Stanovenie ľudského genómu. Čo je ľudský genóm: dekódovanie

Vedci pracujúci na rozlúštení sekvencie ľudského genetického kódu uviedli, že svoju prácu dokončili dva roky pred plánovaným termínom.

Toto oznámenie prichádza necelé tri roky po zverejnení „návrhu“ genómu vo svetovej tlači. V júni 2000 britský premiér Tony Blair a vtedajší prezident USA Bill Clinton oznámili, že 97 % „knihy života“ bolo rozlúštených.

Teraz je ľudská DNA sekvencia takmer 100% dekódovaná. Zostávajú tak malé medzery, ktoré sa považujú za príliš nákladné na vyplnenie, ale systém schopný vyvodzovať lekárske a vedecké závery z genetických údajov je už dobre zavedený.

Sanger Institute, jediná britská inštitúcia zapojená do rozsiahleho medzinárodného projektu, dokončila takmer tretinu celkových prác. Žiadny vedecký inštitút na svete neprispel k rozlúšteniu genómu výraznejšie.

Podľa jej riaditeľa, profesora Alana Bradleyho, je rozlúštenie ľudského genómu kritickým krokom na dlhej ceste a prínosy, ktoré medicína nakoniec získa z tohto výskumu, sú skutočne fenomenálne.

„Len jedna časť našej práce – sekvencia chromozómu 20 – nám už umožnila urýchliť hľadanie génov zodpovedných za rozvoj cukrovky, leukémie a detského ekzému,“ hovorí profesor. „Nemali by sme očakávať okamžitý prelom. ale niet pochýb, že dokončujeme jednu z najúžasnejších kapitol z knihy života.“

Vysoké štandardy

Rovnako významný podiel na dekódovacej práci pripadol na plecia amerických vedcov.

Dr Francis Collins, riaditeľ amerického Národného inštitútu pre výskum genómu, tiež poukazuje na dlhodobý výhľad. „Jeden z našich projektov zahŕňal identifikáciu génov náchylnosti na diabetes typu II,“ hovorí. podarilo sa nám vybrať jeden gén na chromozóme 20, ktorého prítomnosť v genóme zrejme zvyšuje pravdepodobnosť vzniku cukrovky II.

Keď bol projekt ľudského genómu oficiálne ohlásený, niektorí odborníci tvrdili, že dokončenie bude trvať 20 rokov alebo aj viac. Postup prác však neskutočne urýchlil vznik robotických manipulátorov a superpočítačov. Činnosť vedcov v tomto smere podnietila aj informácia, že paralelne prebiehalo dešifrovanie ľudského genómu súkromne financovanou spoločnosťou Celera Genomics.

V posledných troch rokoch bolo hlavným cieľom biológov vyplniť medzery, ktoré zostali v už dekódovaných sekvenciách DNA, a podrobnejšie spresniť všetky ostatné údaje, na základe ktorých by sa dal vypracovať „zlatý štandard“, ktorý by tvoril základ pre ďalší rozvoj v tejto oblasti.

"Podarilo sa nám dosiahnuť limity, ktoré sme si stanovili v našej práci, oveľa skôr, ako sme dúfali," povedala Dr. okamžite "Začať s rôznymi biomedicínskymi projektmi. Teraz majú krásne vyleštený konečný produkt, ktorý im bude veľkou pomocou. Je to ako prejsť od nahrávania svojej prvej hudobnej ukážky k práci na plnohodnotnom klasickom CD."

Vedci, ktorí poznajú takmer celú sekvenciu takmer troch miliárd písmenových nukleotidov genetického kódu našej DNA, sa budú môcť vyrovnať s problémami ľudského života, ktoré sú spôsobené genetickými príčinami.

Začiatkom apríla Sir John Sulston, ktorý viedol britskú časť projektu takmer od jeho počiatku, povedal, že tieto štúdie „odhalia ľudské genetické údaje, ktoré môžu byť použité navždy“.

Práca na identifikácii génov môže teraz trvať skôr dni ako roky ako predtým. Ale hlavnou úlohou praktickej medicíny je teraz premeniť poznatky o tom, ktoré gény fungujú nesprávne alebo spôsobujú určité poruchy, na poznatky o tom, čo sa s tým dá robiť.

A aby to urobili, budú musieť lepšie pochopiť, ako proteíny (aka proteíny) – komplexné molekuly postavené podľa genetických „šablón“ DNA – navzájom spolupracujú pri budovaní a udržiavaní nášho tela.

Veda o genomike už existuje a aktívne sa rozvíja, ale veda o proteonike je stále v plienkach. A tu, ako povedal profesor Bradley, je pred nami ešte „dlhá cesta“.

Vysoké štandardy

Rovnako významný podiel na dekódovacej práci pripadol na plecia amerických vedcov.

Začiatkom apríla Sir John Sulston, ktorý viedol britskú časť projektu takmer od jeho počiatku, povedal, že tieto štúdie „odhalia ľudské genetické údaje, ktoré sa dajú používať navždy“.

A aby to urobili, budú musieť lepšie pochopiť, ako proteíny (aka proteíny) – komplexné molekuly postavené podľa genetických „šablón“ DNA – navzájom spolupracujú, aby vytvorili a udržiavali naše telo.

Veda o genomike už existuje a aktívne sa rozvíja, ale veda o proteonike je stále v plienkach. A tu, ako povedal profesor Bradley, je pred nami ešte „dlhá cesta“.

Bolo to pred siedmimi rokmi – 26. júna 2000. Na spoločnej tlačovej konferencii za účasti prezidenta USA a britského premiéra zástupcovia dvoch výskumných skupín - Medzinárodné konzorcium pre sekvenovanie ľudského genómu(IHGSC) a Celera Genomics- oznámili, že práca na dešifrovaní ľudského genómu, ktorá sa začala v 70. rokoch, bola úspešne ukončená a bola zostavená jej pracovná verzia. Začala sa nová epizóda ľudského vývoja – postgenomická éra.

Čo nám môže dať dešifrovanie genómu a stoja vynaložené prostriedky a vynaložené úsilie za dosiahnuté výsledky? Francis Collins ( Francis S. Collins), vedúci amerického programu ľudského genómu, v roku 2000 dal nasledujúcu prognózu rozvoja medicíny a biológie v postgenomickej ére:

2010 - genetické testovanie, preventívne opatrenia znižujúce riziko ochorení a génová terapia až pre 25 dedičných ochorení. Sestry začínajú vykonávať medicínske genetické postupy. Predimplantačná diagnostika je široko dostupná a o obmedzeniach tejto metódy sa aktívne diskutuje. Spojené štáty americké majú zákony, ktoré zabraňujú genetickej diskriminácii a rešpektujú súkromie. Praktické aplikácie genomiky nie sú dostupné pre každého, najmä v rozvojových krajinách.
2020 - na trhu sa objavujú lieky na cukrovku, hypertenziu a iné ochorenia, vyvinuté na základe genómových informácií. Vyvíjajú sa terapie rakoviny, ktoré sa špecificky zameriavajú na vlastnosti rakovinových buniek v špecifických nádoroch. Farmakogenomika sa stáva bežným prístupom pre vývoj mnohých liekov. Zmena spôsobu diagnostiky duševných chorôb, vznik nových metód ich liečby, zmena postoja spoločnosti k takýmto chorobám. Praktické aplikácie genomiky stále nie sú všade dostupné.
2030 - určenie nukleotidovej sekvencie celého genómu jednotlivca sa stane rutinným postupom, ktorý stojí menej ako 1000 USD. Gény zapojené do procesu starnutia boli katalogizované. Prebiehajú klinické skúšky na zvýšenie maximálnej dĺžky života ľudí. Laboratórne experimenty na ľudských bunkách nahradili experimenty na počítačových modeloch. Masové pohyby odporcov vyspelých technológií sa v USA a ďalších krajinách zintenzívňujú.
2040 - Všetky všeobecne akceptované zdravotné opatrenia sú založené na genomike. Predispozícia k väčšine chorôb je určená (už pred narodením). K dispozícii je účinná preventívna medicína prispôsobená jednotlivcovi. Choroby sa zisťujú v počiatočných štádiách prostredníctvom molekulárneho monitorovania.
Génová terapia je dostupná pre mnohé choroby. Nahradenie liekov génovými produktmi produkovanými telom v reakcii na terapiu. Priemerná dĺžka života dosiahne 90 rokov vďaka zlepšeným sociálno-ekonomickým podmienkam. Existuje vážna diskusia o schopnosti človeka ovládať svoj vlastný vývoj.
Nerovnosť vo svete pretrváva a vytvára napätie na medzinárodnej úrovni.

Ako vyplýva z prognózy, genomické informácie sa v blízkej budúcnosti môžu stať základom liečby a prevencie mnohých chorôb. Bez informácií o svojich génoch (a zmestí sa to na štandardné DVD) si človek v budúcnosti vylieči nádchu len od nejakého liečiteľa v džungli. Zdá sa vám to fantastické? Ale kedysi bolo univerzálne očkovanie proti kiahňam alebo internet rovnako fantastické (všimnite si, že v 70. rokoch neexistovalo)! V budúcnosti dostanú genetický kód dieťaťa rodičia v pôrodnici. Teoreticky sa s takýmto diskom stane liečba a prevencia akýchkoľvek chorôb jednotlivca len maličkosťou. Profesionálny lekár dokáže v extrémne krátkom čase stanoviť diagnózu, predpísať účinnú liečbu a dokonca určiť pravdepodobnosť výskytu rôznych ochorení v budúcnosti. Napríklad moderné genetické testy už dokážu presne určiť stupeň predispozície ženy na rakovinu prsníka. Takmer určite o 40 – 50 rokov nejeden sebavedomý lekár bez genetického kódu bude chcieť „liečiť naslepo“ – tak ako sa dnes chirurgia nezaobíde bez röntgenu.

Položme si otázku – je to, čo bolo povedané, spoľahlivé, alebo možno v skutočnosti bude všetko naopak? Podarí sa ľuďom konečne prekonať všetky choroby a dosiahnu univerzálne šťastie? žiaľ. Začnime tým, že Zem je malá a nie je dostatok šťastia pre každého. V skutočnosti to nestačí ani polovici populácie rozvojových krajín. „Šťastie“ je určené najmä pre štáty, ktoré sú vyvinuté z hľadiska vedy, najmä biologických vied. Napríklad technika, pomocou ktorej môžete „čítať“ genetický kód akejkoľvek osoby, je už dlho patentovaná. Ide o dobre vyvinutú automatizovanú technológiu – hoci je drahá a veľmi jemná. Ak chcete, kúpte si licenciu, alebo ak chcete, vymyslite si novú techniku. Ale nie všetky krajiny majú na takýto rozvoj dostatok peňazí! Výsledkom je, že množstvo štátov bude mať medicínu, ktorá výrazne predbehne úroveň zvyšku sveta. Prirodzene, v zaostalých krajinách Červený kríž postaví charitatívne nemocnice, nemocnice a genomické centrá. A postupne to povedie k tomu, že genetická informácia pacientov v rozvojových krajinách (ktorých je väčšina) bude sústredená do dvoch-troch veľmocí, ktoré túto charitu financujú. Je ťažké si predstaviť, čo sa dá s takýmito informáciami urobiť. Možno je to v poriadku. Možný je však aj iný výsledok. Bitka o prioritu, ktorá sprevádzala sekvenovanie genómu, ilustruje dôležitosť dostupnosti genetických informácií. V krátkosti si pripomeňme niektoré fakty z histórie Programu ľudského genómu.

Odporcovia dekódovania genómu považovali túto úlohu za nereálnu, pretože ľudská DNA je desaťtisíckrát dlhšia ako molekuly DNA vírusov alebo plazmidov. Hlavným argumentom proti bolo: „ projekt si vyžiada miliardy dolárov, ktoré budú chýbať iným oblastiam vedy, takže genomický projekt spomalí rozvoj vedy ako celku. Ale ak sa nájdu peniaze a rozlúšti sa ľudský genóm, tak výsledné informácie neospravedlnia náklady... James Watson, jeden z objaviteľov štruktúry DNA a ideológ programu úplného čítania genetickej informácie, však vtipne odpovedal: Je lepšie nechytiť veľkú rybu, ako nechytiť malú“, . Argument vedca bol vypočutý - problém genómu bol predložený na diskusiu v Kongrese USA a v dôsledku toho bol prijatý národný program ľudského genómu.

V americkom meste Bethesda neďaleko Washingtonu sa nachádza jedno z koordinačných centier HUGO ( Organizácia ľudského genómu). Centrum koordinuje vedeckú prácu na tému „Ľudský genóm“ v šiestich krajinách – Nemecku, Anglicku, Francúzsku, Japonsku, Číne a USA. K dielu sa pridali vedci z mnohých krajín sveta, združení v troch tímoch: dvoch medzištátnych – amerických Projekt ľudského genómu a Briti z Vitajte Trust Sanger Institute- a súkromná spoločnosť z Marylandu, ktorá vstúpila do hry o niečo neskôr - Celera Genomics. Mimochodom, v biológii je to možno prvýkrát, keď súkromná firma súperila s medzivládnymi organizáciami na takej vysokej úrovni.

Boj prebiehal s použitím kolosálnych prostriedkov a schopností. Ako pred časom poznamenali ruskí experti, Celera stál na pleciach programu Human Genome, to znamená, že využíval to, čo už bolo urobené v rámci globálneho projektu. naozaj, Celera Genomics Do programu som sa nezapojil najskôr, ale keď už bol projekt v plnom prúde. Odborníci z Celera zlepšil sekvenčný algoritmus. Okrem toho bol na ich objednávku zostrojený superpočítač, ktorý umožnil rýchlejšie a presnejšie pridávať identifikované „stavebné bloky“ DNA do výslednej sekvencie. To všetko samozrejme spoločnosti nedalo Celera bezpodmienečnú výhodu, ale prinútil ju, aby bola považovaná za plnohodnotného účastníka pretekov.

Vzhľad Celera Genomics napätie sa prudko zvýšilo - tí, ktorí boli zamestnaní vo vládnych programoch, pocítili tvrdú konkurenciu. Po vzniku spoločnosti sa navyše vyostrila otázka efektívnosti využívania verejných investícií. Na čele Celera sa stal profesorom Craig Venter ( Craig Venter), ktorý mal bohaté skúsenosti s vedeckou prácou v rámci štátneho programu „Ľudský genóm“. Bol to on, kto povedal, že všetky verejné programy sú neúčinné a že jeho spoločnosť sekvenuje genóm rýchlejšie a lacnejšie. A potom sa objavil ďalší faktor – chytili sa veľké farmaceutické spoločnosti. Faktom je, že ak sú všetky informácie o genóme vo verejnej sfére, stratia duševné vlastníctvo a nebude čo patentovať. Z obáv z toho investovali miliardy dolárov do Celera Genomics (s ktorou sa asi ľahšie vyjednávalo). To ešte viac posilnilo jej pozíciu. V reakcii na to museli tímy medzištátneho konzorcia urýchlene zvýšiť efektivitu práce pri dekódovaní genómu. Práca bola spočiatku nekoordinovaná, ale potom sa dosiahli určité formy spolužitia – a preteky začali zvyšovať tempo.

Finále bolo krásne – súťažiace organizácie po vzájomnej dohode súčasne oznámili ukončenie prác na rozlúštení ľudského genómu. Stalo sa tak, ako sme už písali, 26. júna 2000. Ale časový rozdiel medzi Amerikou a Anglickom vyniesol Spojené štáty na prvé miesto.

Obrázok 1. „Preteky o genóm“, do ktorých sa zapojila medzivládna a súkromná spoločnosť, sa formálne skončili „remízou“: obe skupiny výskumníkov zverejnili svoje úspechy takmer súčasne. Vedúci súkromnej spoločnosti Celera Genomics Craig Venter publikoval svoju prácu v časopise Veda v spoluautorstve s ~270 vedcami, ktorí pracovali pod jeho dohľadom. Práca, ktorú vykonalo International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC), bola publikovaná v časopise Príroda a úplný zoznam autorov počíta približne 2800 ľudí pracujúcich v takmer troch desiatkach centier po celom svete.

Výskum trval celkovo 15 rokov. Vytvorenie prvej „návrhovej“ verzie ľudského genómu stálo 300 miliónov dolárov. Na všetok výskum na túto tému, vrátane komparatívnych analýz a riešenia množstva etických problémov, sa však vyčlenili približne tri miliardy dolárov. Celera Genomics investovala približne rovnakú sumu, hoci ju minula len za šesť rokov. Cena je kolosálna, no táto suma je zanedbateľná v porovnaní s výhodami, ktoré rozvojová krajina získa z konečného víťazstva nad desiatkami čoskoro očakávaných vážnych chorôb. V rozhovore pre Associated Press začiatkom októbra 2002, prezident Celera Genomics Craig Venter povedal, že jedna z jeho neziskových organizácií plánuje vyrábať CD obsahujúce čo najviac informácií o klientovej DNA. Predbežné náklady na takúto objednávku sú viac ako 700-tisíc dolárov. A jeden z objaviteľov štruktúry DNA – doktor James Watson – už tento rok dostal dve DVD s jeho genómom v celkovej hodnote 1 milión dolárov – ako vidíme, ceny klesajú. Takže, viceprezident spoločnosti 454 Živé vedy Michael Egholm ( Michael Egholm) oznámil, že spoločnosť bude čoskoro schopná zvýšiť cenu dešifrovania na 100 tisíc dolárov.

Široká sláva a rozsiahle financovanie sú dvojsečná zbraň. Na jednej strane, vďaka neobmedzeným finančným prostriedkom, práca postupuje ľahko a rýchlo. Ale na druhej strane, výsledok výskumu by mal dopadnúť tak, ako je objednaný. Do začiatku roku 2001 bolo v ľudskom genóme so 100% istotou identifikovaných viac ako 20 tisíc génov. Ukázalo sa, že toto číslo je trikrát nižšie, ako sa predpokladalo len pred dvoma rokmi. Druhý tím výskumníkov z amerického Národného inštitútu pre výskum genómu pod vedením Francisa Collinsa nezávisle získal rovnaké výsledky – medzi 20 až 25 tisícmi génov v genóme každej ľudskej bunky. Neistotu však ku konečným odhadom pridali ďalšie dva medzinárodné projekty spoločného výskumu. Dr. William Heseltine (výkonný riaditeľ) Štúdie ľudského genómu) trval na tom, že ich banka obsahuje informácie o 140 tisíc génoch. A tieto informácie sa nateraz nechystá zdieľať so svetovou komunitou. Jeho spoločnosť investovala peniaze do patentov a plánuje zarobiť peniaze na získaných informáciách, ktoré súvisia s génmi pre rozšírené ľudské choroby. Ďalšia skupina tvrdila, že existuje 120 000 identifikovaných ľudských génov a tiež trvala na tom, že toto číslo odrážalo celkový počet ľudských génov.

Tu je potrebné objasniť, že títo výskumníci sa zaoberali dešifrovaním sekvencie DNA nie samotného genómu, ale kópií DNA informačnej (nazývanej aj templátová) RNA (mRNA alebo mRNA). Inými slovami, neštudoval sa celý genóm, ale len tá jeho časť, ktorá je bunkou prekódovaná na mRNA a riadi syntézu proteínov. Keďže jeden gén môže slúžiť ako templát na produkciu niekoľkých rôznych typov mRNA (čo je určené mnohými faktormi: typ bunky, štádium vývoja organizmu atď.), potom celkový počet všetkých rôznych sekvencií mRNA (a presne toto je patentované Štúdie ľudského genómu) bude výrazne väčšia. S najväčšou pravdepodobnosťou je použitie tohto čísla na odhad počtu génov v genóme jednoducho nesprávne.

Je zrejmé, že narýchlo „sprivatizovaná“ genetická informácia bude v nasledujúcich rokoch starostlivo kontrolovaná, kým sa presný počet génov konečne nestane všeobecne akceptovaným. Alarmujúca je však skutočnosť, že v procese „poznania“ sa patentuje všetko, čo sa dá patentovať. Nie je to ani koža mŕtveho medveďa, ale vo všeobecnosti bolo všetko, čo bolo v brlohu, rozdelené! Mimochodom, dnes sa diskusia spomalila a ľudský genóm oficiálne obsahuje len 21 667 génov (NCBI verzia 35, z októbra 2005). Treba poznamenať, že zatiaľ väčšina informácií zostáva verejne dostupná. Teraz existujú databázy, ktoré zhromažďujú informácie o štruktúre genómu nielen ľudí, ale aj genómov mnohých iných organizmov (napríklad EnsEMBL). Pokusy získať výhradné práva na použitie akýchkoľvek génov alebo sekvencií na komerčné účely však vždy boli, sú a budú sa aj naďalej uskutočňovať.

Dnes sú hlavné ciele štrukturálnej časti programu už z veľkej časti splnené – ľudský genóm je prečítaný takmer celý. Prvá, „návrh“ verzia sekvencie, publikovaná začiatkom roku 2001, mala ďaleko od dokonalosti. Chýbalo približne 30 % sekvencie genómu ako celku, z toho asi 10 % tvorila sekvencia tzv. euchromatínu- génovo bohaté a aktívne exprimované oblasti chromozómov. Podľa posledných odhadov tvorí euchromatín približne 93,5 % celého genómu. Zvyšných 6,5 % pochádza z heterochromatín- tieto oblasti chromozómov sú chudobné na gény a obsahujú veľký počet opakovaní, čo predstavuje vážne ťažkosti pre vedcov, ktorí sa snažia prečítať ich sekvenciu. Okrem toho sa predpokladá, že DNA v heterochromatíne je neaktívna a nie je exprimovaná. (To môže vysvetľovať „nepozornosť“ vedcov voči zostávajúcim „malým“ percentám ľudského genómu.) Ale aj „návrhové“ verzie euchromatických sekvencií dostupné v roku 2001 obsahovali veľké množstvo zlomov, chýb a nesprávne prepojených a orientovaných úlomky. Bez toho, aby sme akýmkoľvek spôsobom ubrali na význame tohto návrhu pre vedu a jej aplikácie, stojí za zmienku, že využitie týchto predbežných informácií pri rozsiahlych experimentoch analyzujúcich genóm ako celok (napríklad pri štúdiu evolúcie génov resp. všeobecná organizácia genómu) odhalili mnohé nepresnosti a artefakty. Preto bola absolútne nevyhnutná ďalšia a nemenej starostlivá práca, „posledné kroky“.

Obrázok 2 Vľavo: Automatizovaná linka na prípravu vzoriek DNA na sekvenovanie vo Whitehead Institute Genomic Research Center. Napravo: Laboratórium v , plné strojov na vysokovýkonné dekódovanie sekvencií DNA.

Dokončenie dešifrovania trvalo niekoľko ďalších rokov a takmer zdvojnásobilo náklady na celý projekt. Avšak už v roku 2004 bolo oznámené, že euchromatín bol načítaný na 99 % s celkovou presnosťou jednej chyby na 100 000 párov báz. Počet prestávok sa znížil 400-krát. Presnosť a úplnosť čítania sa stala dostatočnou na efektívne hľadanie génov zodpovedných za konkrétne dedičné ochorenie (napríklad cukrovku alebo rakovinu prsníka). V praxi to znamená, že výskumníci už nemusia absolvovať prácne potvrdzovanie sekvencií génov, s ktorými pracujú, keďže sa môžu úplne spoľahnúť na špecifickú, verejne dostupnú sekvenciu celého genómu.

Pôvodný plán projektu bol teda výrazne prekročený. Pomohlo nám to pochopiť, ako je náš genóm štruktúrovaný a ako funguje? Nepochybne. Autori článku v Príroda, v ktorej bola publikovaná „konečná“ (k roku 2004) verzia genómu, vykonala pomocou nej niekoľko analýz, ktoré by boli absolútne nezmyselné, keby mali po ruke iba „návrh“ sekvencie. Ukázalo sa, že viac ako tisíc génov sa „zrodilo“ pomerne nedávno (samozrejme podľa evolučných štandardov) – v procese zdvojenia pôvodného génu a následného nezávislého vývoja dcérskeho a rodičovského génu. A len necelých štyridsať génov nedávno „zomrelo“ a nahromadili sa v nich mutácie, vďaka ktorým boli úplne neaktívne. Ďalší článok uverejnený v tom istom čísle časopisu Príroda, priamo poukazuje na nedostatky metódy, ktorú vedci z r Celera. Dôsledkom týchto nedostatkov bolo vynechanie početných opakovaní v čítaných sekvenciách DNA a v dôsledku toho podhodnotená dĺžka a komplexnosť celého genómu. Aby sa podobné chyby v budúcnosti neopakovali, autori článku navrhli použiť hybridnú stratégiu – kombináciu vysoko efektívneho prístupu, ktorý používajú vedci z r. Celera, a pomerne pomalá a pracovne náročná, ale aj spoľahlivejšia metóda, ktorú používajú výskumníci IHGSC.

Kam sa bude ďalej uberať bezprecedentná štúdia ľudského genómu? Už teraz sa o tom dá niečo povedať. Medzinárodné konzorcium ENCODE, založené v septembri 2003 ENcyklopédia prvkov DNA) si stanovil za cieľ objav a štúdium „riadiacich prvkov“ (sekvencií) v ľudskom genóme. V skutočnosti 3 miliardy párov báz (konkrétne dĺžka ľudského genómu) obsahujú iba 22 tisíc génov, ktoré sú v tomto oceáne DNA roztrúsené pre nás nepochopiteľným spôsobom. Čo riadi ich prejav? Prečo potrebujeme taký nadbytok DNA? Je to naozaj balast, alebo sa stále prejavuje tým, že má nejaké neznáme funkcie?

Na začiatok, ako pilotný projekt, sa vedci ENCODE „bližšie pozreli“ na sekvenciu predstavujúcu 1 % ľudského genómu (30 miliónov párov báz), pričom použili najnovšie vybavenie na výskum molekulárnej biológie. Výsledky boli zverejnené v apríli tohto roku v r Príroda. Ukázalo sa, že väčšina ľudského genómu (vrátane oblastí predtým považovaných za „tiché“) slúži ako templát na produkciu rôznych RNA, z ktorých mnohé nie sú informačné, pretože nekódujú proteíny. Mnohé z týchto „nekódujúcich“ RNA sa prekrývajú s „klasickými“ génmi (časti DNA, ktoré kódujú proteíny). Ďalším neočakávaným výsledkom bolo, ako boli regulačné oblasti DNA umiestnené vo vzťahu ku génom, ktorých expresiu kontrolovali. Sekvencie mnohých z týchto oblastí sa počas evolúcie zmenili len málo, zatiaľ čo iné oblasti, o ktorých sa predpokladá, že sú dôležité pre bunkovú kontrolu, sa počas evolúcie zmutovali a menili neočakávane vysokou rýchlosťou. Všetky tieto zistenia vyvolali veľké množstvo nových otázok, odpovede na ktoré možno získať až v ďalšom výskume.

Ďalšou úlohou, ktorej riešenie bude otázkou blízkej budúcnosti, je určiť sekvenciu zostávajúcich „malých“ percent genómu, ktoré tvoria heterochromatín, teda úseky DNA chudobné na gény a úseky DNA bohaté na opakovania. zdvojnásobenie chromozómov počas delenia buniek. Prítomnosť opakovaní robí úlohu dešifrovania týchto sekvencií nezvládnuteľnou pre existujúce prístupy, a preto si vyžaduje vynájdenie nových metód. Preto nebuďte prekvapení, keď v roku 2010 vyjde ďalší článok, ktorý oznamuje „dokončenie“ dešifrovania ľudského genómu – bude hovoriť o tom, ako bol heterochromatín „hacknutý“.

Samozrejme, teraz máme k dispozícii len určitú „priemernú“ verziu ľudského genómu. Obrazne povedané, dnes máme len najvšeobecnejší popis konštrukcie auta: motor, podvozok, kolesá, volant, sedadlá, lak, čalúnenie, benzín a olej atď. Bližšie skúmanie získaného výsledku naznačuje, že existujú máme pred sebou roky práce na zdokonaľovaní našich vedomostí o každom konkrétnom genóme. Program ľudského genómu neprestal existovať, len mení svoju orientáciu: od štrukturálnej genomiky dochádza k prechodu k funkčnej genomike, ktorá má určiť, ako sú gény kontrolované a fungujú. Navyše, všetci ľudia na úrovni génov sa líšia rovnakým spôsobom, akým sa tie isté modely áut líšia v rôznych verziách tých istých jednotiek. Nielenže sa môžu líšiť jednotlivé bázy v génových sekvenciách dvoch rôznych ľudí, ale aj počet kópií veľkých fragmentov DNA, niekedy obsahujúcich niekoľko génov, sa môže značne líšiť. To znamená, že do popredia sa dostávajú práce na detailnom porovnaní genómov povedzme predstaviteľov rôznych ľudských populácií, etnických skupín, dokonca aj zdravých a chorých ľudí. Moderné technológie umožňujú rýchlo a presne vykonávať takéto porovnávacie analýzy, ale pred desiatimi rokmi o tom nikto nesníval. Ďalšie medzinárodné vedecké združenie študuje štrukturálne variácie v ľudskom genóme. V USA a Európe sú vyčlenené značné prostriedky na financovanie bioinformatiky – mladej vedy, ktorá vznikla na priesečníku informatiky, matematiky a biológie, bez ktorej nie je možné pochopiť bezhraničný oceán informácií nahromadených v modernej biológii. Bioinformačné metódy nám pomôžu odpovedať na mnohé zaujímavé otázky - "ako došlo k evolúcii človeka?", "ktoré gény určujú určité vlastnosti ľudského tela?", "ktoré gény sú zodpovedné za náchylnosť k chorobám?" Viete, čo hovoria Angličania: „ Toto je koniec začiatku“ - „Toto je koniec začiatku.” Táto veta presne vystihuje súčasnú situáciu. Začína to najdôležitejšie a – som si úplne istý – to najzaujímavejšie: zhromažďovanie výsledkov, ich porovnávanie a ďalšia analýza.

« ...Dnes vydávame prvé vydanie „Knihy života“ s našimi pokynmi Francis Collins povedal na televíznom kanáli Rossiya. - Budeme sa k nej vracať desiatky, stovky rokov. A čoskoro sa ľudia budú čudovať, ako by sa bez týchto informácií mohli zaobísť.».

Iný uhol pohľadu možno ilustrovať citáciou akademika V. A. Kordyuma:

“...Nádeje, že nové informácie o funkciách genómu budú úplne otvorené, sú čisto symbolické. Dá sa predpovedať, že vzniknú gigantické centrá (na základe existujúcich), ktoré budú schopné všetky dáta spojiť do jedného súvislého celku, akejsi elektronickej verzie Človeka a prakticky ho implementovať – do génov, bielkovín, buniek, tkanivá, orgány a čokoľvek iné. Ale čo? Príjemné komu? Prečo? V procese práce na programe „ľudského genómu“ sa rýchlo zlepšili metódy a zariadenia na určenie primárnej sekvencie DNA. V najväčších centrách sa to zmenilo na druh továrenskej činnosti. Ale aj na úrovni jednotlivých laboratórnych prístrojov (alebo skôr ich komplexov) už bolo vytvorené také vyspelé vybavenie, že je schopné za tri mesiace určiť sekvenciu DNA, ktorá sa objemom rovná celému ľudskému genómu. Nie je prekvapujúce, že vznikla myšlienka určiť genómy jednotlivých ľudí (a okamžite sa začala rýchlo implementovať). Samozrejme, je veľmi zaujímavé porovnávať rozdiely rôznych jednotlivcov na úrovni ich základných princípov. Výhody takéhoto porovnania sú tiež nepochybné. Bude možné určiť, kto má aké abnormality v genóme, predpovedať ich dôsledky a odstrániť to, čo môže viesť k chorobe. Zdravie bude zaručené a život sa značne predĺži. Toto je na jednej strane. Na druhej strane, všetko nie je vôbec zrejmé. Získať a analyzovať celú dedičnosť jednotlivca znamená získať o ňom úplnú, komplexnú biologickú dokumentáciu. To, ak si to želá ten, kto ho pozná, mu rovnako komplexne umožní robiť si s človekom, čo chce. Podľa už známeho reťazca: bunka je molekulárny stroj; človek sa skladá z buniek; bunka vo všetkých svojich prejavoch a v celom rozsahu možných reakcií je zaznamenaná v genóme; S genómom sa už dnes dá v obmedzenej miere manipulovať a v dohľadnej dobe s ním možno manipulovať takmer akýmkoľvek spôsobom...»

Báť sa takýchto pochmúrnych predpovedí (aj keď o nich určite musíte vedieť) je asi priskoro. Na ich realizáciu je potrebné kompletne prebudovať mnohé spoločenské a kultúrne tradície. Veľmi dobre sa o tom vyjadril v rozhovore doktor biologických vied Michail Gelfand. O. Zástupca riaditeľa Ústavu pre problémy prenosu informácií Ruskej akadémie vied: “ ...ak máte povedzme jeden z piatich génov, ktoré predurčujú rozvoj schizofrénie, čo by sa potom mohlo stať, keby sa táto informácia – váš genóm – dostala do rúk vášho potenciálneho zamestnávateľa, ktorý ničomu nerozumie o genomike!(a v dôsledku toho vás nemusia zamestnať, pretože to považujú za riskantné; a to napriek tomu, že nemáte a nebudete mať schizofréniu - pozn. autora.) Ďalší aspekt: s príchodom individualizovanej medicíny založenej na genomike sa poistná medicína úplne zmení. Jedna vec je totiž zabezpečiť neznáme riziká a druhá vec je zabezpečiť úplne isté. Úprimne povedané, celá západná spoločnosť ako celok, nielen ruská, teraz nie je pripravená na genomickú revolúciu...“ .

V skutočnosti, aby ste mohli múdro využívať nové informácie, musíte im rozumieť. A s cieľom rozumieť genóm nie je ľahko čitateľný, toto zďaleka nestačí - bude nám to trvať desaťročia. Vzniká veľmi zložitý obraz a na jeho pochopenie budeme musieť zmeniť mnohé stereotypy. Preto v skutočnosti dešifrovanie genómu stále prebieha a bude pokračovať. A to, či budeme stáť bokom, alebo sa konečne staneme aktívnymi účastníkmi tohto závodu, závisí od nás.

Literatúra

Kiselev L. (2001). Nová biológia začala vo februári 2001. "Veda a život";
Kiselev L. (2002). Druhý život genómu: od štruktúry k funkcii. "Poznanie je moc". 7 ;
Ewan Birney, The ENCODE Project Consortium, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó, et. al.. (2007). Identifikácia a analýza funkčných prvkov v 1 % ľudského genómu pilotným projektom ENCODE. Príroda. 447 , 799-816;
Lincoln D. Stein. (2004). Ľudský genóm: Koniec začiatku. Príroda. 431 , 915-916;
Gelfand M. (2007). Postgenomická éra. "Komerčná biotechnológia".

Medzinárodný projekt ľudského genómu bol spustený v roku 1988. Ide o jeden z najnáročnejších a najdrahších projektov v histórii vedy. Ak sa na to v roku 1990 celkovo minulo asi 60 miliónov dolárov, v roku 1998 samotná vláda USA minula 253 miliónov dolárov a súkromné spoločnosti ešte viac. Do projektu je zapojených niekoľko tisíc vedcov z viac ako 20 krajín. Od roku 1989 sa na ňom podieľa aj Rusko, kde na projekte pracuje asi 100 skupín. Všetky ľudské chromozómy sú rozdelené medzi zúčastnené krajiny a Rusko dostalo na výskum 3., 13. a 19. chromozóm.

Hlavným cieľom projektu je zistiť sekvenciu nukleotidových báz vo všetkých molekulách ľudskej DNA a stanoviť lokalizáciu, t.j. úplne zmapovať všetky ľudské gény. Projekt zahŕňa ako podprojekty štúdium genómov psov, mačiek, myší, motýľov, červov a mikroorganizmov. Od výskumníkov sa potom očakáva, že určia všetky funkcie génov a vyvinú spôsoby, ako tieto zistenia využiť.

Čo je hlavným predmetom projektu – ľudský genóm?

Je známe, že v jadre každej somatickej bunky (okrem jadra DNA sú aj mitochondrie) človeka je 23 párov chromozómov, pričom každý chromozóm predstavuje jedna molekula DNA. Celková dĺžka všetkých 46 molekúl DNA v jednej bunke je približne 2 m, obsahujú asi 3,2 miliardy nukleotidových párov. Celková dĺžka DNA vo všetkých bunkách ľudského tela (je ich približne 5x1013) je 1011 km, čo je takmer tisíckrát viac ako vzdialenosť Zeme od Slnka.

Ako sa také dlhé molekuly zmestia do jadra? Ukazuje sa, že v jadre existuje mechanizmus na „nútené“ ukladanie DNA vo forme chromatínu - úrovne zhutnenia.

Prvá úroveň zahŕňa organizáciu DNA s histónovými proteínmi - tvorbu nukleozómov. Dve molekuly špeciálnych nukleozomálnych proteínov tvoria oktamér vo forme cievky, na ktorej je navinutý reťazec DNA. Jeden nukleozóm obsahuje asi 200 párov báz. Medzi nukleozómami zostáva fragment DNA s veľkosťou až 60 párov báz, nazývaný linker. Táto úroveň skladania umožňuje zmenšiť lineárne rozmery DNA 6-7 krát.

Na ďalšej úrovni sú nukleozómy usporiadané do fibrily (solenoidu). Každý závit pozostáva zo 6-7 nukleozómov, pričom lineárne rozmery DNA sú zmenšené na 1 mm, t.j. 25-30 krát.

Treťou úrovňou zhutnenia je slučkovanie fibríl - tvorba domén slučiek, ktoré sa rozprestierajú pod uhlom od hlavnej osi chromozómu. Môžu byť videné pod svetelným mikroskopom ako medzifázové chromozómy "lampbrush". Charakteristika krížového pruhovania mitotických chromozómov do určitej miery odráža poradie génov v molekule DNA.

Ak u prokaryotov sú lineárne veľkosti génu konzistentné s veľkosťami štruktúrneho proteínu, potom u eukaryotov sú veľkosti DNA oveľa väčšie ako celkové veľkosti významných génov. Vysvetľuje sa to po prvé mozaikovou štruktúrou génu alebo štruktúrou exón-intrón: fragmenty, ktoré sa majú transkribovať - exóny - sú rozptýlené nevýznamnými oblasťami - intrónmi. Sekvencia génu je najprv kompletne prepísaná syntetizovanou molekulou RNA, z ktorej sa potom vyrežú intróny, exóny sa zošijú a v tejto forme sa na ribozóme načítajú informácie z molekuly mRNA. Druhým dôvodom kolosálnej veľkosti DNA je veľký počet opakovaných génov. Niektoré sa opakujú desať alebo stokrát, zatiaľ čo iné majú až 1 milión opakovaní na genóm. Napríklad gén kódujúci rRNA sa opakuje asi 2 000 krát.

V roku 1996 sa verilo, že človek má asi 100 000 génov; teraz odborníci na bioinformatiku naznačujú, že v ľudskom genóme nie je viac ako 60 000 génov a tvoria iba 3% celkovej dĺžky bunkovej DNA a funkčná úloha zvyšku 97 % ešte nie je nainštalovaná.

Aké sú úspechy vedcov za niečo vyše desať rokov práce na projekte?

Prvým veľkým úspechom bolo kompletné zmapovanie genómu baktérie Haemophilus influenzae v roku 1995. Neskôr boli plne opísané genómy viac ako 20 baktérií, vrátane pôvodcov tuberkulózy, týfusu, syfilisu atď. V roku 1996 bola zmapovaná DNA prvej eukaryotickej bunky kvasiniek a v roku 1998 genóm tzv. Prvýkrát bol zmapovaný mnohobunkový organizmus, škrkavka Caenorhabolitis elegans. Do roku 1998 boli stanovené nukleotidové sekvencie v 30 261 ľudských génoch, t.j. Asi polovica ľudskej genetickej informácie bola rozlúštená.

Nižšie sú známe údaje o počte génov zapojených do vývoja a fungovania určitých ľudských orgánov a tkanív.

Názov orgánu, tkaniva, bunky a počet génov

1. Slinná žľaza 17

2. Štítna žľaza 584

3. Hladké svalstvo 127

4. Prsná žľaza 696

5. Pankreas 1094

6. Slezina 1094

7. Žlčník 788

8. Tenké črevo 297

9. Placenta 1290

10. Kostrový sval 735

11. Biela krvinka 2164

12. Semenník 370

13. Koža 620

14. Mozog 3195

15. Oko 547

16. Pľúca 1887

17. Srdce 1195

18. Červené krvinky 8

19. Pečeň 2091

20. Maternica 1859

V posledných rokoch boli vytvorené medzinárodné databanky o nukleotidových sekvenciách v DNA rôznych organizmov a o aminokyselinových sekvenciách v proteínoch. V roku 1996 International Sequencing Society rozhodla, že každá novourčená nukleotidová sekvencia s veľkosťou 1–2 000 báz alebo viac musí byť zverejnená prostredníctvom internetu do 24 hodín po jej rozlúštení, inak články s týmito údajmi nebudú publikované v vedecké časopisy sú akceptované. Tieto informácie môže použiť každý špecialista na svete.

Počas implementácie Human Genome Project bolo vyvinutých mnoho nových výskumných metód, z ktorých väčšina bola nedávno zautomatizovaná, čo výrazne urýchľuje a znižuje náklady na dekódovanie DNA. Rovnaké analytické metódy možno použiť aj na iné účely: v medicíne, farmakológii, forenznom, atď.

Zastavme sa pri niektorých konkrétnych úspechoch projektu, predovšetkým, samozrejme, týkajúcich sa medicíny a farmakológie.

Vo svete sa každé sté dieťa narodí s nejakou dedičnou chybou. K dnešnému dňu je známych asi 10 000 rôznych ľudských chorôb, z ktorých viac ako 3 000 je dedičných. Boli už identifikované mutácie, ktoré sú zodpovedné za ochorenia ako hypertenzia, cukrovka, niektoré typy slepoty a hluchoty a zhubné nádory. Boli objavené gény zodpovedné za jednu z foriem epilepsie, gigantizmu atď.. Nižšie sú uvedené niektoré choroby, ktoré vznikajú v dôsledku poškodenia génov, ktorých štruktúra bola do roku 1997 úplne rozlúštená.

Choroby vyplývajúce z poškodenia génov

1. Chronická granulomatóza
2. Cystická fibróza
3. Wilsonova choroba
4. Včasná rakovina prsníka/vaječníkov
5. Emery-Dreyfusova svalová dystrofia
6. Atrofia chrbtových svalov
7. Albinizmus oka
8. Alzheimerova choroba
9. Dedičná paralýza
10. Dystónia

Je pravdepodobné, že v najbližších rokoch bude možná ultravčasná diagnostika závažných ochorení, a teda aj úspešnejší boj proti nim. V súčasnosti sa aktívne vyvíjajú metódy na cielené dodávanie liečiv do postihnutých buniek, nahradenie chorých génov zdravými, zapnutie a vypnutie vedľajších metabolických dráh zapínaním a vypínaním zodpovedajúcich génov. Príklady úspešného využitia génovej terapie sú už známe. Napríklad bolo možné dosiahnuť výraznú úľavu v stave dieťaťa trpiaceho ťažkou vrodenou imunodeficienciou zavedením normálnych kópií poškodeného génu do neho.

Okrem génov spôsobujúcich choroby boli objavené aj niektoré ďalšie gény, ktoré priamo súvisia s ľudským zdravím. Ukázalo sa, že existujú gény, ktoré spôsobujú predispozíciu k rozvoju chorôb z povolania v rizikových odvetviach. Pri výrobe azbestu teda niektorí ľudia na azbestózu ochorejú a zomierajú, iní sú voči nej odolní. V budúcnosti je možné vytvoriť špeciálnu genetickú službu, ktorá bude poskytovať odporúčania na prípadné odborné činnosti z hľadiska predispozície k chorobám z povolania.

Ukázalo sa, že predispozícia k alkoholizmu či drogovej závislosti môže mať aj genetický základ. Objavených už bolo sedem génov, ktorých poškodenie je spojené so vznikom závislosti od chemických látok. Mutantný gén bol izolovaný z tkanív pacientov s alkoholizmom, čo vedie k defektom bunkových dopamínových receptorov, látky, ktorá hrá kľúčovú úlohu vo fungovaní mozgových centier potešenia. Nedostatok dopamínu alebo defekty v jeho receptoroch priamo súvisia s rozvojom alkoholizmu. Na štvrtom chromozóme bol objavený gén, ktorého mutácie vedú k rozvoju raného alkoholizmu a už v ranom detstve sa prejavujú v podobe zvýšenej pohyblivosti dieťaťa a poruchy pozornosti.

Je zaujímavé, že génové mutácie nevedú vždy k negatívnym dôsledkom – niekedy môžu byť prospešné. Je teda známe, že v Ugande a Tanzánii dosahuje infekcia AIDS medzi prostitútkami 60–80 %, no niektoré z nich nielen nezomrú, ale porodia aj zdravé deti. Zrejme existuje mutácia (alebo mutácie), ktorá chráni človeka pred AIDS. Ľudia s touto mutáciou môžu byť infikovaní vírusom imunodeficiencie, ale nevyvinie sa u nich AIDS. Teraz bola vytvorená mapa, ktorá zhruba odráža distribúciu tejto mutácie v Európe. Častý je najmä (u 15 % populácie) u ugrofínskej skupiny obyvateľstva. Identifikácia takéhoto mutantného génu by mohla viesť k vytvoreniu spoľahlivého spôsobu boja proti jednej z najstrašnejších chorôb nášho storočia.

Ukázalo sa tiež, že rôzne alely toho istého génu môžu spôsobiť rôzne reakcie ľudí na drogy. Farmaceutické spoločnosti plánujú použiť tieto údaje na výrobu špecifických liekov určených pre rôzne skupiny pacientov. Pomôže to eliminovať nežiaduce reakcie liekov, presnejšie pochopiť mechanizmus ich účinku a znížiť miliónové náklady. Úplne nové odvetvie farmakogenetiky študuje, ako môžu niektoré vlastnosti štruktúry DNA oslabiť alebo zvýšiť účinky liekov.

Dekódovanie genómov baktérií umožňuje vytvárať nové účinné a neškodné vakcíny a vysokokvalitné diagnostické lieky.

Samozrejme, úspechy projektu Human Genome Project sa dajú využiť nielen v medicíne či farmácii.

DNA sekvencie môžu byť použité na určenie stupňa vzťahu medzi ľuďmi a mitochondriálna DNA môže byť použitá na presné stanovenie materského príbuzenstva. Bola vyvinutá metóda „genetického snímania odtlačkov prstov“, ktorá vám umožňuje identifikovať osobu stopovým množstvom krvi, kožných vločiek atď. Táto metóda bola úspešne použitá vo forenznej vede – tisíce ľudí už boli oslobodené alebo odsúdené na základe genetického rozboru. Podobné prístupy možno využiť v antropológii, paleontológii, etnografii, archeológii a dokonca aj v takej zdanlivo vzdialenej oblasti od biológie, akou je porovnávacia lingvistika.

Výsledkom výskumu bolo porovnať genómy baktérií a rôznych eukaryotických organizmov. Ukázalo sa, že v procese evolučného vývoja pribúda v organizmoch počet intrónov, t.j. evolúcia je spojená s „riedením“ genómu: na jednotku dĺžky DNA je stále menej informácií o štruktúre proteínov a RNA (exónov) a čoraz viac oblastí, ktoré nemajú jasný funkčný význam (intróny). Toto je jedna z najväčších záhad evolúcie.

Predtým evoluční vedci rozlišovali dve vetvy vo vývoji bunkových organizmov: prokaryoty a eukaryoty. V dôsledku porovnania genómov bolo potrebné rozlíšiť archebaktérie na samostatnú vetvu – unikátne jednobunkové organizmy, ktoré kombinujú vlastnosti prokaryotov a eukaryotov.

V súčasnosti sa intenzívne študuje aj problém závislosti schopností a talentu človeka od jeho génov. Hlavnou úlohou budúceho výskumu je študovať variácie jednonukleotidovej DNA v bunkách rôznych orgánov a identifikovať rozdiely medzi ľuďmi na genetickej úrovni. To umožní vytvárať génové portréty ľudí a v dôsledku toho efektívnejšie liečiť choroby, posudzovať schopnosti a schopnosti každého človeka, identifikovať rozdiely medzi populáciami, posúdiť stupeň prispôsobenia konkrétnej osoby konkrétnej environmentálnej situácii. , atď.

Na záver je potrebné spomenúť nebezpečenstvo šírenia genetickej informácie o konkrétnych ľuďoch. V tejto súvislosti už niektoré krajiny prijali zákony zakazujúce šírenie takýchto informácií a na tomto probléme pracujú právnici po celom svete. Projekt ľudského genómu sa navyše niekedy spája s oživením eugeniky na novej úrovni, čo vyvoláva obavy aj medzi odborníkmi.

Analýza ľudského genómu bola dokončená.

Vo Washingtone 6. apríla 2000 sa konalo zasadnutie Vedeckého výboru amerického Kongresu, na ktorom Dr J. Craig Venter oznámil, že jeho spoločnosť Celera Genomics dokončila dešifrovanie nukleotidových sekvencií všetkých potrebných fragmentov ľudského genómu. . Očakáva, že prípravné práce na sekvenovaní všetkých génov (je ich asi 80 tisíc a obsahujú približne 3 miliardy DNA „písmen“) budú ukončené za 3-6 týždňov, t.j. oveľa skôr, ako sa plánovalo. S najväčšou pravdepodobnosťou bude konečné sekvenovanie ľudského genómu dokončené do roku 2003.

Celera sa pred 22 mesiacmi pripojila k výskumu projektu Human Genome Project. Jej prístupy spočiatku kritizovalo takzvané otvorené konzorcium účastníkov projektu, ale podprojekt, ktorý minulý mesiac dokončila na dešifrovanie genómu ovocných mušiek, ukázal ich účinnosť.

Tentoraz nikto nekritizoval prognózy K. Ventera, ktoré urobil v prítomnosti poradcu prezidenta USA pre vedu Dr. N. Lanea a zástupcu konzorcia, najväčšieho špecialistu na sekvenovanie genómu, Dr. Roberta Waterstona. .

Predbežná mapa genómu bude obsahovať asi 90% všetkých génov, ale napriek tomu bude veľkou pomocou v práci vedcov a lekárov, pretože im umožní celkom presne nájsť potrebné gény. Dr Venter povedal, že teraz plánuje použiť svojich 300 sekvenátorov na analýzu myšacieho genómu, ktorého znalosť pomôže pochopiť, ako fungujú ľudské gény.

Dešifrovaný genóm patrí mužovi, a preto obsahuje chromozómy X aj Y. Meno tejto osoby nie je známe a nezáleží na tom, pretože... Celera a konzorcium výskumníkov zbierali a naďalej zbierajú rozsiahle údaje o jednotlivých variáciách DNA. Mimochodom, konzorcium využíva pri výskume genetický materiál získaný od rôznych ľudí. Doktor Venter opísal výsledky, ktoré konzorcium získalo, ako 500-tisíc dešifrovaných, no nezosekvenovaných fragmentov, z ktorých by bolo veľmi ťažké skonštruovať celé gény.

Doktor Venter povedal, že keď bude určená štruktúra génov, zorganizuje konferenciu, na ktorej budú zapojení externých odborníkov do identifikácie polohy génov v molekulách DNA a určovania ich funkcií. Potom budú mať ďalší výskumníci voľný prístup k údajom o ľudskom genóme.

Medzi Venterom a konzorciom výskumníkov sa viedli rokovania o spoločnom zverejnení ich výsledkov a jedným z hlavných bodov dohody bolo ustanoviť, že patentovanie génov je možné až po presnom určení ich funkcií a pozície v DNA.

Rokovania však boli prerušené kvôli nezhodám o tom, čo by sa malo považovať za dokončenie sekvenovania genómu. Problémom je, že v DNA eukaryotov sa na rozdiel od DNA prokaryotov nachádzajú fragmenty, ktoré sa modernými metódami nedajú rozlúštiť. Veľkosť takýchto fragmentov sa môže pohybovať od 50 do 150 tisíc báz, ale našťastie tieto fragmenty obsahujú veľmi málo génov. Zároveň sa v oblastiach DNA bohatých na gény nachádzajú fragmenty, ktoré tiež ešte nie je možné dešifrovať.

Stanovenie polohy a funkcií génov sa má vykonávať pomocou špeciálnych počítačových programov. Tieto programy budú analyzovať štruktúru génov a porovnaním s údajmi o genómoch iných organizmov navrhnú možnosti ich možných funkcií. Podľa Celera možno prácu považovať za dokončenú, ak sú gény takmer úplne identifikované a je presne známe, ako sa dešifrované fragmenty nachádzajú na molekule DNA, t.j. v akom poradí. Výsledky Celery vyhovujú tejto definícii, zatiaľ čo výsledky konzorcia nám neumožňujú jednoznačne určiť polohu dešifrovaných rezov voči sebe.

Po zostavení kompletnej mapy ľudského genómu plánuje Celera sprístupniť tieto údaje ďalším výskumníkom formou predplatného, pričom pre univerzity bude poplatok za používanie databanky veľmi nízky, 5-15 tisíc dolárov ročne. To poskytne vážnu konkurenciu univerzitnej databáze Genbank.

Účastníci stretnutia vedeckého výboru boli veľmi kritickí voči spoločnostiam ako Incyte Pharmaceuticals a Human Genome Sciences, ktoré každú noc skopírovali údaje konzorcia dostupné na internete a potom požiadali o patentovanie všetkých génov, ktoré v týchto sekvenciách objavili.

Na otázku, či by sa údaje o ľudskom genóme dali použiť na vytvorenie nového typu biologickej zbrane, napríklad nebezpečnej len pre niektoré populácie, doktor Venter odpovedal, že oveľa väčšie nebezpečenstvo predstavujú údaje o genómoch patogénnych baktérií a vírusov. Na otázku jedného z kongresmanov, či sa teraz cielené zmeny v ľudskej rase stanú realitou, doktor Venter odpovedal, že úplné určenie funkcií všetkých génov môže trvať asi sto rokov a dovtedy sa nehovorí o cielených zmeny v genóme.

Pripomeňme, že v decembri 1999 výskumníci z Veľkej Británie a Japonska oznámili vytvorenie štruktúry 22. chromozómu. Toto bol prvý ľudský chromozóm, ktorý bol dekódovaný. Obsahuje 33 miliónov párov báz a 11 úsekov (asi 3 % dĺžky DNA) zostáva v jej štruktúre nerozlúštených. Pre tento chromozóm boli určené funkcie približne polovice génov. Zistilo sa napríklad, že defekty tohto chromozómu sú spojené s 27 rôznymi chorobami vrátane schizofrénie, myeloidnej leukémie a trizómie 22, ktorá je druhou hlavnou príčinou potratov u tehotných žien.

Britskí vedci v tom čase ostro kritizovali sekvenčné metódy používané Celerou a verili, že by trvalo príliš dlho, kým by rozlúštili sekvencie a určili relatívne polohy ich fragmentov. Potom sa na základe známeho objemu dekódovaného materiálu urobili predpovede, že ako ďalšie budú mapované 7., 20. a 21. chromozómy.

Týždeň po oznámení o dokončení dešifrovania nukleotidových sekvencií v ľudskom genóme sa uskutočnilo stretnutie Americkej asociácie pre pokrok vedy, na ktorom americký minister energetiky Bill Richardson oznámil, že vedci z Joint Genome Institute určili štruktúry 5., 16. a 19. ľudského chromozómu.

Tieto chromozómy obsahujú približne 300 miliónov párov báz, čo je 10-15 tisíc génov, čiže asi 11 % ľudského genetického materiálu. Doteraz sa podarilo zmapovať 90 % DNA týchto chromozómov, stále existujú oblasti, ktoré sa nedajú rozlúštiť, obsahujú malé množstvo génov.

Chromozómové mapy odhaľujú genetické defekty, ktoré môžu viesť k niektorým ochoreniam obličiek, rakovine prostaty a hrubého čreva, leukémii, hypertenzii, cukrovke a ateroskleróze. Podľa Richardsona budú bližšie k letu informácie o štruktúre chromozómov dostupné všetkým výskumníkom zadarmo.

Princípy dedičnosti boli prvýkrát identifikované v roku 1900, keď sa vyvinuli prirodzené princípy a do používania (s úplnou definíciou) sa zaviedli najmä koncepty ľudského genómu a génu. Ich výskum umožnil vedcom odhaliť tajomstvo dedičnosti a stal sa impulzom pre štúdium dedičné choroby a ich povaha.

V kontakte s

Ľudský genóm: všeobecné pojmy

Aby ste pochopili, čo sú gény a procesy dedičnosti organizmom určitých vlastností a kvalít, mali by ste poznať a pochopiť pojmy a základné ustanovenia. Stručný súhrn základných pojmov poskytne príležitosť hlbšie sa ponoriť do tejto témy.

Ľudské gény sú časti reťazca (deoxyribonukleová kyselina vo forme makromolekúl), ktorý určuje sekvenciu určitých polypeptidov (rodiny aminokyselín) a nesie základnú dedičnú informáciu od rodičov k deťom.

Zjednodušene povedané, určitý gén obsahuje informácie o štruktúre proteínu a prenáša ich od rodiča k dieťaťu, pričom opakuje štruktúru polypeptidov a prenáša dedičnosť.

Ľudský genóm je všeobecný pojem, ktorý označuje určitý počet špecifických génov. Prvýkrát ho predstavil Hans Winkler v roku 1920, no časom sa jeho pôvodný význam trochu zmenil.

Najprv určila určitý počet chromozómov (nepárových a jednoduchých) a po chvíli sa ukázalo, že genóm má 23 párových chromozómov a mitochondriálnu deoxyribonukleovú kyselinu.

Genetická informácia je údaj, ktorý je obsiahnutý v DNA a nesie poradie konštrukcie proteínu vo forme kódu nukleotidov. Za zmienku tiež stojí, že tento druh informácií sa nachádza vo vnútri aj mimo hraníc.

Ľudské gény boli študované dlhé roky, počas ktorých bol uvedený do života veľa experimentov. Stále prebiehajú experimenty, ktoré vedcom poskytujú nové informácie.

Nedávny výskum jasne ukázal, že deoxyribonukleové kyseliny nemajú vždy jasnú a konzistentnú štruktúru.

Existujú takzvané nespojité gény, ktorých spojenia sú prerušené, čím sú všetky doterajšie teórie o stálosti týchto častíc nesprávne. Z času na čas sa v nich vyskytujú zmeny, ktoré majú za následok zmeny v štruktúre deoxyribonukleových kyselín.

História objavovania

Tento vedecký termín prvýkrát určil až v roku 1909 vedec Vilhelm Johansen, ktorý bol vynikajúcim botanikom v Dánsku.

Dôležité! V roku 1912 sa objavilo slovo „genetika“, ktoré sa stalo názvom celého oddelenia. Je to ten, kto študuje ľudské gény.

Začal sa výskum častíc dávno pred 20. storočím(neexistujú žiadne údaje pre ktorý presný rok) a pozostával z niekoľkých fáz:

V roku 1868 slávny vedec Darwin predložil hypotézu pangenézy. V ňom opísal oddelenie gemmule. Darwin veril, že gemmula je špecifická časť bunky, z ktorej sa potom tvoria pohlavné bunky.
O niekoľko rokov neskôr Hugo de Vries vytvoril vlastnú teóriu, odlišnú od Darwinovej, v ktorej opísal proces pangenézy vo vnútri buniek. Veril, že v každej bunke je častica a tá je zodpovedná za určité vlastnosti dedičnosti druhu. Označil tieto častice ako "pangenes". Rozdiely medzi týmito dvoma hypotézami je, že Darwin považoval gemmuly za časti tkanív a vnútorných orgánov bez ohľadu na typ zvieraťa a de Vries prezentoval svoje pangény ako znaky dedičnosti v rámci určitého druhu.
W. Johansen v roku 1900 definoval dedičný faktor ako gén, pričom druhú časť prevzal z termínu používaného de Vriesom. Toto slovo použil na definovanie „zárodku“, častice, ktorá je dedičná. Vedec zároveň zdôraznil nezávislosť termínu od predtým predložených teórií.

Biológovia a zoológovia sa dedičným faktorom zaoberali pomerne dlho, no až od začiatku 20. storočia sa genetika začala vyvíjať obrovskou rýchlosťou a odhaľovala ľuďom tajomstvá dedičnosti.

Dekódovanie ľudského genómu

Od chvíle, keď vedci objavili prítomnosť génu v ľudskom tele, začali skúmať otázku informácií v ňom obsiahnutých. Už viac ako 80 rokov sa ho vedci snažia rozlúštiť. K dnešnému dňu dosiahli v tomto významný úspech, ktorý dal možnosť ovplyvniť na dedičné procesy a zmeniť štruktúru buniek v ďalšej generácii.

História dekódovania DNA pozostáva z niekoľkých určujúcich momentov:

19. storočie – začiatok štúdia nukleových kyselín.
1868 - F. Miescher prvýkrát izoloval nukleín alebo DNA z buniek.
V polovici 20. storočia O. Avery a F. Griffith pomocou pokusov na myšiach zistili, že za proces bakteriálnej transformácie je zodpovedná práve nukleová kyselina.
Prvým človekom, ktorý svetu ukázal DNA, bol R. Franklin. Niekoľko rokov po objavení nukleovej kyseliny odfotografuje DNA náhodne pomocou röntgenového žiarenia pri skúmaní štruktúry kryštálov.
V roku 1953 bola daná presná definícia princípu reprodukcie života u všetkých druhov.

Pozornosť! Odkedy bola dvojitá špirála DNA prvýkrát predstavená verejnosti, došlo k mnohým objavom, ktoré poskytujú pohľad na povahu DNA a jej fungovanie.

mužom ktorý objavil gén Gregor Mendel je považovaný za prvého, kto objavil určité zákonitosti v dedičnom reťazci.

Ale dekódovanie ľudskej DNA bolo založené na objave iného vedca, Fredericka Sangera, ktorý vyvinul metódy na čítanie sekvencií proteínových aminokyselín a sekvenciu samotnej konštrukcie DNA.

Vďaka práci mnohých vedcov za posledné tri storočia sa podarilo objasniť formovacie procesy, znaky a koľko génov je v ľudskom genóme.

V roku 1990 to začalo medzinárodný projektĽudský genóm v réžii Jamesa Watsona. Jeho cieľom bolo zistiť, v akom poradí sú usporiadané nukleotidy v DNA a identifikovať asi 25 000 génov u ľudí. Vďaka tomuto projektu mal človek úplne pochopiť tvorbu DNA a umiestnenie všetkých jej častí, ako aj mechanizmus konštrukcie génov.

Je potrebné objasniť, že program si nekladie za cieľ určiť celú sekvenciu nukleových kyselín v bunkách, ale iba niektoré oblasti. Začalo to v roku 1990, ale až v roku 2000 bol vydaný návrh diela a celá štúdia dokončené - v roku 2003. Sekvenčný výskum stále prebieha a 8 % heterochromatických oblastí je stále neidentifikovaných.

Ciele a ciele

Ako každý vedecký projekt, aj ľudský genóm si stanovil špecifické ciele a zámery. Pôvodne vedci zamýšľali identifikovať sekvencie s 3 miliardami nukleotidov alebo viac. Potom samostatné skupiny výskumníkov vyjadrili želanie súčasne určiť sekvenciu biopolymérov, ktoré môžu byť aminokyseliny alebo nukleotidy. Nakoniec hlavné ciele projektu vyzeral takto:

Vytvorte mapu genómu;
Vytvorte mapu ľudských chromozómov;
Identifikujte sekvenciu tvorby polypeptidov;
Vytvorte metodiku na ukladanie a analýzu zozbieraných informácií;
Vytvorte technológiu, ktorá pomôže dosiahnuť všetky vyššie uvedené ciele.

V tomto zozname úloh chýba nemenej dôležitá, no nie až taká samozrejmá úloha – štúdium etických, právnych a sociálnych dôsledkov takéhoto výskumu. Otázka dedičnosti môže spôsobiť nezhody medzi ľuďmi a viesť k vážnym konfliktom, takže vedci si dali za cieľ objaviť riešenia týchto konfliktov skôr, ako k nim dôjde.

Úspechy

Dedičné sekvencie sú jedinečný fenomén, ktorý je v tej či onej podobe pozorovaný v tele každého človeka.

Projekt dosiahol všetky svoje ciele skôr, ako výskumníci očakávali. Do konca projektu rozlúštili asi 99,99 % DNA, hoci vedci si dali za úlohu sekvenovať len 95 % údajov. . Dnes, napriek úspechu projektu, stále existujú neprebádané oblasti deoxyribonukleové kyseliny.

Výsledkom výskumnej práce bolo zistenie, koľko génov je v ľudskom tele (asi 20-25 tisíc génov v genóme) a všetky boli charakterizované:

množstvo;
umiestnenie;
štrukturálne a funkčné vlastnosti.

Ľudský genóm - výskum, dekódovanie

Dekódovanie ľudského genómu

Záver

Všetky údaje budú podrobne prezentované v genetickej mape ľudského tela. Realizácia takéhoto komplexného vedeckého projektu poskytla nielen obrovské teoretické poznatky pre základné vedy, ale mala aj neuveriteľný vplyv na samotné chápanie dedičnosti. To zase nemohlo ovplyvniť procesy prevencie a liečby dedičných chorôb.

Zistenia vedcov pomohli urýchliť ďalší molekulárny výskum a prispeli k nemu efektívne hľadanie genetického základu pri dedičných chorobách a predispozícii k nim. Výsledky môžu ovplyvniť objavenie vhodných liekov na prevenciu mnohých chorôb: aterosklerózy, srdcovej ischémie, duševných chorôb a rakoviny.

Stanovenie ľudského genómu. Čo je ľudský genóm: dekódovanie

Literatúra