Геномика - изучение всего генома

Последние достижения в области секвенирова-ния и развитие технических средств для обработки большого количества клонов в библиотеке генов позволили ученым исследовать сразу весь геном организма. Сейчас определены полные последовательности многих видов, в том числе большинства так называемых модельных генетических организмов, таких как Е. coli; круглого червя Caenorhabditis elegans; и, конечно, классического объекта генетики, плодовой мушки Drosophila melanogaster. В 1990-х годах, несмотря на ряд неурядиц и разногласий, был начат проект по исследованию человеческого генома («Геном человека»), средства на который выделил Национальный институт здоровья. В феврале 2001 года большая группа исследователей во главе с Дж. Крэй-гом Вентером из частной лаборатории «Селера Дже-номикс» сделали заявление о предварительной расшифровке человеческого генома. Результат их работы был опубликован 16 февраля 2001 года в журнале «Science».

Другая версия, которую представила группа из Международного консорциума по секвенированию человеческого генома, была напечатана 13 февраля 2001 года в журнале «Nature».

Временем зарождения геномики можно считать середину XX века, когда генетики составили карты всех хромосом модельных организмов, основываясь на частоте рекомбинаций (см. гл. 8). Однако на этих картах были показаны лишь те гены, для которых были известны мутантные аллели, и поэтому полными такие карты назвать нельзя. Полное сек-венирование ДНК позволяет выявить местонахождение всех генов организма, а также установить последовательность оснований между ними.

Геномика делится на структурную и функциональную. Структурная геномика ставит целью выяснить, где именно в хромосомной ДНК расположены те или иные гены. Компьютерные программы распознают типичные для генов начала и концы, отбирая те последовательности, которые, вероятнее всего, и являются генами. Такие последовательности называют открытой рамкой считывания (open reading frame, OFR). Те же компьютерные программы могут опознавать и типичные интроны в OFR-nocледовательностях. После того как интроны из потенциального гена вычленены, по оставшемуся коду компьютер определяет последовательность аминокислот в белке. Затем эти потенциальные белки сравнивают с теми белками, функции которых уже известны и последовательности которых уже занесены в базу данных. Благодаря такому роду программ был установлен так называемый эволюционный консерватизм: то, что для большинства генов в разных организмах имеются схожие гены. С позиций эволюционного развития такое сходство объяснимо: если белок какого-то одного биологического вида хорошо приспособлен для своих функций, то его ген передается в том же виде или с небольшими изменениями к видам, происходящим от начального. Эволюционный консерватизм позволяет опознавать гены, родственные данному гену в других организмах. Сравнив полученный ген с уже известными, зачастую можно определить и его функцию, обязательно проверив ее в последующих экспериментах.

После определения всех потенциальных генов приступают к составлению генетической карты. Генетическая карта человека - довольно запутанная и пестрая диаграмма, так как каждый ген отмечают определенным цветом в зависимости от его функции, устанавливаемой в сравнении с другими известными генами. Большинство генов человека, как и вообще гены всех эукариот, имеют большие интроны. По приблизительным оценкам, среди опубликованных последовательностей около трети или четверти приходится на интроны. Любопытно, что только около 1,5% всего генома человека (около 2,9 х 10 9 пар оснований) содержат последовательности (экзоны), кодирующие белки. Кроме того, похоже, что эта ДНК содержит только 35 000-45 000 генов, а это меньше предсказанного. Нам еще предстоит понять, как относительно малое количество генов кодирует такой сложный организм.

Количество копий повторяющейся ДНК у разных людей неодинаково, поэтому их можно использовать для установления личности, в том числе и в судебной медицине.

Функциональная геномика - это исследование функций генов на уровне всего генома. Хотя потенциальные гены можно определить по сходству с генами, выполняющими известные функции в других организмах, все догадки следует проверять на примере изучаемого организма. В некоторых модельных организмах, например в пищевых дрожжах, можно систематически отключать функцию генов по очереди. Выключение гена происходит посредством замены его функциональной формы стертой формой на особом векторе. Затем получают штамм с выключенным геном и оценивают его фенотип. В ходе продолжающейся программы по анализу генома пищевых дрожжей по очереди было выключено несколько тысяч генов.

Другой метод функциональной геномики заключается в том, что изучают механизм транскрипции на уровне всего генома. Данный метод основан на предположении, что большинство биологических явлений представляют собой сложные процессы с участием многих генов. Особый интерес у исследователей вызывают процессы, связанные с развитием организма, о которых мы упоминали в гл. 11. Если транскрипцию генов изучать в разных условиях роста, то можно составить представление о полных генетических путях развития организма.

Но как можно изучать транскрипцию на уровне всего генома? Опять-таки в этом ученым помогают новые технологии. ДНК каждого гена в геноме или некоторой части генома помещают на поверхности небольших стеклянных пластин, расположенных по порядку. Потом их подвергают воздействию со стороны всех видов мРНК, обнаруженных в клетке данного организма. ДНК на пластинках получают двумя способами. При одном способе все мРНК подвергаются обратной транскрипции, чтобы получить короткие комплементарные молекулы ДНК, соответствующие одному гену. При другом способе гены (или части генов) синтезируются по одному основанию за раз на определенных участках пластин. Синтез осуществляют роботы, открывающие и закрывающие поверхность стекла в определенном порядке. Пластинки с геномом многих организмов можно приобрести в химических компаниях.

Исследования пространственной конфигурации ДНК в хромосомах выявили неожиданные, раннее не известные причины возникновения тяжелых заболеваний человека.

Возникновение трехмерной геномики

На протяжении десятков лет, прошедших с момента доказательства генетической функции ДНК в сороковых годах прошлого века, неизменными оставались представления о том, что мерой расстояния между любыми участками генома является протяженность разделяющей их цепочки ДНК. Сегодня мы знаем, что способность ДНК образовывать петли и другие сложные структуры дает возможность генам и элементам генома, управляющим их работой (энхансерам), оказываться поблизости друг от друга в пространстве клеточного ядра даже в том случае, если они разделены протяженным фрагментом ДНК (рис. 1).

В последние годы появились новые подходы, позволяющие изучать укладку геномной ДНК в клеточном ядре. Это положило начало развитию научного направления, которое мы называем 3D-геномикой. С использованием этих подходов было показано, что хромосомы разделены на структурно-функциональные блоки - топологически-ассоциированные домены (ТАДы). Участки генома из одного ТАДа контактируют друг с другом гораздо чаще, чем с участками из соседних ТАДов. Это позволяет представить ТАДы в виде относительно плотных клубков нити ДНК. Результаты многих экспериментов показывают, что энхансер может активировать только гены, расположенные внутри того ТАДа, где находится его энхансер.

Таким образом, ТАДы играют важную роль в управлении активностью генов. Удаление или повреждение участка ДНК, разделяющего соседние ТАДы, приводит к тому, что энхансер получает возможность активировать гены, которые в норме в данном типе клеток не работают, что может стать причиной возникновения тяжелых заболеваний, таких как рак, нарушения формирования половых признаков и сбои в развитии эмбриона (рис. 2).

Где проходят границы между ТАДами

Но что обеспечивает разделение генома на ТАДы? В решение этой проблемы существенный вклад внесла работа нашей лаборатории. Мы обнаружили, что организация геномной ДНК в ТАДы происходит в значительной мере самопроизвольно и регулируется простыми физическими законами. Наша работа была опубликована в престижном международном журнале Genome Research (Sergey V. Ulianov et al. Active chromatin and transcription play a key role in chromosome partitioning into topologically associating domains // Genome Research , 2016, 26, p. 70–84, doi: 10.1101/gr.196006.115 ), о ней много говорилось в прессе и по телевидению.

Суть полученных нами результатов заключается в том, что границами ТАДов являются участки генома, содержащие гены «домашнего хозяйства», то есть гены, которые работают во всех типах клеток и необходимы для поддержания базовых клеточных процессов. В силу ряда особенностей такие участки генома не могут сворачиваться в плотные глобулы, тем самым создавая «разметку» границ ТАДов в геноме.

Важно отметить, что помимо разнообразных биохимических техник мы использовали моделирование структуры генома на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов», и результаты этого моделирования ясно свидетельствуют о том, что укладка ДНК в индивидуальных клетках может достаточно сильно различаться (рис. 3).

От клеточных популяций к индивидуальным клеткам

В подавляющем большинстве случаев в молекулярно-биологических исследованиях приходится использовать сотни тысяч и даже миллионы клеток в каждом эксперименте. Это связано с тем, что в одной клетке очень мало исследуемых молекул, и это крайне затрудняет работу с ними.

Например, количество геномной ДНК в одной клетке человека примерно в сто тысяч миллионов раз меньше одного грамма. Работа с большим количеством клеток приводит к тому, что получаемые в эксперименте результаты, как правило, позволяют установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии. В известном смысле полученную информацию можно уподобить «средней температуре» пациентов по больнице.

Работа с большим количеством клеток, как правило, позволяет установить средние, наиболее типичные значения тех или иных параметров клеточной физиологии, вроде «средней температуры» пациентов по больнице

Безусловно, результаты исследований клеточных популяций позволили установить много важных закономерностей. Однако хорошо известно, что клетки одного типа, выглядящие под микроскопом совершенно одинаково, могут различаться по множеству разных биохимических параметров. Исследования работы генома в одной отдельно взятой клетке становятся «трендом времени» и уже внесли значительный вклад в понимание того, как осуществляется тонкая настройка работы нашего генома. Такие исследования влияют и на развитие медицины, поскольку, например, события, происходящие в очень малой доле клеток, могут давать старт развитию опухолей. При изучении больших клеточных популяций такие события часто остаются незамеченными.

В совместной работе с австрийскими и американскими коллегами мы разработали новый экспериментальный подход, позволяющий анализировать укладку генома в индивидуальных клетках. С использованием этого подхода нам удалось построить существенно более детализированные карты пространственной организации генома мыши, чем в предшествующей работе английских коллег. Анализ полученных данных, недавно опубликованный в журнале Nature (Ilya M. Flyamer et al. Single-nucleus Hi-C reveals unique chromatin reorganization at oocyte-to-zygote transition // Nature , 544, p. 110–114, doi: 10.1038/nature21711 ), предоставил веские доказательства того, что укладка генома существенно различается в индивидуальных клетках (рис. 4). По нашему мнению, это свидетельствует о том, что в клетке происходит постоянный перебор различных геномных конфигураций - а это обеспечивает возможность быстрой адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.

Хотя в большинстве случаев проще изучать клеточную популяцию, чем индивидуальные клетки, для некоторых типов клеток популяционный подход вообще невозможно использовать, потому что эти клетки являются, что называется, штучным товаром. С использованием разработанного нами экспериментального подхода нам удалось изучить укладку отцовского и материнского геномов в оплодотворенных яйцеклетках (зиготах) мыши.

Совершенно неожиданно для себя мы обнаружили, что укладка геномной ДНК в материнском ядре в зиготе принципиально отличается от укладки генома в ядрах любого другого типа клеток. В ядрах всех прочих исследованных клеточных типов активные и «молчащие» области генома пространственно обособлены друг от друга. В материнском ядре зиготы же, напротив, этого не наблюдается. Наши результаты позволяют предположить, что конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой, соответствующей так называемому состоянию тотипотентности, позволяющему в ходе эмбрионального развития из одной зиготы получить множество разных клеточных типов взрослого организма.

Пространственная конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой и позволяет из одной оплодотворенной яйцеклетки получить множество разных типов клеток взрослого организма

3D-геномика и медицина

Обсуждая новости молекулярной биологии, как правило, говорят о «геноме человека», или «геномной ДНК человека», или просто о ДНК. Но важно помнить, что в ядрах клеток нашего организма в норме содержится 23 разных молекулы ДНК, каждая из которых формирует отдельную хромосому, а все вместе они называются геномом.

Каждая хромосома уложена определенным, уникальным для нее способом и располагается в ядре клетки так, что территория, ею занимаемая, практически не пересекается с территориями соседних хромосом. В этом смысле ядро клетки напоминает земной шар, на котором есть много государств, занимающих определенные территории и разделенные границами.

История знает множество примеров того, как события в одном государстве напрямую влияли на жизнь в соседних странах и на мировую политику в целом. В ядре клетки ситуация примерно такая же. Любые изменения в работе генома, будь то запуск или подавление экспрессии отдельных генов, или появление лишних копий тех или иных хромосом, могут повлиять на работу генов, напрямую не затронутых этими изменениями и расположенных в других хромосомах-государствах.

В качестве примера можно указать на результаты работы, которую мы выполнили с нашими французскими коллегами из Института Гюстава Русси. Результаты этой работы были опубликованы в престижном гематологическом журнале Blood (Jeanne Allinne et al. Perinucleolar relocalization and nucleolin as crucial events in the transcriptional activation of key genes in mantle cell lymphoma // Blood , V. 123, 13, p. 2044–2053, doi: 10.1182/blood-2013-06-510511 ). Мы убедительно продемонстрировали, что простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может быть причиной его активации в клетках, где в норме он не работает. Это запускает целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза, первопричины которого было бы сложно понять без учета пространственной структуры генома.

Простое перемещение определенного гена из одной области ядра в другую может запустить целый каскад процессов, который в конечном итоге ведет к развитию лейкоза

Важно отметить, что раскрытие принципиально нового механизма возникновения лейкозов создает базис для разработки путей борьбы с этими заболеваниями. Таким образом, исследования укладки геномной ДНК в ядре представляют интерес не только для фундаментальной науки, но и для медицины, способствуя более глубокому пониманию механизмов возникновения различных патологий.

Эволюция 3D-организации генома

Поскольку трехмерная организация генома является одним из инструментов регуляции экспрессии генов, она должна быть объектом эволюции. В недавно выполненной в нашей лаборатории работе, результаты которой опубликованы в высокорейтинговом международном журнале (Anastasia P. Kovina et al. Evolution of the Genome 3D Organization: Comparison of Fused and Segregated Globin Gene Clusters // Molecular Biology and Evolution , V. 34, 6, p. 1492–1504, doi: 10.1093/molbev/msx100 ), мы показали, что это действительно так.

На примере эволюции кластеров глобиновых генов позвоночных животных мы продемонстрировали, что по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются (рис. 5).

Скорее всего, это связано с тем, что у млекопитающих существенно возрастает роль удаленных энхансеров в регуляции активности генов. Установление контактов между такими энхансерами и подконтрольными им генами обеспечивается за счет образования петель ДНК, что и приводит к образованию глобул.

У позвоночных животных по мере их продвижения по эволюционной лестнице происходит утрата линейных сегментов хромосом, тогда как сегменты, организованные в глобулы (клубки), сохраняются

Заключительные заметки

В последние годы отечественную науку часто и во многих случаях обоснованно критикуют за низкую продуктивность и отсутствие работ международного уровня. Выше мы показали, как одна сравнительно небольшая отечественная лаборатория успешно работает на переднем крае мировой науки, систематически публикуя результаты своей работы в наиболее престижных международных журналах.

Выполнение всех перечисленных выше работ стало возможным благодаря большому гранту Российского научного фонда. Значение такой поддержки трудно переоценить не только потому, что она обеспечивает возможность выполнения дорогостоящих работ, таких как массированное секвенирование ДНК. Но еще важнее то, что такие гранты обеспечивают возможность привлечения к работе молодых исследователей, предоставляя разумную альтернативу отъезду за рубеж. По крайней мере в экспериментальной биологии адресная поддержка коллективов, работающих на мировом уровне (о чем можно судить по наличию публикаций в рейтинговых международных журналах), является, на наш взгляд, наиболее прямым путем к возрождению науки в нашей стране.

Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными.

Мишель де Монтень

То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым.

Как уже говорилось, сравнительный метод служит традиционным подходом в старых классических областях биологии (анатомия, эмбриология, цитология). Так, еще Дарвин свою точку зрения о происхождении человека обосновывал с помощью сравнительно-эволюционного метода, указывающего на многочисленное сходство в анатомии и физиологии человека и обезьян.

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике — сравнительная геномика — сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans , а также мыши — и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц — сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene — ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», — заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген — это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Какими бы уникальными мы не казались сами себе, в нашей ДНК есть довольно много сходства не только с обезьянами и мышами, но даже с маленьким червем C. elegans и мухой дрозофилой. Можно удивляться, но у нас около 50 % генов сходны с таковыми у червя. У человека и мыши еще больше одинаковых генов, хотя в эволюции человек и мышь разошлись уже около 100 миллионов лет назад. В геноме человека на сегодняшний день обнаружено лишь около 300 генов, которых нет у мыши, а общее их число примерно одинаковое. Таким образом, около 99 % генов человека соответствуют генам мыши, причем примерно 80 % из них почти полностью идентичны. Кроме того, до 90 % генов, ответственных за возникновение различных заболеваний, у человека и мыши сходны. Есть, разумеется, и небольшие различия. Так, у мыши гораздо больше генов, отвечающих за обоняние.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5 %! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот — шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Сравнения последовательностей ДНК человека с ДНК других организмов уже оказалось очень плодотворным методом поиска новых функционально важных последовательностей в геноме человека. Такой подход был использован и продолжает использоваться для выявления у человека новых белок-кодирующих и не кодирующих белок генов, а также для идентификации потенциальных регуляторных элементов и выяснения механизмов функционировании разных генных наборов. Для этой цели сейчас уже созданы специальные компьютерные программы, позволяющие «вылавливать» в разных геномах эволюционно консервативные области. Все это принципиально важно, поскольку, как уже подчеркивалось выше, мы не можем ставить генетические эксперименты на человеке, но, благодаря сравнительному методу, имеем возможность интерполировать на человека результаты, которые получаются при молекулярно-генетических исследованиях, проводимых на животных.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR-1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы — тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Важно отметить, что когда мы изучаем геном человека, то фактически мы познаем весь живой мир. Геном человека устроен необычайно сложно. Геномы животных и растений чаще всего значительно проще. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет очень легко от него перейти к изучению простого. А это сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных.

Сравнительная геномика дала ученым новый подход к пониманию вроде бы навсегда скрытого во мраке веков процесса эволюции и его механизмов. Так, например, проведенные сравнения геномов разных видов животных и человека показали наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них заключается в увеличении количества интронов в процессе эволюционного развития у человека, то есть эволюция как бы сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интроны). Проведенные исследования позволяют считают, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством умножения разнообразия их генов, сколько путем постепенного копирования, модификации и комбинации уже существующих генов, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Специфика и разнообразие строения и функционирования генетического аппарата велики даже среди эукариот. В то же время существует множество общих принципов и механизмов, и результаты их изучения на одних объектах часто с успехом могут переноситься на другие, включая и человека.

Весьма интересные результаты были получены, в частности, при сравнении распределения по хромосомам сходных последовательностей ДНК человека и других животных. Приведем лишь один пример. Как уже указывалось, между геномами человека и мыши имеется большое сходство. На рис. 37 на цветной вклейке изображено расположение в разных хромосомах мыши сходных сегментов отдельных хромосом человека. Глядя на этот рисунок, мы можем увидеть, что участки одних и тех же хромосом человека распределены во множестве хромосом мыши. Это справедливо и наоборот. А что это значит? Это говорит нам о тех путях, по которым шла эволюция млекопитающих (ведь мышь и человек млекопитающие). Тщательно проанализировав картину, изображенную на рис. 37, ученые установили, что на границах разных участков ДНК мыши, которые обнаруживаются в составе ДНК человека, содержатся различные подвижные генетические элементы, тандемные повторы и другие «горячие точки», по которым, вероятно, и шла перестройка (рекомбинация) в ходе многовекового процесса эволюции животных организмов.

Рис. 37 . Генетическое сходство (гомология) хромосом человека и мыши. Разными цветами и номерами на хромосомах мыши отмечены нуклеотидные последовательности человеческих хромосом, содержащие сходные сегмент.

Сравнительная геномика показала, что гены, одинаковые по эволюционному происхождению и выполняемой функции (гомологичные), часто оказываются сцепленными с одними и теми же гомологичными генами у разных видов. На основании этого предсказывают вероятный район локализации генов у одних видов, если известно, с какими генами они сцеплены у других, т. е. проводят «сравнительное картирование». Все это важно в связи с тем, что правила чисел и относительное положение генов на хромосоме не всегда предопределяют законы их функционирования. Так, белковый состав многих специализированных клеток мыши, крысы и человека выглядит похожим, хотя сами гены разбросаны на хромосомах по-разному.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления — эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Благодаря использованию методов и подходов сравнительной и эволюционной геномики уже получены сенсационные результаты, касающиеся такого сложного и интересного вопроса, как происхождение человека и эволюция его генома. Подробнее об этом и пойдет речь в следующей части книги.

| |
Немного фактов на грани с фантастикой Часть III. Происхождение и эволюция генома человека

Геномикой принято называть одну из ветвей молекулярной биологии. Ее основная задача заключена в так называемом секвенировании геномов - изучении нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК. Не нужно путать слова генетика и геномика. Генетика занимается изучением механизмов наследственности и изменчивости и, а геномика призвана применять на практике полученные знания.

Из истории науки

Как особое направление, геномика сформировалась в 1980-1990 годах наряду с появлением первых проектов по секвенированию (молекулярного анализа) геномов отдельных видов живых организмов.

Структура геномики

В современной геномике бытует множество подразделов:

• сравнительная или эволюционная геномика, она основывается на сравнении организации и содержимого геномов всевозможных живых организмов;
• функциональная геномика - детально изучает функции генов, их воздействие на активность генов;
• структурная геномика занимается секвенированием, молекулярным анализом ДНК, на основе которого создаются и могут сравниваться геномные карты.

Зачем нужна геномика

Большое количество геномов разнообразных микроорганизмов (в основном, патогенных) удалось расшифровать. Это позволяет изыскивать здесь гены-мишени лекарств и изготовлять новые лекарственные препараты.

Геномику воспринимают, как необъемлемую, необходимую часть общей биологии. Она способна вносить свой немалый вклад в развитие биотехнологии, сельского хозяйства, здравоохранения.

В одной из больниц Висконсина малыш в возрасте трех лет длительное время ставил врачей в тупик. У этого ребенка кишечник отек, был практически полностью пронизан абсцессами. Этот ребенок к трем годам пережил больше ста хирургических операций. Малышу привели полный сиквенс кодирующих участков его ДНК, выявили виновника заболевания – белок XIAP, который участвует в сигнальных цепях запрограммированной клеточной смерти, играет очень важную роль в иммунной системе. Благодаря постановке диагноза физиологи рекомендовали провести трансплантацию костного мозга. Малыша удалось спасти.

Еще один случай был связан с нетипичной раковой болезнью у тридцати девятилетней женщины, которая страдала от острой формы промиелоцитарной лейкемии. При проведении стандартных методов диагностики заболевание выявить не удавалось. Но при выполнении расшифровки и анализа генома раковых клеток удалось выяснить, что крупный участок пятнадцатой хромосомы переместился на семнадцатую, что провоцировало определенное генное взаимодействие. Больной назначили адекватное лечение.

Кафедра медицинской биологии и генетики

Геном. Геномика.

Казань, 2005

Рассматриваемые вопросы

1. Введение в геномику.

1.2. Разделы геномики

1.3. Этапы развития геномики.

2. Организация генома человека. Явление полиморфизма.

2.1. Уникальные гены.

2.2. Семейство генов.

2.3. Регуляторные зоны.

2.4. Повторы.

2.5. Транспозоны.

2.5.1. Биологическое значение транспозируемых элементов.

3. Явление полиморфизма.

1. Введение в геномику.

1.1. Определение генома и геномики.

Прежде всего, определим понятие «геном». Существует несколько определений генома. В энциклопедическом словаре «Генетика» Н.А.Картель и др. даётся два определения генома. Во-первых, под геномом понимают совокупность гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. И, во-вторых, - это весь генетический материал отдельного вируса, клетки или организма не являющегося аллоплоидным. В нашем изложении мы будем исходить из того, что геном клетки это вся совокупность ДНК, находящаяся в ядре и митохондриях (пластидах) этой клетки или организма. Такое определение часто используется в работах связанных с изучением генома.

Строение и функцию генома изучает специальная наука – геномика .

Успехи в изучении генома человека стали наиболее ощутимы в связи с разработкой и последующем выполнением международного проекта «Геном человека». Этот международный проект объединил усилия сотен учёных из разных стран и осуществлялся с 1989 г по 2005 г. Главные направления проекта – картирование генов (определение локализации генов в хромосомах) и секвенирование ДНК или РНК (порядок расположения в ДНК или РНК нуклеотидов). Инициатором этого движения с самого начала стал лауреат Нобелевской премии учёный Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом стал академик Баев А.А. На проект было затрачено свыше 6 млрд долларов. Материальные затраты России были настолько скромными, что их не учитывают при общем подсчёте издержек. Несмотря на это российские учёные проводили исследования по картированию 3,4,13 и 19 хромосоме. Проект позволил полностью расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме человека. Фактически это был первый этап – структурный. Второй этап, который назвали функциональный, будет связан с расшифровкой функции гена. Полученные результаты в области исследования генома легли в основы выпущенного в США Ч. Кэнтором и К. Смит в 2000 году первого учебника для ВУЗов «Геномика».

1.2. Разделы геномики

Геномика подразделяется на пять самостоятельных разделов.

Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геноме, определяет границы и строение генов, межгенных участков, промоторов, энхансеров и др., т.е. фактически принимает участие в составлениигенетических карты организма. Подсчитано, что геном человека состоит из3,2 млрд нуклеотидов.

Функциональная геномика идентифицирует функцию каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Одна из важнейших задач геномики создать, так называемую«генную сеть» - взаимосвязанную работу генов. Например, генная сеть системы кроветворения включает в себя работу не менее 500 генов. Они не только взаимосвязаны между собой, но связаны и с другими генами.

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов.

Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. В применении к человеку, также как и к любому организму, можно сказать, что эволюция человека – это эволюция генома.

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов.

Геномика человека является основой молекулярной медицины и её достижения используются при разработке эффективных методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и не наследственных заболеваний. Если раньше предполагали, что наследственная патология, связана с определёнными генами или регуляторными зонами, то сейчас, всё большее внимание привлекают нуклеотидные последовательности, располагающиеся в межгенных промежутках. Они долгое время считались «молчащими». В настоящее время накапливается всё больше сведений об их влиянии на экспрессию генов.

Исследования в области генома ещё раз подтвердили необходимость индивидуального подхода к профилактике и лечению заболеваний. Значительный интерес представляют для медицины исследования связанные с составлением «генной сети» - схем взаимодействия генов между собой на уровне белковых продуктов. Эти исследования способствовали созданию в рамках геномики новой науки – протеомики , которая изучает белковый пейзаж клетки в различных режимах функционирования генов. Полученные результаты однозначно показывают целесообразность индивидуального подхода к лечению заболевания. Сейчас протеомика – самостоятельная наука, тесно связанная с геномикой.

В этой связи следует подчеркнуть, что тезис «лечить не болезнь, а больного» получил существенное подтверждение в многочисленных исследованиях генома и белков. Основываясь на них приоритетность этого положения в медицинской практике перестала вызывать сомнения.

Главная » Английский алфавит » Этапы развития геномики. Все познается в сравнении (сравнительная геномика)