėjus. 1996 m. buvo kartografuota pirmosios eukariotinės ląstelės – mielių – DNR, o 1998 m. Daugialąstis organizmas, apvalioji kirmėlė Caenorhabolitis elegans, buvo užfiksuota pirmą kartą. Iki 1998 metų nukleotidų sekos buvo nustatytos 30 261 žmogaus gene, t.y. Maždaug pusė žmogaus genetinės informacijos buvo iššifruota.

Žemiau yra žinomi duomenys apie genų, dalyvaujančių tam tikrų žmogaus organų ir audinių vystymesi ir funkcionavimą, skaičių.

Organo, audinio, ląstelės pavadinimas ir genų skaičius

1. Seilių liaukos 17

2. Skydliaukė 584

3. Lygusis raumuo 127

4. Pieno liauka 696

5. Kasa 1094

6. Blužnis 1094

7. Tulžies pūslė 788

8. Plonoji žarna 297

9. Placenta 1290

10. Skeleto raumuo 735

11. Baltieji kraujo kūneliai 2164

12. Sėklidė 370

13. Oda 620

14. Smegenys 3195

15. Akis 547

16. Plaučiai 1887 m

17. Širdis 1195

18. Raudonieji kraujo kūneliai 8

19. Kepenys 2091

20. Gimda 1859 m

Pastaraisiais metais buvo sukurti tarptautiniai duomenų bankai apie nukleotidų sekas įvairių organizmų DNR ir aminorūgščių sekas baltymuose. 1996 m. Tarptautinė sekvenavimo draugija nusprendė, kad bet kokia naujai nustatyta 1–2 tūkst. bazių ir didesnė nukleotidų seka turi būti viešai paskelbta internetu per 24 valandas po jos iššifravimo, kitaip straipsniai su šiais duomenimis nebus publikuojami. priimami mokslo žurnalai. Šia informacija gali naudotis bet kuris pasaulio specialistas.

Įgyvendinant Žmogaus genomo projektą buvo sukurta daug naujų tyrimo metodų, kurių dauguma pastaruoju metu buvo automatizuoti, o tai ženkliai pagreitina ir sumažina DNR dekodavimo išlaidas. Tie patys analizės metodai gali būti naudojami kitiems tikslams: medicinoje, farmakologijoje, kriminalistikoje ir kt.

Pakalbėkime apie kai kuriuos konkrečius projekto pasiekimus, pirmiausia, žinoma, susijusius su medicina ir farmakologija.

Pasaulyje kas šimtas vaikas gimsta su kokia nors paveldima yda. Iki šiol žinoma apie 10 tūkstančių įvairių žmonių ligų, iš kurių daugiau nei 3 tūkstančiai yra paveldimos. Jau buvo nustatytos mutacijos, sukeliančios tokias ligas kaip hipertenzija, diabetas, kai kurios aklumo ir kurtumo rūšys bei piktybiniai navikai. Buvo atrasti genai, atsakingi už vieną iš epilepsijos formų, gigantizmo ir kt.. Žemiau pateikiamos kai kurios ligos, atsirandančios dėl genų pažeidimo, kurių struktūra buvo visiškai iššifruota iki 1997 m.

Ligos, atsirandančios dėl genų pažeidimo

1. Lėtinė granulomatozė
2. Cistinė fibrozė
3. Vilsono liga
4. Ankstyvas krūties/kiaušidžių vėžys
5. Emery-Dreyfus raumenų distrofija
6. Stuburo raumenų atrofija
7. Akių albinizmas
8. Alzheimerio liga
9. Paveldimas paralyžius
10. Distonija

Tikėtina, kad artimiausiais metais taps įmanoma itin ankstyva sunkių ligų diagnostika, taigi ir sėkmingesnė kova su jomis. Šiuo metu aktyviai kuriami metodai, kaip tikslingai tiekti vaistus į paveiktas ląsteles, pakeičiant sergančius genus sveikais, įjungiant ir išjungiant šalutinius metabolizmo kelius įjungiant ir išjungiant atitinkamus genus. Jau žinomi sėkmingo genų terapijos panaudojimo pavyzdžiai. Pavyzdžiui, buvo galima pasiekti reikšmingą palengvėjimą vaiko, kenčiančio nuo sunkaus įgimto imunodeficito, būklę, įvedus jam normalias pažeisto geno kopijas.

Be ligas sukeliančių genų, buvo atrasti ir kai kurie kiti genai, tiesiogiai susiję su žmogaus sveikata. Paaiškėjo, kad yra genų, sukeliančių polinkį susirgti profesinėmis ligomis pavojingose pramonės šakose. Taigi asbesto gamyboje vieni žmonės suserga ir miršta nuo asbestozės, kiti yra jai atsparūs. Ateityje galima sukurti specialią genetinę tarnybą, kuri pateiks rekomendacijas dėl galimos profesinės veiklos, atsižvelgiant į polinkį sirgti profesinėmis ligomis.

Paaiškėjo, kad polinkis į alkoholizmą ar narkomaniją gali turėti ir genetinį pagrindą. Jau atrasti septyni genai, kurių žala siejama su priklausomybės nuo cheminių medžiagų atsiradimu. Iš alkoholizmu sergančių pacientų audinių buvo išskirtas mutantinis genas, dėl kurio atsiranda ląstelių dopamino receptorių defektai – medžiaga, kuri atlieka pagrindinį vaidmenį smegenų malonumo centrų veikime. Dopamino trūkumas arba jo receptorių defektai yra tiesiogiai susiję su alkoholizmo išsivystymu. Ketvirtoje chromosomoje buvo aptiktas genas, kurio mutacijos lemia ankstyvo alkoholizmo išsivystymą ir jau ankstyvoje vaikystėje pasireiškia padidėjusiu vaiko judrumu ir dėmesio trūkumu.

Įdomu tai, kad genų mutacijos ne visada sukelia neigiamų pasekmių – kartais jos gali būti naudingos. Taigi žinoma, kad Ugandoje ir Tanzanijoje prostitučių užsikrėtimas AIDS siekia 60–80 proc., tačiau dalis jų ne tik nemiršta, bet ir pagimdo sveikus vaikus. Matyt, yra mutacija (ar mutacijos), apsauganti žmogų nuo AIDS. Žmonės, turintys šią mutaciją, gali užsikrėsti imunodeficito virusu, tačiau jiems nepasireiškia AIDS. Dabar buvo sukurtas žemėlapis, apytiksliai atspindintis šios mutacijos paplitimą Europoje. Jis ypač paplitęs (15% gyventojų) tarp finougrų gyventojų grupės. Nustačius tokį mutantinį geną, būtų galima sukurti patikimą būdą kovoti su viena baisiausių mūsų amžiaus ligų.

Taip pat paaiškėjo, kad skirtingi to paties geno aleliai gali sukelti skirtingas žmonių reakcijas į vaistus. Farmacijos įmonės šiuos duomenis planuoja panaudoti gamindamos specifinius vaistus, skirtus skirtingoms pacientų grupėms. Tai padės pašalinti nepageidaujamas vaistų reakcijas, tiksliau – suprasti jų veikimo mechanizmą ir sumažinti milijonines išlaidas. Visiškai nauja farmakogenetikos šaka tiria, kaip tam tikros DNR struktūros ypatybės gali susilpninti arba sustiprinti vaistų poveikį.

Bakterijų genomų dekodavimas leidžia sukurti naujas veiksmingas ir nekenksmingas vakcinas bei kokybiškus diagnostinius vaistus.

Žinoma, Žmogaus genomo projekto pasiekimai gali būti panaudoti ne tik medicinoje ar farmacijoje.

DNR sekos gali būti naudojamos žmonių santykio laipsniui nustatyti, o mitochondrijų DNR galima tiksliai nustatyti motinos giminystę. Sukurtas „genetinio pirštų atspaudų ėmimo“ metodas, leidžiantis atpažinti asmenį pagal kraujo pėdsakus, odos dribsnius ir kt. Šis metodas sėkmingai pritaikytas kriminalistikoje – tūkstančiai žmonių jau buvo išteisinti arba nuteisti remiantis genetine analize. Panašūs metodai gali būti naudojami antropologijoje, paleontologijoje, etnografijoje, archeologijoje ir net tokioje, atrodytų, tolimoje nuo biologijos srityje kaip lyginamoji kalbotyra.

Dėl tyrimų atsirado galimybė palyginti bakterijų ir įvairių eukariotinių organizmų genomus. Paaiškėjo, kad evoliucinio vystymosi procese organizmuose daugėja intronų, t.y. evoliucija siejama su genomo „atskiedimu“: DNR ilgio vienetui vis mažiau informacijos apie baltymų ir RNR struktūrą (egzonus) ir vis daugiau regionų, kurie neturi aiškios funkcinės reikšmės (intronai). Tai viena didžiausių evoliucijos paslapčių.

Anksčiau evoliucijos mokslininkai išskyrė dvi ląstelinių organizmų evoliucijos šakas: prokariotus ir eukariotus. Lyginant genomus, reikėjo išskirti archebakterijas į atskirą šaką – unikalius vienaląsčius organizmus, jungiančius prokariotų ir eukariotų savybes.

Šiuo metu taip pat intensyviai tiriama žmogaus gebėjimų ir gabumų priklausomybės nuo genų problema. Pagrindinis būsimų tyrimų uždavinys – tirti vieno nukleotido DNR variacijas skirtingų organų ląstelėse ir nustatyti skirtumus tarp žmonių genetiniu lygmeniu. Tai leis sukurti žmonių genų portretus ir dėl to efektyviau gydyti ligas, įvertinti kiekvieno žmogaus gebėjimus ir galimybes, nustatyti populiacijų skirtumus, įvertinti konkretaus žmogaus prisitaikymo prie konkrečios aplinkos situacijos laipsnį. ir kt.

Galiausiai būtina paminėti genetinės informacijos apie konkrečius žmones sklaidos pavojų. Šiuo atžvilgiu kai kurios šalys jau priėmė įstatymus, draudžiančius tokios informacijos sklaidą, o teisininkai visame pasaulyje dirba su šia problema. Be to, Žmogaus genomo projektas kartais siejamas su eugenikos atgimimu nauju lygiu, o tai taip pat kelia nerimą ekspertams.

Žmogaus genomo analizė baigta.

2000 m. balandžio 6 d. Vašingtone įvyko JAV Kongreso Mokslo komiteto posėdis, kuriame daktaras J. Craigas Venteris paskelbė, kad jo įmonė „Celera Genomics“ baigė iššifruoti visų būtinų žmogaus genomo fragmentų nukleotidų sekas. . Jis tikisi, kad parengiamieji visų genų (jų yra apie 80 tūkst., o juose yra apie 3 mlrd. DNR „laiškų“) sekvenavimo bus baigti per 3-6 savaites, t.y. daug anksčiau nei planuota. Labiausiai tikėtina, kad galutinis žmogaus genomo sekos nustatymas bus baigtas iki 2003 m.

Celera prisijungė prie žmogaus genomo projekto tyrimų prieš 22 mėnesius. Iš pradžių jos metodus kritikavo vadinamasis atviras projekto dalyvių konsorciumas, tačiau praėjusį mėnesį jos užbaigtas subprojektas, skirtas iššifruoti vaisinės muselės genomą, parodė jų veiksmingumą.

Šį kartą niekas nekritikavo K. Venterio prognozių, pateiktų dalyvaujant JAV prezidento patarėjui mokslo klausimais daktarui N. Lane'ui ir konsorciumo atstovui, didžiausiam genomo sekos nustatymo specialistui daktarui Robertui Waterstonui. .

Preliminariame genomo žemėlapyje bus apie 90% visų genų, tačiau, nepaisant to, jis labai pravers mokslininkų ir gydytojų darbe, nes leis gana tiksliai rasti reikiamus genus. Daktaras Venteris sakė, kad dabar planuoja panaudoti savo 300 sekvencerių pelių genomui analizuoti, o žinios apie tai padės suprasti, kaip veikia žmogaus genai.

Iššifruotas genomas priklauso žmogui, todėl jame yra ir X, ir Y chromosomos. Šio asmens vardas nežinomas ir nesvarbu, nes... Tiek „Celera“, tiek mokslininkų konsorciumas surinko ir teberenka daug duomenų apie individualius DNR pokyčius. Beje, konsorciumas savo tyrimuose naudoja genetinę medžiagą, gautą iš įvairių žmonių. Daktaras Venteris konsorciumo gautus rezultatus apibūdino kaip 500 tūkstančių iššifruotų, bet nesusekvenuotų fragmentų, iš kurių būtų labai sunku sukonstruoti ištisus genus.

Daktaras Venteris sakė, kad kai bus nustatyta genų struktūra, jis surengs konferenciją, kurioje bus įtraukti išorės ekspertai, nustatantys genų padėtį DNR molekulėse ir nustatant jų funkcijas. Po to kiti tyrėjai turės nemokamą prieigą prie žmogaus genomo duomenų.

Vyko Venterio ir tyrėjų konsorciumo derybos dėl bendro jų rezultatų paskelbimo, o vienas pagrindinių susitarimo punktų buvo numatyti, kad patentuoti genus galima tik tiksliai nustačius jų funkcijas ir padėtį DNR.

Tačiau derybos nutrūko dėl nesutarimų dėl to, kas turėtų būti laikoma genomo sekos nustatymo užbaigimu. Problema ta, kad eukariotų DNR, skirtingai nei prokariotų DNR, yra fragmentų, kurių neįmanoma iššifruoti šiuolaikiniais metodais. Tokių fragmentų dydis gali svyruoti nuo 50 iki 150 tūkstančių bazių, bet, laimei, šiuose fragmentuose yra labai mažai genų. Tuo pačiu metu DNR regionuose, kuriuose gausu genų, yra fragmentų, kurių taip pat dar negalima iššifruoti.

Genų padėties ir funkcijų nustatymas turėtų būti atliekamas specialiomis kompiuterinėmis programomis. Šios programos analizuos genų struktūrą ir, lyginant ją su kitų organizmų genomų duomenimis, pasiūlys galimų jų funkcijų variantus. Anot Celeros, darbą galima laikyti baigtu, jei genai beveik visiškai identifikuoti ir tiksliai žinoma, kaip DNR molekulėje išsidėstę iššifruoti fragmentai, t.y. kokia tvarka. Celera rezultatai atitinka šį apibrėžimą, o konsorciumo rezultatai neleidžia vienareikšmiškai nustatyti iššifruotų sekcijų padėties viena kitos atžvilgiu.

Kai bus sudarytas visas žmogaus genomo žemėlapis, „Celera“ planuoja, kad šie duomenys būtų prieinami kitiems tyrėjams prenumeratos būdu, o universitetams mokestis už naudojimąsi duomenų banku bus labai mažas – 5-15 tūkst. Tai suteiks rimtą konkurenciją universitetui priklausančiai „Genbank“ duomenų bazei.

Mokslo komiteto posėdžio dalyviai labai kritiškai vertino tokias įmones kaip „Incyte Pharmaceuticals“ ir „Human Genome Sciences“, kurios kasnakt kopijuodavo internete esančius konsorciumo duomenis, o vėliau paraiškas patentuoti visus tose sekose aptiktus genus.

Paklaustas, ar žmogaus genomo duomenys gali būti panaudoti kuriant naujo tipo biologinį ginklą, pavyzdžiui, pavojingą tik kai kurioms populiacijoms, daktaras Venteris atsakė, kad daug didesnį pavojų kelia duomenys apie patogeninių bakterijų ir virusų genomus. Vieno kongresmeno paklaustas, ar tikslingi pokyčiai žmonių rasėje dabar taps realybe, daktaras Venteris atsakė, kad iki galo nustatyti visų genų funkcijas gali prireikti maždaug šimto metų, o iki tol nėra kalbos apie tikslinius. genomo pokyčiai.

Prisiminkime, kad 1999 metų gruodį Didžiosios Britanijos ir Japonijos mokslininkai paskelbė apie 22-osios chromosomos struktūros nustatymą. Tai buvo pirmoji žmogaus chromosoma, kuri buvo iššifruota. Jame yra 33 milijonai bazinių porų, o 11 sekcijų (apie 3% DNR ilgio) lieka neiššifruotos. Šiai chromosomai nustatytos maždaug pusės genų funkcijos. Pavyzdžiui, buvo nustatyta, kad šios chromosomos defektai yra susiję su 27 skirtingomis ligomis, įskaitant šizofreniją, mieloidinę leukemiją ir 22 trisomiją, antrąją pagrindinę nėščių moterų persileidimų priežastį.

Tuo metu britų mokslininkai aštriai kritikavo „Celera“ naudojamus sekos nustatymo metodus, manydami, kad jų sekų iššifravimas ir jų fragmentų santykinės padėties nustatymas užtruks per ilgai. Tada, remiantis žinomu dekoduotos medžiagos tūriu, buvo sudarytos prognozės, kad toliau bus pažymėtos 7-oji, 20-oji ir 21-oji chromosomos.

Praėjus savaitei po pranešimo apie žmogaus genomo nukleotidų sekų iššifravimo pabaigą, įvyko Amerikos mokslo pažangos asociacijos posėdis, kuriame JAV energetikos sekretorius Billas Richardsonas paskelbė, kad Jungtinio genomo instituto mokslininkai nustatė. 5-osios, 16-osios ir 19-osios žmogaus chromosomų struktūros.

Šiose chromosomose yra apie 300 milijonų bazinių porų, tai yra 10-15 tūkstančių genų arba apie 11% žmogaus genetinės medžiagos. Iki šiol buvo įmanoma nustatyti 90% šių chromosomų DNR; vis dar yra sričių, kurių negalima iššifruoti ir kuriose yra nedidelis genų skaičius.

Chromosomų žemėlapiai atskleidžia genetinius defektus, kurie gali sukelti tam tikras inkstų ligas, prostatos ir storosios žarnos vėžį, leukemiją, hipertenziją, diabetą ir aterosklerozę. Anot Richardsono, arčiau vasaros informaciją apie chromosomų sandarą visi tyrinėtojai galės gauti nemokamai.

Paveldimumo principai pirmą kartą buvo nustatyti XX a. praėjusio amžiaus dešimtmetyje, kai išsivystė natūralūs principai ir buvo pradėtos vartoti žmogaus genomo ir ypač geno sąvokos (su pilnu apibrėžimu). Jų tyrimai leido mokslininkams atrasti paveldimumo paslaptį ir tapo akstinu tyrimui paveldimos ligos ir jų prigimtis.

Susisiekus su

Žmogaus genomas: bendrosios sąvokos

Norėdami suprasti, kas yra genai ir tam tikrų savybių bei savybių paveldėjimo procesus organizme, turėtumėte žinoti ir suprasti terminus bei pagrindines nuostatas. Trumpa pagrindinių sąvokų santrauka suteiks galimybę giliau įsigilinti į šią temą.

Žmogaus genai yra grandinės dalys (dezoksiribonukleorūgštis makromolekulių pavidalu), kuri lemia tam tikrų polipeptidų (aminorūgščių šeimų) seką ir neša pagrindinę paveldimos informacijos nuo tėvų iki vaikų.

Paprasčiau tariant, tam tikras genas turi informaciją apie baltymo struktūrą ir perduoda ją iš tėvų vaikui, kartodamas polipeptidų struktūrą ir perduodamas paveldimumą.

Žmogaus genomas yra bendra sąvoka, žyminti tam tikrą skaičių specifinių genų. Pirmą kartą jį pristatė Hansas Winkleris 1920 m., tačiau laikui bėgant pradinė reikšmė šiek tiek pasikeitė.

Iš pradžių jis nurodė tam tikrą skaičių chromosomų (nesuporuotų ir pavienių), o po kurio laiko paaiškėjo, kad genome yra 23 suporuotos chromosomos ir mitochondrijų dezoksiribonukleorūgštis.

Genetinė informacija yra duomenys, esantys DNR ir turintys baltymų konstravimo tvarką nukleotidų kodo pavidalu. Taip pat verta paminėti, kad tokios informacijos galima rasti tiek viduje, tiek už ribų.

Žmogaus genai buvo tyrinėjami daug metų, per kuriuos jis buvo atgaivintas daug eksperimentų. Vis dar atliekami eksperimentai, kurie mokslininkams suteikia naujos informacijos.

Naujausi tyrimai parodė, kad dezoksiribonukleino rūgštys ne visada turi aiškią ir nuoseklią struktūrą.

Egzistuoja vadinamieji nenutrūkstantys genai, kurių ryšiai nutrūksta, todėl visos ankstesnės teorijos apie šių dalelių pastovumą yra neteisingos. Kartkartėmis juose atsiranda pokyčių, dėl kurių pasikeičia dezoksiribonukleino rūgščių struktūra.

Atradimų istorija

Mokslinis terminas pirmą kartą buvo paskirtas tik 1909 m. mokslininko Vilhelmo Johanseno, kuris buvo puikus botanikas Danijoje.

Svarbu! 1912 m. pasirodė žodis „genetika“, kuris tapo viso skyriaus pavadinimu. Jis yra tas, kuris tiria žmogaus genus.

Pradėti dalelių tyrimai gerokai prieš XX a(nėra duomenų, kuriais tiksliais metais), ir susideda iš kelių etapų:

1868 metais garsus mokslininkas Darvinas iškėlė pangenezės hipotezę. Jame jis aprašė brangakmenio atskyrimą. Darvinas tikėjo, kad brangakmenis yra specifinė ląstelės dalis, iš kurios vėliau susidaro lytinės ląstelės.
Po kelerių metų Hugo de Vries sukūrė savo teoriją, kitokią nei Darvino, kurioje jis aprašė pangenezės procesą ląstelėse. Jis tikėjo, kad kiekvienoje ląstelėje yra dalelė, kuri yra atsakinga už tam tikras rūšies paveldėjimo savybes. Jis šias daleles pavadino „pangenais“. Dviejų hipotezių skirtumai yra tai, kad Darvinas brangakmenius laikė audinių ir vidaus organų dalimis, neatsižvelgiant į gyvūno tipą, o de Vriesas savo pangenes pristatė kaip paveldėjimo tam tikros rūšies viduje požymius.
W. Johansenas 1900 metais apibrėžė paveldimąjį faktorių kaip geną, antrąją dalį perimdamas iš de Vries vartojamo termino. Jis vartojo šį žodį, norėdamas apibrėžti „gemalą“, tą dalelę, kuri yra paveldima. Kartu mokslininkas pabrėžė termino nepriklausomybę nuo anksčiau iškeltų teorijų.

Biologai ir zoologai paveldimumo veiksnį tyrinėjo gana ilgą laiką, tačiau tik nuo XX amžiaus pradžios genetika pradėjo vystytis milžinišku greičiu, atskleisdama žmonėms paveldėjimo paslaptis.

Žmogaus genomo dekodavimas

Nuo to momento, kai mokslininkai atrado geno buvimą žmogaus kūne, jie pradėjo tirti jame esančios informacijos klausimą. Daugiau nei 80 metų mokslininkai bandė jį iššifruoti. Iki šiol jie pasiekė didelę sėkmę, o tai davė galimybę daryti įtaką apie paveldimus procesus ir pakeisti naujos kartos ląstelių struktūrą.

DNR dekodavimo istoriją sudaro keli svarbūs momentai:

XIX amžius – nukleorūgščių tyrimo pradžia.
1868 – F. Miescher pirmą kartą iš ląstelių išskyrė nukleiną arba DNR.
XX amžiaus viduryje O. Avery ir F. Griffith, pasitelkę eksperimentus su pelėmis, išsiaiškino, kad būtent nukleorūgštis yra atsakinga už bakterijų transformacijos procesą.
Pirmasis žmogus, parodęs DNR pasauliui, buvo R. Franklinas. Praėjus keleriems metams po nukleino rūgšties atradimo, jis fotografuoja DNR, atsitiktinai naudodamas rentgeno spindulius, tirdamas kristalų struktūrą.
1953 m. buvo tiksliai apibrėžtas visų rūšių gyvybės dauginimosi principas.

Dėmesio! Nuo tada, kai DNR dviguba spiralė pirmą kartą buvo pristatyta visuomenei, buvo padaryta daug atradimų, kurie leidžia suprasti DNR prigimtį ir jos veikimą.

vyro kas atrado geną Gregoras Mendelis laikomas pirmuoju, atradusiu tam tikrus paveldimos grandinės modelius.

Tačiau žmogaus DNR dekodavimas buvo pagrįstas kito mokslininko Fredericko Sangerio atradimu, kuris sukūrė baltymų aminorūgščių sekų ir pačios DNR konstravimo sekos skaitymo metodus.

Daugelio mokslininkų darbo dėka per pastaruosius tris šimtmečius išaiškėjo formavimosi procesai, ypatumai ir kiek genų yra žmogaus genome.

1990 metais tai prasidėjo tarptautinis projektasŽmogaus genomas, režisierius Jamesas Watsonas. Jo tikslas buvo išsiaiškinti, kokia seka yra išsidėstę nukleotidai DNR, ir nustatyti apie 25 000 žmonių genų. Šio projekto dėka žmogus turėjo įgyti visišką supratimą apie DNR susidarymą ir visų ją sudarančių dalių vietą, taip pat genų konstravimo mechanizmą.

Verta paaiškinti, kad programa nebuvo skirta nustatyti visą nukleorūgščių seką ląstelėse, o tik kai kurias sritis. Jis prasidėjo 1990 m., bet tik 2000 m. buvo išleistas darbo juodraštis ir visa studija. baigtas – 2003 m. Sekos tyrimai vis dar vyksta ir 8% heterochromatinių regionų vis dar nenustatyti.

Tikslai ir siekiai

Kaip ir bet kuris mokslinis projektas, Žmogaus genomas nustato sau konkrečius tikslus ir uždavinius. Iš pradžių mokslininkai ketino nustatyti 3 milijardų ar daugiau nukleotidų sekas. Tada atskiros tyrėjų grupės išreiškė norą vienu metu nustatyti biopolimerų seką, kuri gali būti aminorūgštis arba nukleotidas. Galų gale pagrindiniai projekto tikslai atrodė taip:

Sukurti genomo žemėlapį;
Sukurti žmogaus chromosomų žemėlapį;
Nustatyti polipeptidų susidarymo seką;
Sukurti surinktos informacijos saugojimo ir analizės metodiką;
Sukurkite technologiją, kuri padėtų pasiekti visus aukščiau išvardintus tikslus.

Šiame užduočių sąraše pasigendama ne mažiau svarbaus, bet ne tokio akivaizdaus – tokio tyrimo etinių, teisinių ir socialinių pasekmių tyrimo. Paveldimumo problema gali sukelti nesutarimų tarp žmonių ir sukelti rimtų konfliktų, todėl mokslininkai užsibrėžė tikslą atrasti šių konfliktų sprendimus dar jiems neiškylant.

Pasiekimai

Paveldimos sekos yra unikalus reiškinys, kuri vienokia ar kitokia forma pastebima kiekvieno žmogaus organizme.

Projektas pasiekė visus savo tikslus anksčiau, nei tikėjosi mokslininkai. Iki projekto pabaigos jie iššifravo apie 99,99% DNR, nors mokslininkai išsikėlė užduotį nustatyti tik 95% duomenų seką. . Šiandien, nepaisant projekto sėkmės, jų vis dar yra neištirtų sričių dezoksiribonukleino rūgštys.

Atliekant tiriamąjį darbą buvo nustatyta, kiek genų yra žmogaus organizme (genome apie 20-25 tūkst. genų), visi jie charakterizuojami:

kiekis;
vieta;
struktūrinės ir funkcinės savybės.

Žmogaus genomas – tyrimai, dekodavimas

Žmogaus genomo dekodavimas

Išvada

Visi duomenys bus detaliai pateikti genetiniame žmogaus kūno žemėlapyje. Tokio sudėtingo mokslinio projekto įgyvendinimas suteikė ne tik milžiniškų teorinių žinių fundamentiniams mokslams, bet ir turėjo neįtikėtiną įtaką pačiam paveldimumo supratimui. Tai savo ruožtu negalėjo turėti įtakos paveldimų ligų prevencijos ir gydymo procesams.

Mokslininkų išvados padėjo paspartinti kitus molekulinius tyrimus ir prisidėti prie veiksminga genetinio pagrindo paieška sergant paveldimomis ligomis ir polinkiu į jas. Rezultatai gali turėti įtakos tinkamų vaistų, skirtų daugelio ligų profilaktikai: aterosklerozės, širdies išemijos, psichikos ligų ir vėžio, atradimui.

Žmogaus genomo nustatymas. Kas yra žmogaus genomas: dekodavimas

Literatūra