Когда начался международный проект по расшифровке генома человека: Проект «Геном человека»: десять лет спустя

Содержание

Проект «Геном человека»: десять лет спустя

Дина Мясникова,
обозреватель журнала «Экология и жизнь»
«Экология и жизнь» №12, 2010

Проект «Геном человека» является наиболее амбициозной биологической исследовательской программой за всю историю науки. Знание генома человека внесет неоценимый вклад в развитие медицины и биологии человека. Исследования человеческого генома так же необходимо человечеству, как когда-то было необходимо знание человеческой анатомии. Осознание этого пришло в 1980-х, и это привело к тому, что появился проект «Геном человека». В 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А. А. Баев (1904–1994). С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Вклад России в международное сотрудничество признан в мире: 70 отечественных исследователей являются членами HUGO.

Итак, прошло 10 лет с того времени, когда проект «Геном человека» был завершен. Есть повод вспомнить, как это было…

В 1990 г. при поддержке министерства энергетики США, а также Великобритании, Франции, Японии, Китая и Германии, был запущен этот трехмиллиардный проект. Возглавил его д-р Фрэнсис Коллинз, глава International Human Genome Sequencing Consortium. Целями проекта являлись:

  • идентификация 20 000–25 000 генов ДНК;
  • определение последовательности 3 млрд. пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и сохранение этой информации в базе данных;
  • усовершенствование приборов для анализа данных;
  • внедрение новейших технологий в область частного использования;
  • исследование этических, правовых и социальных вопросов, возникающих при расшифровке генома.

В 1998 г. аналогичный проект был запущен д-ром Крейгом Вентером и его фирмой «Celera Genomics». Д-р Вентер поставил перед своей командой задачу более быстрого и дешевого секвенирования человеческого генома (в отличие от трехмиллиардного международного проекта, бюджет проекта д-ра Вентера ограничивался 300 млн долл.). Кроме того, фирма «

Celera Genomics» не собиралась открывать доступ к своим результатам.

6 июня 2000 г. президент США и премьер-министр Великобритании объявили о расшифровке человеческого генетического кода, и таким образом соревнование закончилось. На самом деле, был опубликован рабочий черновик человеческого генома, и лишь к 2003 г. он был расшифрован практически полностью, хотя и сегодня все еще проводят дополнительный анализ некоторых участков генома.

Тогда умы ученых были взбудоражены необыкновенными возможностями: новые, действующие на генетическом уровне лекарства, а значит, не за горами создание «персональной медицины», настроенной точно под генетический характер каждого отдельно взятого человека. Существовали, конечно, и опасения, что может быть создано генетически зависимое общество, в котором людей буду делить на высшие и низшие классы по их ДНК и соответственно ограничивать их возможности. Но все же была надежда, что этот проект окажется столь же прибыльным, сколь и Интернет.

И вдруг все затихло… надежды не оправдались… казалось, что 3 млрд долл., вложенных в эту затею, выброшены на ветер.

Нет, не совсем так. Быть может, полученные результаты не столь грандиозны, как предполагалось во времена зарождения проекта, но они позволят достичь в будущем значительных успехов в различных областях биологии и медицины.

В результате исполнения проекта «Геном человека» был создан открытый банк генокода. Общедоступность полученной информации позволила многим исследователям ускорить свою работу. Ф. Коллинз привел в качестве иллюстрации такой пример: «Поиск гена фиброзно-кистозной дегенерации был успешно завершен в 1989 г., что стало результатом нескольких лет исследований моей лаборатории и еще нескольких других и стоило США около 50 млн долл. Сейчас это способен сделать смышленый выпускник университета за несколько дней, и все, что ему понадобится, — это Интернет, несколько недорогих реактивов, термоциклический аппарат для увеличения специфичности сегментов ДНК и доступ к ДНК-секвенатору, читающему ее по световым сигналам».

Еще один важный результат проекта — дополнение истории человека. Раньше все данные об эволюции были почерпнуты из археологических находок, а расшифровка генокода не только дала возможность подтвердить теории археологов, но в будущем позволит точнее узнать историю эволюции как человека, так и биоты в целом. Как предполагается, анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов сможет открыть новые пути в исследовании теории эволюции, и во многих случаях вопросы эволюции теперь можно будет ставить в терминах молекулярной биологии. Такие важнейшие вехи в истории эволюции, как появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных, можно будет проследить на молекулярном уровне. Ожидается, что это позволит пролить свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами: приматами, неандертальцем (чей генокод недавно был реконструирован из 1,3 млрд фрагментов, подвергавшихся тысячелетнему разложению и загрязненных генетическими следами археологов, державших в руках останки этого существа), а также и всеми млекопитающими, и ответить на вопросы: какой же ген делает нас

Homo sapiens, какие гены отвечают за наши поразительные таланты? Таким образом, поняв, как прочитать информацию о нас в генокоде, мы сможем узнать, как гены влияют на физические и умственные характеристики и даже на наше поведение. Возможно, в будущем, посмотрев на генетический код, можно будет не только предсказать, как будет выглядеть человек, но и, к примеру, будет ли у него актерский талант. Хотя, естественно, никогда нельзя будет это определить со 100%-ной точностью.

Кроме того, межвидовое сравнение покажет, чем отличается один вид от другого, как они разошлись на эволюционном древе. Межпопуляционное сравнение покажет, как этот вид эволюционирует. Сравнение ДНК отдельных особей внутри популяции покажет, чем объясняется различие особей одного вида, одной популяции. Наконец, сравнение ДНК различных клеток внутри одного организма поможет понять, как происходит дифференцирование тканей, как они развиваются и что идет не так в случае заболеваний, таких например, как рак.

Вскоре после расшифровки большей части генокода в 2003 г., ученые обнаружили, что существует гораздо меньше генов, чем они ожидали, но впоследствии убедились в противоположном. Традиционно ген определяли как участок ДНК, который кодирует белок. Однако, расшифровывая генокод, ученые выяснили, что 98,5% участков ДНК не кодируют белки, и назвали эту часть ДНК «бесполезной». И выяснилось, что эти 98,5% участков ДНК имеют едва ли не большее значение: именно эта часть ДНК отвечает за ее функционирование. Например, определенные участки ДНК содержат инструкции для получения похожих на ДНК, но небелковых молекул, так называемых двухцепочечных РНК. Эти молекулы являются частью молекулярно-генетического механизма, контролирующего активность гена (РНК-интерференция). Некоторые двухцепочечные РНК могут подавлять гены, препятствуя синтезу их белковых продуктов. Таким образом, если данные участки ДНК также считать генами, то их количество удвоится. В итоге исследования изменилось само представление о генах, и сейчас ученые считают, что ген — это единица наследственности, которую нельзя понимать как просто участок ДНК, кодирующий белки.

Можно сказать, что химический состав клетки — ее «хард», а информация, закодированная в ДНК, — предварительно загруженный «софт». Никто раньше и не предполагал, что клетка является чем-то большим, чем просто совокупностью составных частей, и что для ее построения недостаточно закодированной в ДНК информации, что столь же важным является процесс саморегулирования генома — и путем сообщения между соседними генами, и путем воздействия других молекул клетки.

Открытый доступ к информации позволит объединить опыт врачей, информацию о патологических случаях, результаты многолетнего изучения отдельных особей, и потому станет возможным соотнести генетическую информацию с данными анатомии, физиологии, поведения человека. И уже это сможет привести к лучшей медицинской диагностике и прогрессу в лечении.

Например, исследователь, изучающий определенную форму рака, сможет сузить круг поиска до одного гена. Сверив свои данные с данными открытой базы генома человека, он сможет проверить, что другие написали об этом гене, включая (потенциально) трехмерную структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими генами человека или с генами мышей, дрожжей или дрозофилы, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела, в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном, или другие данные.

Более того, понимание хода заболевания на уровне молекулярной биологии позволит создать новые терапевтические методы. Учитывая, что ДНК играет огромную роль в молекулярной биологии, а также ее центральное значение в функционировании и принципах работы живых клеток, углубление знаний в этой области откроет путь для новых методов лечения и открытий в различных областях медицины.

Наконец, и «персональная медицина» теперь кажется уже более реальной задачей. Д-р Уиллс выразил надежду, что лечение заболеваний путем замены поврежденного участка ДНК нормальным станет возможным уже в следующее десятилетие. Сейчас проблемой, препятствующей развитию такого метода лечения, является то, что ученые не умеют доставлять ген в клетку. Пока единственный известный способ доставки — заражение животного вирусом с необходимыми генами, но это опасный вариант. Однако д-р Уиллс предполагает, что в скором времени в этом направлении будет совершен прорыв.

Сегодня уже существуют простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак молочной железы, нарушение свертываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и др. Такие заболевания, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, как было выяснено, связаны не с общими для всех, а с огромным количеством редких, практически индивидуальных мутаций (причем не в одном гене, а в нескольких; например, мышечную дистрофию Шарко-Мари-Тут может вызвать мутация 39 генов), в результате чего эти болезни трудно поддаются диагностике и воздействию медицинских препаратов. Именно это открытие является одним из камней преткновения «персональной медицины», поскольку, прочитав генокод человека, пока невозможно точно определить состояние его здоровья. Исследуя генокоды разных людей, ученые были разочарованы результатом. Около 2000 участков ДНК человека статистически относилось к «болезненным», которые при этом не всегда относились к работающим генам, т. е. не представляли угрозы. Похоже, что эволюция избавляется от мутаций, вызывающих болезнь, до того, как они станут общими.

Проводя исследования, группа ученых в Сиэтле обнаружила, что из всего человеческого генокода лишь 60 генов претерпевают спонтанную мутацию каждое поколение. При этом мутировавшие гены могут вызвать различные заболевания. Так, если у каждого из родителей было по одному «испорченному» и одному «неиспорченному» гену, то у детей болезнь может и не проявиться или проявится в очень слабой форме, если они получат один «испорченный» и один «неиспорченный» ген, но если ребенок унаследует оба «испорченных» гена, то это может привести к болезни. К тому же, поняв, что общечеловеческие болезни вызываются индивидуальным мутациями, ученые пришли к выводу, что необходимо исследовать полностью весь генокод человека, а не его отдельные участки.

Несмотря на все затруднения, уже созданы первые генетические лекарства против рака, которые блокируют эффекты генетических отклонений, приводящих к росту опухолей. Также недавно было одобрено лекарство компании «Amgen» от остеопороза, которое основывается на том, что болезнь вызывается гиперактивностью определенного гена. Последнее достижение — проведение анализа биологических жидкостей на присутствие мутации определенного гена для диагностики рака толстой кишки. Такой тест позволит избавить людей от неприятной процедуры колоноскопии.

Итак, привычная биология ушла в прошлое, наступил час новой эры науки: постгеномной биологии. Она полностью развенчала идею витализма, и хотя в него уже больше столетия не верил ни один биолог, новая биология не оставила места и для призраков.

Не только интеллектуальные озарения играют важную роль в науке. Такие технические прорывы, как телескоп в астрономии, микроскоп в биологии, спектроскоп в химии, приводят к неожиданным и замечательным открытиям. Похожую революцию в геномике производят сейчас мощные компьютеры и информация, содержащаяся в ДНК.

Закон Мура говорит о том, что компьютеры увеличивают свою мощность вдвое примерно каждые два года. Таким образом, за последнее десятилетие их мощность возросла более чем в 30 раз при постоянно снижающейся цене. В геномике пока нет имени для аналогичного закона, но его следовало бы назвать законом Эрика Лэндера — по имени главы Broad Institute (Cambridge, Massachusetts, крупнейший американский центр, занимающийся расшифровкой ДНК). Он подсчитал, что по сравнению с прошлым десятилетием цена расшифровки ДНК снизилась на сотни тысяч долларов. При расшифровке последовательности геномов в International Human Genome Sequencing Consortium использовали метод, разработанный еще в 1975 г. Ф. Сенджером, что заняло 13 лет и стоило 3 млрд долл. А значит, расшифровка генетического кода была под силу только мощным компаниям или центрам по исследованию генетической последовательности. Сейчас, используя последние устройства для расшифровки от фирмы «Illumina» (San Diego, California), человеческий геном может быть прочитан за 8 дней, и стоить это будет около 10 тыс. долл. Но и это не предел. Другая калифорнийская фирма, «Pacific Biosciences» из Менло Парка, разработала способы, позволяющие прочитать геном всего с одной молекулы ДНК. Вполне возможно, что скоро расшифровка генома будет занимать минут 15 и стоить менее 1000 долл. Аналогичные разработки существуют и в «Oxford Nanopore Technologies» (Великобритания). Раньше фирмы использовали решетки проб ДНК (ДНК-чипы) и искали определенные генетические символы — SNP.* Сейчас известно несколько десятков таких символов, но есть основания предполагать, что среди трех миллиардов «букв» генетического кода их гораздо больше.

До недавнего времени полностью было расшифровано всего несколько генокодов (в проекте «Геном человека» были использованы кусочки генокода множества людей, а затем собраны в единое целое). Среди них генокоды К. Вентера, Дж. Уотсона, д-ра Ст. Куэйка, двух корейцев, китайца, африканца, а также больного лейкемией, национальность которого ныне уже трудно установить. Теперь, с постепенным усовершенствованием техники чтения последовательностей генов, станет возможным расшифровка генокода все большего и большего числа людей. В будущем свой генокод сможет прочитать любой человек.

Кроме стоимости расшифровки, важным показателем является его точность. Считается, что приемлемым уровнем является не более одной ошибки в 10 000–100 000 символов. Сейчас уровень точности находится на уровне 1 ошибки в 20 000 символов.

На настоящий момент в США ведутся споры по поводу патентования «расшифрованных» генов. Однако многие исследователи считают, что патентование генов станет препятствием для развития науки. Главная стратегическая задача будущего сформулирована следующим образом: изучить однонуклеотидные вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить различия между индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возможность не только подойти к созданию индивидуальных генных «портретов» людей, что, в частности, позволит лучше лечить болезни, но и определить различия между популяциями, выявлять географические районы повышенного «генетического» риска, что поможет давать четкие рекомендации о необходимости очистки территорий от загрязнения и выявлять производства, на которых есть большая опасность поражения геномов персонала.


* SNP — одиночный генетический символ, который меняется от человека к человеку. Его открыли специалисты «International HapMap Project», изучая такую мутацию генокода, как однонуклеотидный полиморфизм. Целью проекта по картированию участков ДНК, различных для разных этнических групп, был поиск уязвимости этих групп к отдельным заболеваниям и возможностей их преодоления. Эти исследования могут также подсказать, как человеческие популяции адаптировались к различным заболеваниям.

Геном человека: двадцать лет спустя

20 лет назад президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр объявили, что проект «Геном человека» и корпорация Celera Genomics завершили «первоначальное секвенирование генома человека». Говорят, что с этого момента биология вступила в «постгеномную эру». Назвать эту дату «днем расшифровки человеческого генома» можно, правда, только условно — на той конференции ученые лишь рассказали о первом «черновике» последовательности ДНК всех хромосом человека со множеством пробелов, некоторые из которых не заполнены до сих пор. Обе публикации, описывающие «черновик» человеческого генома, вышли в 2001 году, а «чистовая» версия появилась еще через три года. После этого проект «Геном человека» завершился — а вот расшифровка генома человека нет. Осмысление и дополнение полученных тогда данных продолжается до сих пор. N + 1 рассказывает о судьбе, пожалуй, важнейшего для науки XXI века проекта и том, что он сделал — и продолжает делать — с миром.


Генетический телескоп

Проект «Геном человека» иногда называют самой успешной международной научной коллаборацией в истории. Однако на старте единодушного оптимизма научное сообщество не испытывало: подготовку сопровождали публичные дискуссии и разгромные статьи, авторы которых утверждали, что прочитать последовательность человеческой ДНК невозможно, и деньги налогоплательщиков стоит потратить на что-то более полезное.

Хотя чисто техническая возможность секвенировать геном была показана еще в 70-х годах, когда был расшифрован первый геном вируса, о человеке задумались не сразу. По легенде, эта идея оформилась благодаря биологу Роберту Синшеймеру из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Его коллеги-астрономы работали над созданием самого большого (на тот момент) наземного телескопа, и Синшеймер раздумывал над проектом подобного масштаба в биологии.

В 1985 году он собрал несколько ведущих генетиков для обсуждения проекта по секвенированию генома человека. Коллектив пришел к заключению, что идея заманчива, но не реализуема. К тому моменту не был расшифрован даже геном кишечной палочки размером «всего» в пять миллионов пар нуклеотидов, а максимальная продолжительность нуклеотидной последовательности, которую можно было прочитать за раз методом Сэнгера, составляла несколько сот нуклеотидов.

Шкаф с фрагментом человеческого генома, который стоит в лондонском музее Wellcome Collection. Полностью расшифровка занимает сотни томов, в каждом из которых около тысячи страниц

Russ London / Wikimedia commons

Разворот одного из томов с расшифровкой человеческого генома из лондонского музея Wellcome Collection

Adam Nieman / flickr / CC BY-SA 2.0

В обсуждении участвовал Уолтер Гилберт, который за 10 лет до того предложил свой метод секвенирования ДНК (известный как метод Максама-Гилберта или метод химической деградации ДНК), практически одновременно с Фредериком Сэнгером. Он загорелся идеей создания геномного института и увлек ей первооткрывателя структуры ДНК Джеймса Уотсона и Чарльза Делиси, который возглавлял подразделение здоровья и окружающей среды в Министерстве энергетики США. Последнему геномный проект виделся логичным продолжением исследований влияния радиации на человека. В 1986 году они уже подсчитывали затраты на расшифровку последовательности генома человека.

Настроенные скептически коллеги оценивали продолжительность проекта в десятки лет рутинной работы, если «читать» ДНК небольшими научными коллективами — а ведь только в этом случае, по их мнению, работу можно сделать хорошо. Объем предстоящей работы казался невероятно огромным: один из столпов молекулярной биологии Сидни Бреннер шутил, что секвенировать ДНК будут заставлять преступников, причем размер хромосомы будет прямо пропорционален тяжести преступления. Однако Уотсон и Делиси решили сделать ставку на крупные автоматизированные центры и международное сотрудничество. Финальный план американской части проекта был рассчитан на 15 лет и три миллиарда долларов.

Одна из автоматизированных линий для подготовки образцов в Институте Уайтхеда в Центре геномных исследований, где секвенировали геном человека

International Human Genome Sequencing Consortium / Nature, 2001

Эта цифра кажется большой — но, к примеру, космический проект «Аполлон», реализованный двадцатью годами ранее, стоил американцам в 10 раз дороже (без учета инфляции). При этом в результате выполнения проекта «Геном человека» ученые обещали что-то не менее значимое, чем полет в космос — как минимум, разобраться в природе 4000 наследственных заболеваний и продвинуть вперед медицинскую генетику и сопутствующие технологии.

Несмотря на критику и ценник, им удалось продавить как Министерство энергетики, так и Национальные институты здоровья США (NIH). В 1990 году проект стартовал. Панель экспертов настоятельно порекомендовала кроме генома человека заняться также исследованием геномов модельных организмов: кишечной палочки, дрожжей, круглых червей и мыши — чтобы в случае успеха гены человека было с чем сравнивать.

«Заслуга запуска проекта, конечно, принадлежит Уотсону. И он изначально задумывался как международный. Во многих странах выделялось на это финансирование в рамках национальных проектов, — рассказывает Юрий Лебедев, заведующий лабораторией сравнительной и функциональной геномики ИБХ РАН и член Международной организации по изучению генома человека (HUGO), который в рамках проекта участвовал в создании карты 19-й хромосомы. — Люди из институтов США, Англии, Франции, Германии, Швеции, России — даже тех стран, которые не вошли в соавторы статьи в итоге — ездили друг к другу и работали над задачей сообща. В одиночку Америка бы конечно ничего не сделала».

В авторах статьи 2001 года были члены International Human Genome Sequencing Consortium из 20 научных групп США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая.

Обложка журнала Time, вышедшего в 26 июня 2000 года. Слева — Крейг Вентер, справа Фрэнсис Коллинз

Time, 2000

Почти одновременно со стартом проекта в США, советский академик Александр Баев смог убедить Горбачева выделить значительное финансирование на оборудование лабораторий и создание научных групп, которые могли бы участвовать в международном консорциуме по расшифровке генома человека. По воспоминаниям академика Льва Киселева, который в то время был председателем научного совета российской части программы, отечественный проект начинался очень активно — на его развитие было выделено около 20 миллионов долларов. Однако в 90-х годах государство уже не могло финансировать столь дорогостоящие фундаментальные исследования, и участие в консорциуме, хотя и не закрылось окончательно, было сокращено до минимума.

«У нас работой по проекту занимались несколько десятков групп. Многие из людей, которые работали тогда в проекте, сейчас возглавляют институты и лаборатории у нас и за рубежом», — вспоминает Лебедев.

Фрагмент физической карты 19-й хромосомы, которую читали в Ливерморской национальной лаборатории при участии ИБХ РАН

Дарья Спасская

Через несколько лет после старта одинокий марафон международного консорциума стал гонкой. Крейг Вентер, который изначально возглавлял одну из лабораторий в составе NIH, разработал новый способ исследования геномов под названием «expressed sequence tags», значительно ускоривший процесс поиска генов по их транскриптам. Вооружившись этой технологией и поддержкой венчурных инвесторов, он ушел из NIH и основал Институт геномных исследований.

В 1998 году Вентер объединился с производителем автоматических секвенаторов под вывеской Celera Genomics и объявил, что тоже займется расшифровкой генома человека. Начав на восемь лет позже, чем «Геном человека», Вентер собирался справиться с задачей всего за три года — в то время как международный консорциум не собирался финишировать раньше, чем через семь лет. Его компания планировала извлечь из этого немалую выгоду, запатентовав гены, связанные с наследственными заболеваниями (впрочем, в 2000 году Клинтон заявил, что последовательность генома является достоянием общественности, и патентовать ее нельзя, так что усилия бизнесмена в каком-то смысле оказались напрасными).

Появление конкурента подстегнуло «Геном человека», и цель в итоге была достигнута на два года раньше. Федеральный проект договорился с Celera, и результаты обоих проектов были одновременно объявлены на той самой пресс-конференции 26 июня 2001 года. В зале присутствовали и основатель «Генома человека» Джим Уотсон, и Джон Уайт, директор PE Corporations, спонсировавшей Вентера — лица обоих явно давали понять, что войну удалось закончить дурным миром. Статья группы Вентера вышла в Science, через день после публикации статьи «Генома человека» в Nature.

Обложки журналов Science и Nature, в которых вышли статьи HPG и Celera Genetics

Science, 2001; Nature, 2001

Предпосылки и последствия

В 80-е годы у генетиков уже были инструменты, позволяющие исследовать размер хромосом и расположение на них генов — в основном, при помощи ферментативного расщепления ДНК рестриктазами, разделения фрагментов в геле и гибридизации с радиоактивно меченой последовательностью. Взглянуть на ДНК более пристально удалось благодаря изобретению производительного метода секвенирования англичанином Фредериком Сэнгером, который до того уже придумал способ чтения аминокислотной последовательности белковых молекул.

Определение последовательности ДНК по Сэнгеру, в свою очередь, стало возможным благодаря открытию ДНК-полимеразы — фермента, который в клетке обеспечивает удвоение молекул ДНК за счет комплементарного достраивания цепи на одноцепочечной матрице.

Этот метод, в отличие от чисто химического метода Максама-Гилберта (деградация ДНК по участкам модификации определенных нуклеотидов), основан на ферментативной достройке второй цепи на матрице цепочки, которую необходимо прочитать, и поэтому более производителен. Синтез комплементарной цепи происходит с использованием стандартных нуклеотидов (A, T, G, C), но в определенный момент в пробирку добавляют радиоактивно меченый дидезоксинуклеотид, после встройки которых синтез цепи обрывается (сейчас для рутинного секвенирования используют тот же способ, но вместо радиометок используют флуоресцентные). Анализ в геле получившихся фрагментов разных размеров, оканчивающихся на одну и ту же «букву», позволяет восстановить всю нуклеотидную последовательность.

Фрагмент расшифрованной последовательности в геле

John Schmidt

«Для того, чтобы получить представление о последовательности генома, важно было не только секвенирование, — уточняет Юрий Лебедев. — Нужно было составить физические карты хромосом с последовательностью генов, структурных и регуляторных участков. Это делалось путем клонирования в генетические вектора, дрожжевые, бактериальные и фаговые, перекрывающихся кусков генома размером десятки и сотни тысяч пар, и расставления на них известных генетических маркеров, по которым эти куски можно было сопоставлять. Нужно понимать, что к тому моменту ряд генов человека уже был клонирован с кДНК (ДНК, соответствующая матричной РНК после вырезания некодирующих участков — прим. N + 1) и отсеквенирован, так что мы могли использовать определенные последовательности для расставления „столбиков“, и параллельно искали новые маркеры. На это ушла значительная часть времени. Вентер поступил хитро — он использовал уже готовые физические карты, и только наложил на них сиквенсы, и ему, конечно, понадобилось гораздо меньше времени».

Надо пояснить, что все полученные данные по ходу дела выкладывались в открытый доступ, в том числе и карты хромосом с расположением на них генов. Это значительно упростило задачу Крейгу Вентеру, который использовал их для картирования последовательностей, полученных модифицированным «методом дробовика».

«Для секвенирования дробили каждый из больших фрагментов на смесь перекрывающихся фрагментов меньшей длины, переклонировали мелкие фрагменты в фаговый вектор (М13) и секвенировали по Сэнгеру на автоматических секвенаторах всю смесь мелких фрагментов», — поясняет Лебедев.

Собственно, метод разбивки на короткие фрагменты и называется «методом дробовика». Первая длинная последовательность ДНК, прочитанная таким образом в 1981 году — геном вируса мозаики цветной капусты. Вентер понял, что короткие кусочки генома необязательно клонировать в вектора, а можно читать с двух сторон прямо так (для этого к ним нужно пришить с краев известные последовательности). Благодаря этому усовершенствованию его команда быстро прочитала последовательность 70 миллионов кусочков, и собрала их воедино при помощи уже готовых физических карт за три года. Стоило это им всего 200 тысяч долларов — несравнимо меньше, чем «Геному человека».

Порядок действий при использовании метода секвенирования, который применяли в «Геноме человека»

Источник: Jennifer Commins et al. / Biological Procedures Online, 2009

Порядок действий при использовании метода секвенирования, который применяли в Celera Genomics

Источник: Jennifer Commins et al. / Biological Procedures Online, 2009

К моменту запуска проекта в 1990 году было расшифровано несколько коротких вирусных геномов и плазмид (вспомогательных кольцевых молекул ДНК из бактерий), размер которых ограничивался десятками тысяч пар нуклеотидов. «Геном человека» же собирался прочитать геном размером на несколько порядков больше: три миллиарда пар — именно столько «букв» содержит одинарный набор хромосом человека (23 хромосомы). По мнению большинства, число генов, содержащихся в этой «летописи», должно было составить около 100 тысяч.

Неудивительно, что многим ведущим генетикам эта задача казалась нерешаемой. Однако по ходу выполнения проекта развитие технологий облегчило ученым работу. Среди технических достижений можно отметить появление автоматического капиллярного секвенатора, где фрагменты разделялись в тонких трубочках, а не в геле. Такие приборы, помимо того, что позволяли увеличить количество образцов, после появления флуоресцентно меченых нуклеотидов, перешли на автоматическую детекцию сигнала. Кроме того, развитие компьютерных технологий: от сетей, которые позволили ученым получать доступ к данным из любой точки, до программ для сравнения и обработки последовательностей.

Накопление последовательностей послужило толчком для развития целой науки — биоинформатики, которая занимается сборкой, обработкой и анализом геномов с использованием математических методов.

«Высокопроизводительное секвенирование (NGS) появилось именно по итогам секвенирования генома человека — до этого просто не было необходимости читать столько последовательностей. Более того, я уверен, что этот проект подстегнул развитие и компьютерных технологий, и big data analysis — были огромные объемы данных, которые надо было как-то анализировать», комментирует результаты проекта Лебедев. В том же духе высказывается и биоинформатик, заместитель директора Института проблем передачи информации РАН Михаил Гельфанд: «Сейчас уже производительность секвенаторов растет быстрее, чем производительность процессоров и памяти. Данные растут быстрее, чем возможности по их обработке».

Первые итоги и дальнейшее развитие

Так к 2000 году удалось получить представление о последовательности ДНК человека в составе эухроматина — участков, с которых активно идет транскрипция, то есть считывание данных РНК-полимеразой.

По оценкам ученых, эухроматин составляет около 95 процентов всего генома. Остальная ДНК спрятана в плотно упакованных белковых комплексах и основную часть времени «молчит». Помимо человека, как и рекомендовали в 90-м году эксперты, к 2001 году были отсеквенированы геномы «599 вирусов и вироидов, 205 существующих в природе плазмид, 185 органелл, 31 эубактерии, семи архей, одного гриба, двух животных и одного растения», а к официальному финалу проекта список пополнился геномами мыши и крысы — модельных животных, без которых немыслимо ни одно крупное медицинское исследование.

Одной только сырой последовательностью букв результат проекта, конечно не ограничивается. После расшифровки число генов в геноме человека пришлось сократить со 100 тысяч до 30 тысяч — это число всего в два раза больше, чем у мухи или червя, написали авторы исторической публикации в Nature.

Как менялись оценки числа генов в геноме человека с 1964 по 2009 годы

Mihaela Pertea and Steven L Salzberg / Genome Biology, 2010

Также ученые узнали, что геном человека содержит очень много повторов и мобильных элементов, подавляющее большинство из которых уже не работает. Кроме того, геном человека очень разнообразен — генетики оценили, что количество однонуклеотидных полиморфизмов в нем (участков, в которых у разных людей может стоять тот или иной нуклеотид) достигает 1,5 миллионов. Это стало ясно в том числе благодаря тому, что в проекте была использована ДНК от большого количества добровольцев, а не от одного человека.

«Есть масса вещей, про которые не подозревали, что они в принципе бывают. Вот вы жили где-то на берегу и думали, что живете на маленьком острове. Потом как-то забрались на гору, туман рассеялся, и вы увидели, что на самом деле это целый континент», — описывает научные итоги проекта Михаил Гельфанд, лаборатория которого участвовала в сборке и анализе генома человека.

Однако геномные исследования с выходом первой геномной статьи только начались. Гельфанд приводит примеры: «Вслед за проектом „Геном человека“ был, например, проект ENCODE, в которым люди уже целенаправленно изучали именно функциональные вещи. Не просто выписать последовательность букв, а понять: почему ткани разные, почему гены работают по-разному в разных тканях. Опять-таки, как устроено раковое перерождение, как гены начинают по-другому работать, как устроена, как меняется работа гена в ходе раннего развития, когда из одного типа клеток возникает много разных тканей. Как ДНК упакована в клетки и на что это влияет. Есть масса технологий, которые сообщают нам именно функциональные вещи, но они в очень значительной степени привязаны к секвенированию генома. Вы что-то секвенируете, потом картируете геном, а потом из этого делаете какие-то функциональные выводы. Фактически с этого началась наука, которая называется системная биология, когда вы пытаетесь понять не по одному как гены работают, а как работает клетка в целом, но при этом с очень большой детальностью. И это вещь, которая без генома была бы в принципе невозможна. Опять-таки наш уровень понимания того, как клетка устроена, он принципиально изменился. Мы не просто как слепые слона с разных сторон щупаем, а мы теперь смотрим на целого слона, причем насквозь».

«Стандартный», или референсный геном человека дорабатывается до сих пор. «Финальная точка была очень условная. Договорились, что этот момент считать точкой, когда [Клинтон с Блэром] сделали [свое заявление]. В этот момент геном не был сделан до конца, люди потом много лет дочищали это дело, — рассказывает Гельфанд. — Сейчас выходят чудесные работы, из которых следует, что если взять много-много геномов разных людей, то там будут целые куски, которых в классическом геноме нет, то есть мы отличаемся не только точечными мутациями и заменами, но и целыми большими кусками генома, которые у кого-то есть, а у кого-то нету. В прошлом году вышла статья, они несколько процентов добавили к универсальному геному человека, просто секвенировав много африканцев».

Геном для медицины

За двадцать лет с момента завершения сборки черновой версии генома технологии секвенирования и анализа последовательностей развились настолько, что сегодня узнать последовательность кодирующих участков генома (экзома) обойдется вам уже не в три миллиарда долларов, а лишь несколько сотен.

Изменение стоимости секвенирования генома человека после сентября 2001 года

Ben Moore

Исследовательские базы данных продолжают пополняться — этим занимается, например, проект «Тысяча геномов», который призван оценить генетическое разнообразие жителей планеты. Создаются национальные банки ДНК. К примеру, исландская компания deCODE genetics владеет генетической информацией двух третей населения Исландии. Эти данные в том числе используются для развития персонализированной медицины — индивидуального назначения терапии на основании генетических данных пациента.

Генотипирование, то есть определение однонуклеотидных полиморфизмов конкретного человека, уже во многом стало рутиной — в базе данных UK Biobank хранятся данные полногеномного типирования 500 тысяч человек. Кроме генетических данных, записи участников содержат информацию о показателях здоровья, привычках, семейных историях болезни и т.п. Такие наборы данных позволяют исследователям проводить так называемые полногеномные анализы ассоциаций (GWAS — Genome-Wide Association Study), которые позволяют выявить, например, генетическую предрасположенность к определенному заболеванию.

«Геномные исследования могут показать, что у носителей такого варианта гена заболевание встречается, к примеру, в пять раз чаще, чем у носителей другого варианта. Это знание может помочь скорректировать образ жизни так, чтобы минимизировать вероятность. Но вычисление рисков развития заболевания полностью опирается на статистику, здесь еще есть куда развивать математический аппарат, — говорит Лебедев. — Что касается предсказания способностей к спорту и музыке по геному ребенка, это, конечно, вещь из области фантастики. Однако, секвенирование генома или экзома может помочь родить здоровых детей в том случае, если родители являются носителями каких-то вредных мутаций».

В последние годы секвенирование и генотипирование ДНК активно применяется в онкологии (об этом мы уже подробно рассказывали в материале «С индивидуальным наведением»). Помимо назначения терапии в зависимости от наличия тех или иных мутаций в опухоли, онкогеномика помогает понять природу возникновения опухолей и их метастазирования. «Очень много вещей в медицинской генетике, в онкологии, иммунологии тоже завязано на геномы. Сейчас люди начали смотреть уже геномы индивидуальных клеток, это позволяет, например, засечь развитие рака. Раковая опухоль неоднородна, в ней много разных клонов, и это очень важно для лечения. В ней есть клоны устойчивые и неустойчивые к какому-либо лечению. Которые могут дать метастаз, и те, кто недостаточно злокачественные, чтобы метастазировать. И теперь первые работы такого сорта появляются, когда люди просто делают генеалогию индивидуальных клеток в раковой опухоли», — поясняет Гельфанд.

«При помощи современных постгеномных технологий можно посмотреть, сколько клеток в организме человека заражено SARS-CoV-2, — приводит злободневный пример Лебедев, лаборатория которого в настоящее время занимается изучением субпопуляций иммунных клеток человека. — И можно понять, это клетки убитые, погибающие или борющиеся, как развивается иммунный ответ. С использованием как секвенирования, так и других методов, например, многопараметрической флуоресцентной гибридизации (FISH) можно посчитать в образце крови больного, сколько там цитотоксических лимфоцитов, сколько хэлперных, сколько антител-продуцирующих, сколько из них уже перешли в клетки памяти».

20 лет спустя

Когда Френсиса Коллинза, который в 1993-м сменил Уотсона на посту руководителя американской программы «Геном человека», в 2000 году спросили о перспективах геномных исследований, он предположил, что к 2020 году будет повсеместно распространено генетическое тестирование, появится генная терапия для наследственных заболеваний, а генотерапия на уровне зародышевых клеток докажет свою безопасность. Как показало время, он почти оказался прав — и генотерапия, и редактирование эмбрионов уже существуют, но их повсеместному применению препятствуют совсем другие вещи — вопросы безопасности, эффективности, этики, да и вопросы целесообразности (зачем редактировать эмбрион, если можно отобрать здоровый на стадии ЭКО?).

«В Америке все боятся, что геномная информация приведет к дискриминации отдельных работников страховыми компаниями. То есть, если у тебя склонность к развитию болезни в пять раз выше, то и плати в пять раз больше. Но это же проблема страховых, а не генетики, — указывает Лебедев. — Я не думаю, что законодательное регулирование сейчас как-то ограничивает развитие генетических технологий в отношении человека. Вот где дело касается генно-модифицированных растений, там да, законы мешают развитию отрасли».

«Да, счастье пока не наступило. Но если бы счастье не обещали, то денег бы никто не дал, — делится соображениями по поводу перспектив геномики Михаил Гельфанд. Это окупается, просто медленнее и не так ощутимо. В биологических вещах дольше путь от понимания к использованию. На самом деле очень сильно продвинулась медицина, мы просто этого не замечаем».

У Юрия Лебедева несколько иная точка зрения: «Уже сегодня в соседнем институте подбирают терапию детских лейкозов, основываясь на генетической информации пациентов. А режим лечения для больных болезнью Бехтерева (аутоиммунное заболевание) регулируют исходя из данных UK Biobank. Это и есть персонализированная терапия — я не ожидал, что это будет доступно так скоро».

Дарья Спасская

Завершился семилетний проект по расшифровке генома человека

Ключ к лечению рака, несвертываемости крови, болезни Альцгеймера и многих других заболеваний был получен в ходе масштабного семилетнего проекта по расшифровке генома человека, который завершился в ночь на четверг. В итоге генетики полностью расшифровали геномы более чем 2,5 тыс. человек, каждый из которых состоит из 3 млрд генов. О своей работе и планах ученые рассказали отделу науки «Газеты.Ru».

1000 Genomes Project — масштабный проект, запущенный в январе 2008 года, изначальной целью которого было полное секвенирование (расшифровка) геномов тысячи человек — представителей разных рас и национальностей. В работе приняли участие команды исследователей из США, Великобритании, Италии, Перу, Кении, Нигерии, Китая и Японии. Расшифровка полного генома человека — задача непростая, так как

он содержит 20–25 тыс. активных генов. Впрочем, это составляет очень незначительную часть всех генов — остальные относятся к так называемой «мусорной ДНК», то есть не кодируют никаких белков. Но с учетом «мусорной ДНК» объем генома человека достигает около 3 млрд пар нуклеотидов.

Масштабная работа, проделанная учеными, имеет непосредственное отношение ко всем живущим на планете людям. В ходе работы ученым удалось расшифровать геномы 2504 человек, представляющих 26 разных популяций. Исследователям удалось установить, какие именно вариации имеет каждый человеческий ген — а это может помочь в том, чтобы понять, за какое генетическое заболевание он отвечает. Ученым уже удалось понять,

какие именно генетические вариации ответственны за возникновение заболеваний сердечной мышцы (миокарда), хронических воспалений желудочно-кишечного тракта, серповидноклеточной анемии (нарушений строения гемоглобина) или болезни Гоше — наследственного заболевания, которое приводит к накоплению сложных жиров во многих тканях, включая селезенку, печень, почки, легкие, головной мозг и костный мозг.

Данные, полученные в результате работы, доступны на сайте самого проекта. В ночь со вторника на среду в журнале Nature вышли две статьи, представляющие последние обзорные данные, которые были получены в ходе работы. Корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» удалось пообщаться с тремя учеными, которые принимали непосредственное участие в расшифровке генома человека: Полом Фличеком (одним из ведущих исследователей 1000 Genomes Project и ведущим научным сотрудником Европейской молекулярно-физической лаборатории), Гонсало Абекасисом (профессором Мичиганского университета) и Адамом Отоном (Нью-йоркский медицинский колледж им. Альберта Эйнштейна) и поговорить с ними о дальнейших планах и возможности практического применения результатов семилетней работы.

— В 2008 году, когда проект только начинался, перед учеными была поставлена цель: расшифровать полный геном тысячи человек. В октябре 2012 года журнал Nature объявил о том, что окончена расшифровка 1092 геномов. На текущий момент — к окончанию проекта — вам удалось секвенировать 2504 генома. Скажите, как вам удалось так существенно перевыполнить план?

Пол Фличек: Нам удалось секвенировать так много образцов, потому что за последние годы технологии, позволяющие осуществлять секвенирование генома, получили существенное развитие. Именно поэтому нам удалось получить примерно в 25 раз больше данных, чем было заявлено изначально.

Гонсало Абекасис: Не стоит забывать и о стоимости подобного анализа. Если в 2008 году полная расшифровка генома человека стоила около $100 тыс., то теперь эта сумма составляет менее $2 тыс.

— 30 сентября было объявлено о том, что финальная стадия проекта завершена. Можно ли говорить о полном завершении работ или же вы собираетесь идти дальше и ставить перед собой новые цели?

Пол Фличек: Перед нами стоит множество новых целей, касающихся как секвенирования ДНК, так и поиска взаимосвязей между вариациями разных генов, возникновения генетических заболеваний и других характеристик человека. Завершение 1000 Genomes Project — это действительно кульминация усилий, которые мы начали предпринимать еще 15 лет назад и целью которых было создание открытого ресурса, содержащего информацию о человеческих генах.

В будущем мы планируем расширить базу наших исследований и привлечь к нему людей, представляющих большее число популяций из разных стран мира, — в Африке, Азии и на Среднем Востоке остаются популяции, не вовлеченные в исследование. Теперь эта работа будет проводиться в рамках проекта International Genome Sample Resource.

Гонсало Абекасис: Кроме того, в дальнейшем мы планируем фокусироваться на том, как вариации каждого гена влияют на течение конкретной болезни. Для этого нужно изучить как можно большее число случаев течения и лечения подобных заболеваний.

Адам Отон: А еще мы собираемся проверить, как генетические вариации влияют на фенотип человека.

— А можно ли применять полученную вами информацию на практике уже сейчас? Или все-таки еще требуется дополнительное время на обработку данных?

Гонсало Абекасис: Собранная нами информация полезна для исследователей уже сейчас — она помогает ученым понять, сколько вариаций имеет каждый ген, какие из этих вариаций несут ответственность за возникновение разных заболеваний. Правда, до того момента, когда эти знания приведут к разработке новых лекарств, еще пройдет определенное время.

Адам Отон: Информация активно используется, и не только врачами, а вообще всеми желающими. Если исследователь — из любой сферы — хочет узнать, какие функции выполняет какой-либо ген, как он распространен среди населения земного шара или как выглядит какой-то участок генома, он может с легкостью получить эту информацию.

Пол Фличек: Я считаю, основная практическая польза полученных нами данных — это то, что они помогают составить карту распространения какого-то гена на планете.

Допустим, у человека родом из Азии обнаружили редкое генетическое заболевание. Но данные нашего проекта говорят, что вариация какого-то гена (вызывающего это заболевание) есть только в ДНК африканцев. Это будет означать, что корни заболевания надо искать в изменениях другого гена. Кроме того, мы стали лучше понимать, как разные популяции людей мигрировали по миру.

— Если бы вас попросили описать результаты семилетней работы в одном-двух предложениях, что бы вы сказали?

Пол Фличек: Важнейший результат 1000 Genomes Рroject — это составление каталога вариаций человеческих генов и анализ методов и инструментов, которые могут быть использованы для дальнейшего секвенирования генома человека. Этот каталог полностью бесплатен и находится в открытом доступе.

Гонсало Абекасис: Теперь у нас есть каталог, где представлены разные версии каждой последовательности ДНК, а значит, каждого гена, и с помощью которого мы можем определить, в каких регионах планеты распространена каждая версия. Мы можем использовать эту информацию, чтобы сократить время и затраты, необходимые на расшифровку генома других людей.

Адам Отон: 1000 Genomes Project самым существенным образом улучшил наше понимание того, как вариации человеческих генов распространены в мире.

— И последний вопрос: что вы чувствуете сейчас, когда семилетний проект, в котором вы принимали самое непосредственное участие, завершен?

Гонсало Абекасис: Я чувствую, что пришло время принять следующий вызов: применить то, что мы узнали, на практике и начать разрабатывать методы лечения генетических заболеваний.

Адам Оттон: Проект стал базой для дальнейшей работы: все хотят знать, что вариации генов могут рассказать нам о различных заболеваниях. Несколько следующих лет обещают быть очень насыщенными.

Пол Фличек: Мне немного грустно. Наш проект был яркой демонстрацией того, на что способны современные технологии. Проект постоянно рос и развивался — вместе с развитием технологий, а его завершение действительно означает конец целой эпохи. Хотя, само собой, использование данных, полученных при расшифровке ДНК, еще только начинается, и мне кажется, что 1000 Genomes Project можно сравнить с ребенком, которому еще расти и расти.

Все о проекте «Геном человека»

Поначалу ученые считали, что геном (совокупность генов) организма содержит исключительно наследственную информацию, своего рода «инструкцию по сборке». Но, по мере его изучения, стало ясно, что там есть немало другого, и разделение собственно генов с нужной информацией и того, что стали называть «мусорная часть» ДНК может быть серьезной проблемой. В этой ситуации, идея «всеобщей переписи ДНК» могла показаться вполне здравым решением. Но оно требовало специальных технологий и немалых средств.

Правда «овчинка» однозначно «стоила выделки». В человеческом геноме содержится ключ к вопросу, что означает «быть человеком». Практически все причины смерти, кроме насильственной и несчастных случаев, в той или иной мере генетически обусловлены. Гены определяют нашу склонность к инфаркту, болям в спине и влияют на такие далекие от биологии вещи, как, например, вероятность получения высшего образования. Даже старение – генетически детерминированный феномен; внешние признаки, которые мы связываем со старением, во многом отражают многолетнее накопление мутаций в наших генах. В общем, уже полвека назад ученые понимали, что расшифровка генома человека откроет огромные перспективы, причем в совершенно прикладных результатах, прежде всего – для медицины. Желание было, а значит, должны были прийти и возможности.

В 1977 году английский биохимик Фредерик Сенгер (между прочим, единственный учёный в истории, получивший две Нобелевские премии по химии) представил метод расшифровки первичной структуры ДНК, также известный как «метод Сенгера». Он и стал основным инструментом для секвенирования (определения последовательности нуклеотидов) ДНК на следующие сорок лет. До тех пор, пока в нашем веке не появились методы секвенирования нового поколения, позволяющие одновременно работать с несколькими участками ДНК.

Но помимо технологий, требовалось и солидное финансирование. Чтобы стало понятнее, о каких суммах идет речь: после завершения, суммарно затраты на проект оценили в 3 миллиарда долларов. Понятно, что изначально смета была намного скромнее, но все равно выглядела внушительно.

Надо сказать, что не одни американцы были такими умными. В Советском Союзе в то время со схожими идеями выступал академик Александр Баев – выдающийся биохимик и врач. Подобно многим генетикам в сталинские времена он успел несколько лет провести в лагерях (причем, дважды), в 1957 году полностью реабилитирован, после чего сумел вернуться к научной работе и стал академиком, а также первым в стране лауреатом Государственной премии в области молекулярной биологии (за расшифровку первичной структуры валиновой тРНК 1). А в 1987 году разработал советский проект «Геном человека».

Проект проработал несколько лет, за это время наши ученые успели частично расшифровать 3-ю, 13-ю и 19-ю хромосомы, потом наука вместе со всей страной оказалась в глубоком кризисе, финансирование работ прекратилось, а часть участников проекта уехала за рубеж и продолжила эту работу в составе аналогичного международного проекта, к которому мы сейчас и вернемся.

В США проекту секвенирования генома помогло сдвинуться Министерство энергетики, профинансировавшее работы по долгосрочному отслеживанию генетических нарушений у людей, выживших при атомных взрывах в Хиросиме и Нагасаки, а также у их потомков. Что интересно, в СССР возрождение генетики после лысенковщины началось с открытия в Новосибирске Института цитологии и генетики при поддержке научных руководителей атомного проекта, которым тоже надо было знать, как радиация сказывается на наследственности. В Америке же деньги Министерства в итоге составили одну десятую общего бюджета проекта. Казалось бы, немного, но это были первые конкретные инвестиции, а не декларации о намерениях. А деньги, как известно, лучше всего идут к деньгам.

И в 1987 году заработал комитет американского проекта (фактически, в СССР и США работы начались одновременно). Этот комитет сразу взял курс на привлечение частных инвестиций, для чего даже создали компанию Genome Corporation, но она пала жертвой биржевого кризиса 1987 года.

Понимая, что искать ресурсы можно неограниченно долго, члены комитета решили не ждать, пока наберется вся сумма, а начинать работать, рассудив, что первые результаты станут отличной рекламой. Поскольку на тот момент денег было мало, основной этап отложили и сосредоточились на оттачивании технологических моментов. Тренировались на простейших организмах – пекарских дрожжах, мушке дрозофиле и черве-нематоде. Это вообще одни из любимых объектов у генетиков всего мира.

Сам проект «Геном человека» очень быстро стал международным (что вообще характерно для megasciens – проектов), к нему подключились ученые Великобритании, Франции, Германии и Японии, которые в итоге и проделали львиную долю работы. В частности, в Великобритании, близ Кембриджа в 1992 году для его нужд был выстроен специальный научный комплекс – Сенгеровский центр.

Сама координация столь глобального проекта с множеством участников со всего мира потребовала немалых усилий. Оргкомитет сразу отказался работать с сотнями маленьких лабораторий и сделал ставку на крупные центры. Тогда же родилась практика (которую позже применяли в других схожих проектах): поручать ученым одной страны работу над расшифровки одной хромосомы.

Параллельно шла работа над удешевлением процесса секвенирования. Ключевую роль в этом сыграло изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяла выполнить селективную амплификацию (генерации нужных сегментов ДНК в огромных количествах) всего за пару часов. Изобрел ее американский биохимиком Кэри Муллис, за что в 1993 году получил Нобелевскую премию. А в рамках проекта «Геном человека» процесс ПЦР был автоматизирован, после чего секвенирование заметно ускорилось и подешевело. Сегодня ПЦР – очень распространенный процесс, как в науке, так и в медицине, и хоть он был изобретен лет за пять до старта «Генома человека», проект внес весомый вклад в совершенствование и продвижение этой технологии.

Еще одним «ускорителем» проекта, скажем так, стал конфликт, связанный с Крейгом Вентером. Вентер вообще интересный человек с интересными взглядами (рекомендую к прочтению его эссе о ценности эксперимента, написанное к 100-летию журнала Forbes), талантливый ученый и авантюрист.

К тому моменту, когда он познакомился с работой участников проекта «Геном человека» (конец 1980-х), он уже был одним из энтузиастов продвижения технологий автоматизированного секвенирования ДНК и работал в Национальном институте здравоохранения США (который тоже вложился в этот проект). А еще Вентер был довольно предприимчивым человеком и пришел к мысли, что результаты этой работы тоже можно рассматривать как интеллектуальную собственность. И значит – получить на них патент.

В июне 1991 года он опубликовал в журнале Science нашумевшую статью, в которой рассказал, что ему предположительно удалось идентифицировать 337 новых генов, основываясь на их сходстве с известными генами из баз данных ДНК. Через год он добавил в этот список еще около 2000 генов. И, хотя механизм их действия был ему неизвестен, подал заявку на них в патентное бюро. И параллельно основал свою организацию — The Institute for Genomic Research (Институт геномных исследований), сокращенно – TIGR. План Вентера был амбициозен, он заявил о намерении провести альтернативное секвенирование генома человека, сделать это первым и запатентовать результаты.

Надо сказать, что большая часть ученых отнеслась к этой инициативе неодобрительно. Во-первых, она противоречила политике открытости научного сообщества, внутри которого можно было свободно обмениваться информацией (собственно, и Вентер почерпнул многое для своего проекта у коллег). А во-вторых, им не нравился подход, когда патент получался на то, в чем его обладатель сам еще толком не разобрался. Напомню, Вентер на тот момент не знал, как работает абсолютное большинство генов, открытие которых он хотел запатентовать.

Но Крейга эти возражения только подстегнули и вскоре, помимо Института, он основал Celera Genomics – компанию, которая на протяжении ряда лет являлась главным конкурентом международного проекта «Геном Человека». Партнером и инвестором Вентера выступил Уоллес Стейнберг, человек, который изобрел зубную щетку Reach и заработал на этом миллионы.

Очень быстро их патентные инициативы стали тормозить медицинские научные исследования, поскольку позиция Celera Genomics гласила: «Если кто-либо использует ген в программе поиска новых препаратов после того, как ген запатентован, и делает это в коммерческих целях… то нарушает патент». В ответ биомедицинские компании стали инвестировать в проект «Геном человека», результаты работы которого публиковались в открытом доступе. Так Вентер, сам того не желая, оказал помощь своим конкурентам.

Началась натуральная «гонка секвенирования». В Celera Genomics сделали ставку на т.н. «полногеномный метод дробовика» (WGS), при котором геном просто рубили на фрагменты случайной длины, заливали все эти последовательности в секвенатор и дожидались, чтобы машина расставила их в правильном порядке, ориентируясь на перекрывающиеся участки и не располагая никакой исходной информацией об их местоположении. И в 1995 году успешно опробовали этот метод, расшифровав геном одной из бактерий.

Участники проекта «Геном человека» сомневались, что такой подход сработает с большими геномами, и продолжали работать проверенным способом: сначала первоначальное картирование (описание) участков генома, потом – детальное секвенирование. Времени на это уходило больше. И опасения, что Вентер с компанией выиграет гонку (а значит, получит еще больше прав на информацию о геноме) усиливались. Дошло до того, что президент США Билл Клинтон объявил, что итоги секвенирования генома человека поступят в открытый для научного сообщества доступ, независимо от того, кто будет первым.

Это несколько разрядило атмосферу. А в 2002 году Вентер и вовсе покинул компанию, занявшись другими проектами. Но отголоском войны стало то, что о завершении работ объявляли несколько раз – в 2000, 2001 и 2003 годах. И всякий раз выяснялось, что речь идет лишь о предварительных итогах, которые требуют дополнительной доработки.

Как бы то ни было первый международный глобальный проект в области генетики завершился и продвинул науку далеко вперед. А еще породил несколько других амбициозных проектов – «1000 геномов», «Геном неандертальца» и др. Одни из них близки к завершению, другие продлятся еще много лет. И каждый становится еще одним шагом к постижению «кода Homo».

Сергей Исаев

успехи, проблемы, перспективы – тема научной статьи по биологическим наукам читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

МАТЕРИАЛЫ К ЛЕКЦИЯМ

РАСШИФРОВКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА: УСПЕХИ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Е.Н. Гнатик

Кафедра онтологии и теории познания Факультет гуманитарных и социальных наук Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 10, Москва, Россия, 117198

Биотехнологии оказывают существенное воздействие на социально-экономическое развитие общества, а также на философию, мораль, право, религию и другие сферы культуры, поскольку их применение затрагивает проблемы управления природой человека и всего живого на нашей планете. В работе речь идет о тенденциях и особенностях современной биологической науки и медицины, о новом уровне понимания биологических проблем, основывающемся на результатах программы «Геном человека». Статья приурочена к пятнадцатилетней годовщине с момента важнейшего события в мире науки начала XXI в. — расшифровки генома человека.

Ключевые слова: проект «Геном человека», молекулярная биология, высокотехнологичная медицина, философские проблемы, природа человека.

15 лет назад, в 2001 г., был завершен и опубликован «черновой» вариант расшифровки генома человека. Реализация этой международной программы явилась беспрецедентным событием в современном естествознании. Значение этого события сложно переоценить. Ведь во многом благодаря именно этому достижению наука о живом стала одной из важнейших отраслей человеческих знаний, по сути лидером естествознания. Современное биологическое знание и биотехнологии оказывают существенное воздействие на социально-экономическое развитие общества, а также на философию, мораль, право, религию и другие сферы культуры в связи с тем, что их использование затрагивает проблемы управления природой человека и всего живого в целом.

Расшифровка строения наследственного аппарата человека долгое время считалась неразрешимой задачей, во многом и потому, что исследователи не располагали соответствующими методами и подходами. Открытие химического строения и пространственной структуры ДНК в 1953 г. явилось огромным прорывом, определив фарватер дальнейшего развития биологии. Но реальные научные, мето-

дические и технические возможности определения структуры больших по размеру молекул, кодирующих наследственную информацию, появились только к концу ХХ в. Реализация Международного проекта «Геном человека» (без преувеличения являющегося одним из самых масштабных, амбициозных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки) началась в 1988 г. Основная цель проекта — выяснение последовательности нуклеотидов во всех молекулах ДНК человека с одновременным установлением локализации всех генов. Приоритетными направлениями были объявлены структурно-функциональное изучение генома, а также медицинская генетика и генотерапия.

В течение первых двух лет функционирования программы «Геном человека» скорости секвенирования были весьма низкими. Такими темпами для полного завершения работы потребовалось бы около ста лет. Становилось очевидным, что необходимы поиски новых подходов и технологий расшифровки нуклеотид-ных последовательностей фрагментов ДНК, разработка принципиально новых физических, химических и математических методов, создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ.

В результате технических новаций постепенно возрастала производительность аппаратуры, стали использоваться промышленные роботы, многие процессы были автоматизированы. Уже к 1995 г. скорость секвенирования возросла почти в 10 раз! Однако это позволило расшифровать менее 0,001% от всего генома человека. А спустя десятилетие после старта проекта, к началу 1998 г., было секвени-ровано лишь около 3% генома. Но при этом прогнозы исследователей были оптимистичными: завершение расшифровки планировалось на 2003 г. [1. P. 50]. Технологии совершенствовались непрерывно, была практически создана новая индустрия по секвенированию ДНК. В Англии, США, Франции, Германии, Японии появились гигантские автоматизированные фабрики — геномотроны, секвениру-ющие по несколько миллионов нуклеотидов в неделю. В результате «Одиссея» о наследственности «в черне» была завершена раньше ожидаемого срока, и в феврале 2001 г. в международных научных журналах «Nature» [2] и «Science» [3] были опубликованы почти полные нуклеотидные последовательности ДНК человека. Окончательный вариант появился в 2003 г., после чего программа официально завершилась. Однако работы по дальнейшему изучению тонкой молекулярной структуры генома человека активно продолжаются, объем информации растет, знания непрерывно корректируются.

Проект «Геном человека» можно с полным правом считать знаковой работой, символом «индустриальной науки». Достигнут новый уровень понимания биологических основ человека, усилия и финансовые вложения вполне оправданы. Важнейшим следствием стало то, что были качественно усовершенствованы методическая и приборная база науки, мощный импульс получили новейшие направления. Создание проекта «Геном человека» поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные программы не только теоретического, но и практического плана.

По данным, полученным в ходе секвенирования, размер генома человека составляет около 3 млрд пар оснований. Каждая из 23 пар хромосом содержит от-

дельную линейную двунитевую молекулу ДНК. Таким образом, стало достоверно известно, что геном каждого человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, каждая из которых содержит отдельный фрагмент генетического текста. Если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24 (22 аутосомы и две половые хромосомы Х и Y). Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом. Размер генома и набор генов у всех людей практически одинаковы, однако многие гены могут находиться в альтернативных состояниях (называемых аллелями). Из возможных аллелей определенного гена человек получает от своих родителей всего два — один от матери, другой от отца.

Второе принципиально важное сведение о структуре генома человека заключается в том, что составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер. Нумерация хромосом произведена в соответствии с размером. Самая короткая хромосома (№ 22) содержит около 47 млн пар нуклеотидов, а самая большая хромосома (№ 1) — около 250 млн пар [4. C. 44]. Половая хромосома Х по своему размеру следует за хромосомой № 7. В отличие от других хромосом (аутосом), для Х-хромосомы в половине случаев ее партнером в клетке является хромосома Y (маленький хромосомный рудимент), определяющая мужской пол организма. У женского пола в клетках всегда присутствуют две хромосомы Х, однако работает всегда лишь одна, выбранная случайно, а вторая Х-хромосома инактивиру-ется [5. C. 220]. У человека половые хромосомы образуют пару № 23.

Как правило, когда речь идет о геноме человека, имеется в виду ядерный геном. Однако существует и митохондриальный геном (содержащий всего 37 генов), который иногда называют хромосомой 25. Митохондриальная ДНК передается по наследству исключительно по женской линии.

Изучая шаг за шагом «энциклопедию жизни», содержащуюся в геноме, ученые обнаружили много удивительного. Например, количество наших генов в ДНК вместо предполагаемых ранее 100 тыс. оказалось лишь около 22 тыс. В генах записана информация о структуре молекул РНК: матричной (кодирующей белки), рибосомной, транспортной и некоторых других видов так называемой некоди-рующей РНК [6]. Выяснилось, что у человека транскрибируется и затем транслируется, т.е. кодирует белки, всего 1,1—1,4% от всей ДНК генома [3].

Огромное значение для познания наследственности и изменчивости организмов имеет сравнительный анализ полных геномов живых существ, который позволяет делать выводы, имеющие общебиологическое значение — о механизмах и темпах эволюции, вариабельности геномов и др. Такой анализ несопоставимо более информативен, чем сравнительный анализ отдельных генов (например, генов рибосомных РНК, который практиковался для заключений о взаимосвязях между организмами в догеномный период).

В ходе исследований было выяснено, что количество ДНК в геноме организма не связано с его эволюционной сложностью; этот факт получил название «парадокс содержания ДНК» (C-value paradox, C — от content) [7. C. 32]. К примеру, в геноме круглого червя обнаружено 19 тыс. генов, т.е. у людей их не намного

больше. Поражает воображение и тот факт, что человек отличается от мыши всего 300-ми другими генами [8]. Более трети генов человека идентичны генам бактерий (это гены, обеспечивающие базовые функции клеток). Весь геном человека отличается от генома шимпанзе примерно на 1% генов, остальные идентичны [9]. Наибольшее отличие геномов человека и шимпанзе состоит в разном числе хромосом (23 пары у человека и 24 пары у шимпанзе). Интересно, что наибольшее различие прослеживается между Y-хромосомами, а наименьшее — между Х-хромосомами [5. С 208].

Сравнение структур секвенированных генов геномов человека, дрозофилы, нематоды, дрожжей, бактерий и других организмов приводит к выводу, что все живые существа произошли от общего предка в результате дупликаций, модификаций и различного рода перетасовок генетического материала. Родственные гены легко идентифицируются в геномах различных организмов. Однако существуют также гены, кодирующие продукты, специфичные для отдельных видов. Получила подтверждение возможность межвидового (горизонтального) транспорта генов [10]. Кроме того, 60% из известных белков человека имеют сходство с белками других видов, геномы которых секвенированы.

Подтвердилась гипотеза о том, что генетический код универсален (его основная часть одинакова для всех форм жизни на Земле). Этот вывод обоснован опытом массового секвенирования генов и белков. Почти всегда коллинеарное соответствие генов и белков согласуется с правилами генетического кода. Однако в некоторых экзотических системах трансляции (митохондрии животных, растений и грибов, хлоропласты растений, мельчайшие бактерии, реснитчатые простейшие и др.) найдены минорные отклонения в генетическом коде, а также изменения правил неоднозначного спаривания и наборов антикодонов и фракций транспортных РНК. Это своеобразные «диалекты» генетического кода, отражающие специфику их эволюции и функционирования. Геном человека изобилует различными повторяющимися последовательностями, согласно современным данным, они составляют около 30% генома. На сегодняшний день у исследователей практически не осталось сомнений в том, что генетический код явился продуктом добиологической молекулярной эволюции и продолжал частично эволюционировать в дальнейшем. В стохастическом процессе молекулярной эволюции свойства генетического кода могли быть либо предзаданы (предетерминированы) физико-химическими характеристиками компонент и условий, либо отобраны как адаптивные среди альтернативных вариантов, либо фиксированы случайно. Гипотезы возникновения генетического кода в разной степени учитывают эти возможности.

Все эти данные требуют разработки новых подходов к пониманию эволюционного процесса и его механизмов. Сравнительный анализ геномов разных видов животных и человека продемонстрировал наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше участков, несущих информацию о структуре белков и РНК (экзонов), и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интро-

нов). Согласно современным данным, в геноме человека 97% ДНК не содержит никаких генов вообще [5. С 221]. В целом, прерывистое, «разорванное» строение, когда экзоны чередуются с интронами, характерно для подавляющего большинства эукариотических генов и представляет собой фундаментальное свойство, отличающее их от прокариотических [4. С 20]. Проведенные исследования дают возможность предположить, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством увеличения разнообразия их геномов, сколько путем перекомбинации уже существовавших генов, их постепенного копирования, модификации, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Данные проблемы являются предметом эволюционной геномики, венцом которой может стать создание новой систематики живых организмов.

Исследователи находятся в самом начале большого пути, ведь понимание работы генома не сводится лишь к описанию набора элементов ДНК и определению их местоположения. Не меньшее значение имеет характер связей между ними, который определяет, как гены будут функционировать и как пойдет индивидуальное развитие в тех или иных условиях среды. Специалисты выяснили, что большинство генов в клетке «молчит». Набор активных генов различается в зависимости от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов. Можно сказать, что в каждой клетке «звучит» свой аккорд генов. Различия интрон-экзонной структуры матричной РНК могут определять интенсивность синтеза одного и того же белка в разных тканях или на разных этапах онтогенеза. Кроме того, экзоны могут соединяться в различных сочетаниях, благодаря чему один ген может определять синтез нескольких белков.

Необходимость изучения процессов кодирования генами белков, взаимодействия белков в организме и других проблем, связанных с протеинами, стимулировала возникновение протеомики. Генные исследования и эта новая наука комплементарны в том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических белков. Таким образом, центр постгеномных исследований был перенесен в область инвентаризации белков и создания так называемой про-теомной карты человека. В сравнении с геномикой задача протеомики на несколько порядков сложнее. Между геномикой и протеомикой, между геномом и проте-омом есть одно фундаментальное различие, позволяющее разрабатывать новые методы исследования, новые стратегии. Дело в том, что протеом — динамичен, тогда как геном стабилен и постоянен. Иначе было бы невозможно передать наследственные свойства от поколения к поколению, обеспечить сохранение видов и т.д. Изменчивость генома всегда происходит на фоне его высокой стабильности и ни в коем случае ее не отменяет. А набор белков постоянно изменяется в зависимости от множества параметров: фазы клеточного деления, тканевой специализации клетки, стадии ее дифференцировки, принадлежности к нормальным или злокачественным клеткам, состояния стресса или покоя, воздействия внеклеточных физиологически активных веществ и т.д. В связи с этим белковый «портрет» клетки зависит от множества факторов и воздействий, подвержен практически непрерывным трансформациям, что, безусловно, значительно усложняет его изуче-

ние. Изменчивость протеома связана еще и с тем, что после синтеза белки претерпевают множество химических изменений (модификаций), которые создают их огромное разнообразие (притом что исходно они могут быть кодированы одним геном) [13].

В этой связи на пути протеомики существуют принципиальные трудности. Работа белков, как и работа генов, зависит от многих факторов, и, прежде всего, от их пространственной структуры; а эта структура значительно сложнее пространственной структуры генов, потому что гены записаны линейным текстом, а белки — трехмерная «скульптура». Более того, в живой клетке форма белков может динамически меняться. Несмотря на то, что в каждой клетке максимально может быть «всего лишь» около 22 тыс. функционирующих генов, число белков может быть значительно — на порядки — больше. Соответственно, эти белки способны взаимодействовать друг с другом, и число таких взаимодействий необычайно велико.

Существует несколько протеомных технологий, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Многие исследователи полагают, что оптимальный путь — это изучение промежуточного продукта между генами и белками, а именно — тех небольших молекул (информационная РНК), которые переносят инструкцию на создание того или иного белка от его гена к «внутриклеточным машинам» по производству белков (рибосомам). Процесс переписывания такой инструкции с гена на РНК именуется в биологии «транскрипцией», в силу чего данный подход получил название «транскриптомика». Работающий геном производит одновременно множество различных РНК, и специалисты в области транс-криптомики видят свою задачу в выявлении и расшифровке всех этих молекул.

Исследователи с оптимизмом смотрят в будущее, полагая, что эти амбициозные задачи со временем будут решены, как решена уже задача создания полностью искусственной клетки. Данное событие значительно приблизило нас к ответу на вопрос, что такое жизнь. В мае 2010 г. группе американских ученых под руководством К. Вентера удалось получить синтетическую клетку из синтетической хромосомы. Объектом эксперимента стали микоплазмы — простейшие микроорганизмы, занимающие промежуточное положение между бактериями и вирусами. Изучив геном двух различных клеток близкородственных организмов, ученые синтезировали молекулу ДНК одной из них, состоящую более чем из миллиона пар оснований. Затем геном второй клетки заменили геномом синтезированной ДНК.

При этом, как полагают исследователи, избранная методика не является единственной. Сегодня работы по созданию синтетической клетки ведутся в нескольких лабораториях различных стран. Это позволяет больше узнать о сущности живого больше, синтезируя живое ее из атомов и молекул, а не аналитически разбирая его на части. Именно к этому стремится молодая наука — синтетическая биология. Ее задача — проектировать живые системы с предсказуемыми свойствами, используя взаимозаменяемые детали из исходного набора кирпичиков жизни.

При помощи молекулярной биологии получены ответы на очень важные вопросы. Так, например, сегодня уже не подлежит сомнению, что абсолютно все люди планеты Земля генетически действительно являются братьями и сестрами. При секвенировании генов представителей белой, желтой и черной рас межиндивидуальная вариабельность не превысила 0,1% [11. С 38].

Установлено, что полиморфизм характерен для всех генов человека и имеет выраженную этническую и популяционную специфику [12].

Другой пример затрагивает проблему происхождения полов. Сегодня все больше исследователей поддерживают гипотезу, сводящуюся к следующему: «Когда-то в древние времена наши предки перешли от общего для большинства рептилий принципа определения пола зародыша — в зависимости от температуры яйца в кладке, к более надежному генетическому контролю. Появлению половых хромосом предшествовало появление генов, управляющих половым диморфизмом, — морфологическими отличиями между самцами и самками, делающими их более приспособленными к выполнению своих специфических функций. Так, у млекопитающих появились и закрепились гены, которые превращали женский организм зародыша в мужской. У птиц, наоборот, возникли гены, превращающие мужской организм в женский.

Половой диморфизм затрагивал многие морфологические признаки организмов. Например, развитая мускулатура и агрессивный характер больше способствовал успеху самцов, в то время как для самок — это бесцельная трата энергии, которую лучше направить на защиту и воспитание потомства. Таким образом, имеется ряд генов, которые востребованы в организме одного пола, но излишни для организма другого. Их называют половыми антагонистическими генами. Половые хромосомы возникли в результате мутации, которая нарушила естественный процесс обмена участниками парных хромосом. События переноса генов с одной половой хромосомы на другую стали редкими, и каждая из них стала эволюционировать своим собственным путем. Чем сильнее шла дифференциация генов на половых хромосомах, тем более специализированными и, следовательно, более эффективными становились самцы и самки в популяции. На хромосоме Y накапливались гены, полезные самцам, но бесполезные или вредные для самок, а на хромосоме Х шел тот же процесс, но в обратном направлении» [5. С 220—221].

Потенциал применения знаний, полученных в ходе реализации программы «Геном человека», огромен. Использование генетических методов является весьма перспективным в самых различных сферах познания, порой очень далеких от биологии, в том числе и в сугубо гуманитарных областях познания. Так, молекулярная антропогенетика привлекает внимание и интерес криминалистов, экологов, лингвистов, антропологов, палеонтологов, этнографов, философов, историков и многих других специалистов. Одним из важнейших итогов изучения генома человека является возникновение и стремительное развитие молекулярной медицины. Качественно новый раздел медицинской науки — медицинская генетика — изучает закономерности наследственных заболеваний, роль генетических факторов в развитии ненаследственных форм патологии, а также разрабатывает способы их диагностики, профилактики и лечения. Появление принципиально новых техно-

логий, позволяющих активно манипулировать генами и их фрагментами и обеспечивать адресную доставку новых блоков генетической информации в заданные участки генома, дало возможность выйти в область практической медицины. В частности, это позволило скорректировать традиционную концепцию о существовании двух классов заболеваний — наследственных и ненаследственных. Исследователи склоняются к представлению о том, что ненаследственные недуги (а их более 95% всех болезней человека) тоже связаны с геномом. Вывод таков: «Все болезни человека так или иначе связаны с геномом, только одна группа является следствием дефекта в структуре гена, а другая является нарушением регуляции экспрессии генов генома» [5. С 193].

По сути происходит переход медицинской науки на принципиально новый, молекулярный уровень изучения патологии человека — уровень патологической анатомии генома человека. Одним из центральных направлений теоретической медицины стала концепция генетической терапии. Ее история насчитывает уже два с половиной десятилетия (клинические испытания начаты в 1990 г.). Определены принципы и методические подходы, отобраны потенциальные болезни-мишени.

Государственные и частные научные центры и университеты, специализированные институты и клиники по всему миру заняты разработкой методологии и клинических протоколов генотерапии наследственных и приобретенных заболеваний. Возникла фармакогеномика, сфокусировавшая свое внимание на поиске новых средств лечения с учетом знаний о структуре генома человека и генетических основ вариабельности ответа пациентов на получаемые лекарства. Для фар-макогеномики большое значение имеют минимальные генетические отличия (так называемый сингулярный нуклеотидный полиморфизм), которые определяют эффективность лекарств и их переносимость в каждом конкретном случае. Это дает возможность создавать лекарства, эффективные для конкретных людей. Достижения генетики способствуют пониманию сущности многих серьезных заболеваний, таких как онкологические, сердечно-сосудистые, диабет, лейкемия, болезни Паркинсона и Альцгеймера и др.

Новая высокотехнологичная медицина становится все более весомой частью культуры, оказывает значительное влияние на представления и ценности, мировоззренческие установки и футурологические проекты, оценки перспектив человека и человечества. Впервые в истории в практическую плоскость переносятся вопросы совершенствования наследственной основы живых организмов. Появившиеся возможности клонирования индивидуальных генов, создания генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработка методов получения организмов с заданными наследственными признаками, а также методов генотерапии, включая генодиагностику (в том числе преимплантационную и пренатальную), значительно увеличивают степень ответственности ученых за судьбы человечества. В руках исследователей оказалась невиданная доселе власть не только над представителями видов растительного и животного мира, но и над человеком. Современное общество возлагает большие надежды на успешное решение этих задач, а также на то, что применяться эти методы будут на основе гуманизма и уважения к личности.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Collins F.S., Jegalian K.G. Deciphering the Code of Life // Scientific American. 1999. December. P. 50.

[2] International human Genome Sequencing consortium // Nature. 2001. № 409. P. 860—921.

[3] Venter I.C., Adams M.D., Myers E.W., Li P.W., Mural Pr.I., Sutton G.G., Smith H.O., Jandell M., Rvans C.A., Holt Pr.A. The sequence of the human genome // Science. 2001. № 291. P. 1304—1351.

[4] Тарантул В.З. Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. М., 2003. С. 44.

[5] Граник В.Г. Генетика. Химический и медико-биологический аспекты: монография. М.: Вузовская книга, 2011. С. 220.

[6] Боринская С.А., Янковский Н.К. Человек и его гены // Биология в школе. 2001. № 4—5.

[7] Вельков В.В. Имеет ли смысл прогрессивная эволюция? // Химия и жизнь. 2005. № 3. С. 32.

[8] Baltimore D. Our genome unveiled // Nature. 2001. № 409. P. 814—816.

[9] Wolfsberg T.G., Mcintyre I., Schuler G.D. Guide to the draft human genome // Nature. 2001. № 409. P. 824—826.

[10] Snel В., Bork P., Huynen М. Genome evolution: gene fusion versus gene fission // Trends in Genetics. 2000. V. 16. P. 9—11.

[11] Генетический паспорт — основа индивидуальной и предиктивной медицины / Под ред. В.С. Баранова. СПб.: Изд-во Н-Л, 2009. С. 38.

[12] Лимборская С.А. Этногеномика и геногеография народов Восточной Европы / Лимбор-ская С.А., Хуснутдинова Э.К., Балановская Е.В. М.: Наука, 2002.

[13] Говорун В.М., Арчаков А.И. Протеомные технологии в современной биомедицинской науке // Биохимия. 2002. № 67(10). С. 1109—1123.

MAPPING ON THE HUMAN GENOME: PROGRESS, PROBLEMS, PROSPECTS

E.N. Gnatik

Department of Ontology and Epistemology Faculty of Humanities and Social Sciences Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklay str., 10/2, Moscow, Russia, 117198

The article is confined to the fifteen-year anniversary of the paramount event in the world of science of the XXI century — to the mapping on the human genome. Implementation of this international program was an unprecedented event in modern natural sciences. Creation of the Human genome project has set biology in a number of the sciences which are capable to realize global programs with huge not only especially scientific, but also practical value. Biotechnologies make essential impact on social and economic development of society, and also on philosophy, morals, the right, religion and other spheres of culture as their application affects problems of management of human nature and all live in general. The author tells about tendencies and features of modern biological science and medicine, about the new level of comprehension of biological problems which is based on results of the Human genome program.

Key words: Human genome project, molecular biology, hi-tech medicine, philosophical problems, human nature.

REFERENCES

[1] Collins F.S., Jegalian K.G. Deciphering the Code of Life. Scientific American. 1999. December. P. 50.

[2] International human Genome Sequencing consortium. Nature. 2001. № 409. P. 860—921.

[3] Venter I.C., Adams M.D., Myers E.W., Li P.W., Mural Pr.I., Sutton G.G., Smith H.O., Jandell M., Rvans C.A., Holt Pr.A. The sequence of the human genome. Science. 2001. № 291. P. 1304— 1351.

[4] Tarantul V.Z. Genom cheloveka: Enciklopediya, napisannaya chetyr’mya bukvami. M., 2003. S. 44.

[5] Granik V.G. Genetika. Himicheskij i mediko-biologicheskij aspekty: monografiya. M.: Vuzov-skaya kniga, 2011. S. 220.

[6] Borinskaya S.A., Yankovskij N.K. Chelovek i ego geny. Biologiya v shkole. 2001. № 4—5.

[7] Vel’kov V.V. Imeet li smysl progressivnaya ehvolyuciya? Himiya i zhizn’. 2005. № 3. S. 32.

[8] Baltimore D. Our genome unveiled. Nature. 2001. № 409. P. 814—816.

[9] Wolfsberg T.G., Mcintyre I., Schuler G.D. Guide to the draft human genome. Nature. 2001. № 409. P. 824—826.

[10] Snel V., Bork P., Huynen M. Genome evolution: gene fusion versus gene fission. Trends in Genetics. 2000. V. 16. P. 9—11.

[11] Geneticheskij pasport — osnova individual’noj i prediktivnoj mediciny. Ed. V.S. Baranova. SPb.: Izd-vo N-L, 2009. S. 38.

[12] Limborskaya S.A., Husnutdinova EH.K., Balanovskaya E.V. Etnogenomika i genogeografiya narodov Vostochnoj Evropy. M.: Nauka, 2002.

Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

 

Предыдущая глава   Оглавление

Доказательства эволюции

Дополнительные материалы

 

Из книги Фрэнсиса Коллинза «Доказательство Бога. Аргументы ученого» (2008). Полный текст книги в формате djvu

Ф.Коллинз — крупный американский генетик, руководитель проекта «Геном человека». В книге «Доказательство Бога» он приводит генетические аргументы в пользу эволюции и обосновывает свою точку зрения о том, что современная эволюционная биология, как и наука в целом, не противоречат христианству.


Глава 5

Расшифровка божественных чертежей

Уроки генома человека

Когда я в начале 1980-х работал научным сотрудником в Йельском университете, секвенирование, т.е. определение фактической последовательности букв генетического кода, было грандиозным предприятием даже для сравнительно короткого (в несколько сотен букв) участка ДНК. Методы отличались сложностью, для экспериментов требовалось множество подготовительных шагов, в них использовались дорогостоящие и опасные (в том числе радиоактивные) реагенты, а сверхтонкие гели приходилось переливать вручную, и чуть ли не всегда их портили пузырьки или какие-то еще дефекты. Детали не имеют значения; суть в том, что мы продвигались очень медленно, методом проб и ошибок.

Тем не менее моя первая опубликованная работа но генетике человека касалась именно секвенирования ДНК. Я исследовал выработку в организме одного особого белка — фетального (плодного) гемоглобина, который в норме присутствует в красных кровяных тельцах человеческих эмбрионов, но постепенно исчезает после рождения, когда младенец начинает дышать своими легкими. Гемоглобин отвечает за перенос кислорода из легких во все органы нашего тела, причем у людей и некоторых обезьян существует его специальная плодная форма, помогающая извлечению кислорода из крови матери для питания растущего плода. Б течение первого года жизни ребенка гемоглобин этого типа обычно полностью заменяется на взрослую форму. Однако у представителей одного семейства с Ямайки, которое я обследовал, фетальный гемоглобин продолжал вырабатываться и в зрелом возрасте. Эта особенность представляла большой интерес: научившись запускать выработку плодной формы у взрослых, мы могли бы значительно облегчить страдания людей, больных серповидно-клеточной анемией. Присутствие у них в крови хотя бы 20% фетального гемоглобина практически избавило бы их от мучительных приступов и остановило бы прогрессирующее разрушение органов.

Никогда не забуду тот день, когда очередной эксперимент показал G вместо C в определенной позиции «вверх» по одному из генов, отвечавших за отключение выработки фетального гемоглобина, — как оказалось, именно из-за этого отклонения программа, запускаемая в период эмбрионального развития, продолжала работать во взрослом состоянии. Я был счастлив, но устал до изнеможения — на поиски одной единственной нужной мне «буквы» кода ДНК у меня ушло полтора года.

Три года спустя я был очень удивлен, узнав, что несколько ученых, оценивая перспективы науки, начали обсуждать возможность определения последовательности ДНК для всего генома человека, насчитывающего, по оценке, около 3 млрд комплементарных пар. Казалось немыслимым, чтобы это могло произойти при моей жизни.

Мы сравнительно мало знали о возможном содержании генома. Увидеть под микроскопом нуклеиновые основания какого-либо конкретного гена не представлялось возможным (для этого они слишком малы), охарактеризованы на тот момент были лишь несколько сотен генов, и разные оценки количества генов в геноме очень сильно друг от друга отличались. Даже точного определения гена не было (и сейчас нет), поскольку оказалось, что ген не всегда можно определять как цепочку, кодирующую определенный белок. Исследования ДНК позволили выявить так называемые интроны — сегменты генов, не содержащие информации о последовательности аминокислот белка. Из РНК интрон удаляется до начала считывания кода, и в зависимости от того, как соединятся друг с другом кодирующие участки, с одного и того же гена в определенных случаях может быть считано несколько разных (но родственных друг другу) белков. Далее, между генами обнаруживались длинные цепочки ДНК, которые, судя по всему, ничего не кодировали; некоторые исследователи даже называли их «мусорными», хотя, учитывая скудость наших знаний, требовалась немалая самоуверенность, чтобы объявить какую бы то ни было часть генома мусором.

Несмотря на все сомнения, гипотетическая ценность полного генома представлялась мне бесспорной. Ведь в этой огромной инструкции удалось бы найти полную «спецификацию» человеческого организма, а заодно и ключ к множеству заболеваний, природу которых мы плохо понимаем и которые не умеем эффективно лечить. Для меня как врача возможность раскрыть эту самую могущественную на свете книгу по медицине была особенно притягательна. Поэтому я, со своим скромным на тот момент академическим статусом и без уверенности, что столь смелый план удастся осуществить на практике, принял участие в дискуссии, выступив за организацию программы по секвенированию генома — вскоре она получила известность как проект «Геном человека».

Через несколько лет мое желание видеть геном человека полностью расшифрованным еще усилилось. Я возглавил новую лабораторию, где под моим началом работали серьезные и трудолюбивые аспиранты и молодые научные сотрудники, и мы предприняли попытку раскрыть генетическую основу некоторых заболеваний, до тех пор не поддававшуюся определению. Первым из них был муковисцидоз, или кистозный фиброз — самое распространенное тяжелое наследственное расстройство в странах Северной Европы. Болезнь обычно проявляется в младенчестве или в раннем детстве — ребенок мало прибавляет в весе и постоянно страдает от респираторных инфекций. Муковисцидоз можно опознать по повышенной концентрация ионов хлора в детском поте — наблюдательные матери замечают соленый привкус, целуя ребенка. Для болезни также характерны густые вязкие выделения в легких и поджелудочной железе. Но ни один из известных признаков болезни не давал даже косвенных указаний на назначение вызывавшего ее гена.

Впервые я столкнулся с муковисцидозом в конце 1970-х, когда проходил медицинскую практику в больнице. Еще в 1950-х гг. страдающие им дети редко доживали до десяти лет, однако к 70-м ситуация значительно изменилась к лучшему, так что многие больные вырастали, заканчивали колледж, шли на работу, вступали в брак. Но все это было достигнуто благодаря совершенствованию симптоматического лечения — созданию препаратов, заменяющих гормоны поджелудочной железы, новых антибиотиков, эффективных против легочных инфекций, специальных диет и методов физиотерапии. В том же, что касается борьбы с самим заболеванием, долгосрочная перспектива по-прежнему оставалась мрачной. Не понимая природы наследственного дефекта, медики блуждали на ощупь. Мы лишь знали, что где-то среди 3 млрд букв кода ДНК есть как минимум одна ошибочная, расположенная в уязвимом месте.

Трудности, связанные с нахождением такого тонкого отличия, представлялись почти непреодолимыми. Однако мы знали, что муковисцидоз наследуется по рецессивному типу. Поясню, что означает этот термин. Каждый наш ген существует в двух экземплярах: один получен от матери, другой от отца. (Исключение составляют гены, содержащиеся в хромосомах X и Y, которые у мужчин представлены только в одном экземпляре.) Рецессивная патология проявляется, только если она присутствует и в материнском, и в отцовском экземпляре гена, т. е. оба родителя являются ее носителями. Когда же в одном экземпляре гена патология есть, а в другом нет, болезнь никак не проявляется, так что ее носители, как правило, не подозревают о своем статусе. (Примерно каждый тридцатый житель Северной Европы — носитель муковисцидоза, и в семейной истории большинства из них болезнь не зафиксирована.)

Таким образом, вырисовывалась интересная задача по «выслеживанию» ДНК: не зная ничего о функции гена, ответственного за муковисцидоз, проанализировать другие наследственные признаки и поискать среди них сцепленные с заболеванием. Если в многодетных семьях, где некоторые дети больны, а некоторые нет, какой-то признак встречается только у больных детей, это означает, что участок, ответственный за данный признак, локализован неподалеку от интересующего нас гена. Мы не могли прочитать все 3 млрд букв генетического кода, но в наших силах было выхватить из темноты пару миллионов в одном определенном месте, пару в другом и проверить, нет ли здесь корреляции с муковисцидозом. Это требовалось проделывать сотни и сотни раз, но, так как геном представляет собой связанный набор информации, рано или поздно мы обязательно должны были выявить связь.

В 1985 г., к большой радости как ученых, так и обследовавшихся семейств, удалось установить, что ген муковисцидоза находится в 7-й хромосоме, в сегменте, содержащем примерно 2 млн комплементарных пар. Теперь можно было переходить к основной, по-настоящему сложной части работы. Чтобы объяснить, в чем заключалась основная сложность, я сравнивал нашу задачу с поиском одной единственной перегоревшей лампочки в подвале дома где-то в Соединенных Штатах: предварительный анализ помог нам установить нужный штат и даже округ, но он обеспечивает обзор с шестикилометровой высоты и не позволяет спуститься ниже. Теперь нужно обходить дом за домом, проверяя одну лампочку за другой.

Интересовавшая нас часть 7-й хромосомы до 1985 г. никем не изучалась, так что, продолжая сравнение, у нас не было даже приблизительной карты местности, не говоря уже о такой роскоши, как схемы расположения улиц, поэтажные планы домов или, тем более, инвентарные списки электроприборов. Нас ожидала гора тяжелой однообразной работы.

Изобретенный в нашей лаборатории метод «прыжков по хромосоме» позволял проводить поиск параллельно в нескольких местах, что значительно ускоряло работу по сравнению с традиционным методом. Но даже при этом задача оставалась огромной, и в научном сообществе многие считали наш подход непрактичным и непригодным для исследования болезней человека. В 1987 г., когда подошли к концу и финансовые ресурсы, и запасы энтузиазма, мы решили объединить усилия с исследовательской группой Госпиталя для больных детей в Торонто, которую возглавлял выдающийся генетик доктор философии Сюй Личжи (Lap-Chee Tsui). Вместе наши лаборатории заработали с удвоенной энергией. История поиска несколько походила на сюжет детектива: мы знали, что на последней странице тайна обязательно раскроется, правда, не имели представления о том, сколько времени нам потребуется, чтобы до нее добраться. На нашем пути в изобилии встречались и ключи к разгадке, и тупики. После того, как три или четыре раза нам казалось, что цель близка, а на следующий день новые данные это опровергали, мы запретили себе чрезмерный оптимизм по поводу чего бы то ни было. Нам тяжело было снова и снова объяснять коллегам, почему мы еще не нашли ген — или не отказались от проекта. В какой-то момент я, чтобы наглядно представить другую метафору, объясняющую наши трудности, даже съездил за город и сфотографировался, сидя с иголкой в руке на большом стоге сена.

Ответ был наконец найден в мае 1989 г. Дождливой ночью факс, стоявший в общежитии Йельского университета, куда мы с Личжи приехали на конференцию, выбросил нам результаты очередного дня работы лаборатории; из них однозначно следовало, что муковисцидоз у большинства пациентов связан с отсутствием трех букв (а именно CTT) в кодирующей последовательности не известного ранее гена. Вскоре исследования нашей и других групп показали, что практически все случаи заболевания вызваны мутациями — этой и другими, менее распространенными — того же гена, получившего название MBTP (трансмембранный регулятор муковисцидоза).

Вот оно — доказательство: мы все-таки сумели, последовательно сужая область поиска, определить «перегоревшую лампочку» — ген, ответственный за патологию. Это был момент торжества: мы одолели долгий тяжелый путь, и наши результаты позволяли начать работы, способные привести к полной победе над муковисцидозом.

Отметить открытие гена собрались и генетики, и члены обследовавшихся семей, и врачи, а я написал в честь этого события песню. Музыка всегда помогала мне выразить переживания, которые трудно передать обычными словами, хотя я играю на гитаре только как любитель. Когда голоса людей сливаются в едином хоре, меня переполняет радость, которая никак не связана с наукой, зато имеет самое прямое отношение к моей духовной жизни. Я не мог удержаться от слез, когда присутствующие поднялись со своих мест и подхватили припев:

Верь мечте, верь мечте.

Братья, сестры, минут годы слез.

Мы свободно вздохнем,

И навек исчезнет муковисцидоз.

Последующие шаги оказались труднее, чем мы рассчитывали, и муковисцидоз, увы, пока еще далеко не исчез. Но выявление гена было важнейшей вехой — именно оно открыло путь исследованиям по борьбе с самим заболеванием, на успех которых все мы очень надеемся.

В сумме работа двадцати с лишним исследовательских групп, участвовавших в поисках гена MBTP, заняла десять лет и обошлась человечеству более чем в $50 млн. А ведь эта задача считалась одной из самых простых, так как муковисцидоз — сравнительно распространенная патология, передающаяся от родителей к детям строго по законам Менделя. Как же можно было вообразить себе аналогичное изучение сотен более редких наследственных расстройств, источник которых тоже срочно необходимо раскрыть? Тем более, мыслимо ли было изучать с помощью той же стратегии такие болезни, как диабет, шизофрения, различные виды сердечно-сосудистых заболеваний и рака, где наследственные факторы заведомо играют огромную роль, но этих факторов много, и ни один ген, взятый в отдельности, не оказывает особенно сильного влияния? Здесь понадобилось бы найти с дюжину лампочек, причем даже не перегоревших, а просто горящих чуть слабее, чем нужно. Если для этих более сложных случаев и была какая-то надежда на успех, то только при наличии подробных и точных данных обо всех щелях и закоулках генома. Нам требовалась карта страны с планом каждого дома.

Конец 1980-х стал временем яростных споров о разумности такого проекта (Cook-Deegan R. The Gene Wars. New York: Norton, 1994). Большинство ученых соглашались, что проект позволил бы получить потенциально весьма полезную информацию, но считали его неосуществимым из-за огромного масштаба. Далее, было уже понятно, что лишь небольшая часть генома кодирует белок, а вопрос о целесообразности секвенирования всего остального («мусорных» ДНК) представлялся довольно спорным. Один известный генетик писал: «Секвенирование генома было бы почти таким же полезным делом, как перевод полного собрания сочинений Шекспира в клинопись, но далеко не таким простым с точки зрения осуществления и последующей интерпретации результатов».

Другой заявлял: «Это бессмысленно… генетики будут бороздить море бессмыслицы ради нескольких крохотных островков информации». Но очень многие опасения были в действительности связаны со стоимостью проекта и с тем, что из-за него лишатся ресурсов другие исследования в области биомедицины. А против этой проблемы есть хорошее средство — нужно найти для проекта отдельное финансирование, что и осуществил в США новый директор проекта — не кто иной как сам Джим Уотсон, один из открывателей двойной спирали ДНК. Уотсон, бывший в то время самой популярной «рок-звездой» от биологии, убедил Конгресс рискнуть и выделить деньги на расшифровку генома.

Джим Уотсон умело руководил американским проектом «Геном человека» в течение первых двух лет. В этот период были созданы центры по расшифровке генома и к работе подключился ряд лучших и талантливейших ученых нашего поколения. Однако многие по-прежнему относились к проекту скептически, сомневаясь, что его удастся осуществить за отпущенные пятнадцать лет, — тем более что тогда еще не были созданы некоторые технологии, позволившие позднее ускорить процесс и осуществить проект в намеченные сроки. В 1992 г. наступил кризис: Уотсон неожиданно оставил проект после публичного спора с директором системы Национальных институтов здравоохранения о возможности патентования фрагментов генетического кода (против чего Уотсон категорически возражал).

Начались поиски нового директора проекта, и выбор, к моему огромному удивлению, остановился на мне. Я руководил тогда центром по расшифровке генома в Мичиганском университете, был вполне удовлетворен своим положением и не мыслил себя в роли государственного служащего. Поэтому поначалу я не проявил интереса к этой идее. Но отделаться от нее оказалось непросто. Был только один проект «Геном человека», его предполагалось осуществить лишь раз за всю историю человечества, и его успех имел бы огромное значение для медицины. Как верующий, я спрашивал себя, не предначертано ли мне сыграть более важную роль в проекте, способном привести к фундаментальным сдвигам в нашем понимании себя самих. Мог ли я отказаться от шанса прочесть написанное на языке Бога, узнать сокровенные подробности того, как появились люди? Я всегда с подозрением отношусь к людям, которые утверждают, применительно к подобным моментам, будто поняли волю Бога; и все же невозможно было игнорировать невероятную значимость проекта с точки зрения потенциальных последствий для взаимоотношений между человечеством и Богом.

В ноябре 1992 г. я отправился в гости к дочери, жившей в Северной Каролине, и там долго молился под вечер в маленькой часовне, прося Бога направить меня. Я не «услышал» ответа — в действительности со мной никогда такого не случалось, — но за эти часы (а я неожиданно для себя пробыл в часовне до вечерней службы) мое душевное смятение совершенно улеглось. Спустя несколько дней я принял предложение.

Следующие десять лет были бешеной гонкой с множеством взлетов и падений. Уже исходные задачи проекта «Геном человека» требовали невероятного напряжения сил, но мы ставили себе еще более жесткие сроки и неукоснительно их соблюдали. Иногда, казалось бы, многообещающие методы с треском проваливались при применении в крупном масштабе, и мы испытывали тяжелое разочарование. Случались трения между членами нашей научной команды, и я, как глава, выступал в роли примирителя. Некоторые центры не выдержали заданного темпа, и их, к большому разочарованию руководителей, пришлось вывести из проекта. Но бывали и моменты торжества, когда мы завершали очередной напряженный этап; и у нас стала накапливаться информация, ценная с точки зрения медицины. К 1996 г. мы были готовы запустить полномасштабное секвенирование генома с применением значительно более совершенной и рентабельной технологии, чем та, которую мы использовали в 1980-х при поиске гена муковисцидоза. В определенный момент руководители международной части проекта приняли важнейшее решение, сделав обязательным условием участи немедленный доступ к полученным данным и договорившись не подавать заявок на патентование каких бы то ни было фрагментов кода. Ученым, работающим над важнейшими медицинскими проблемами, требовался немедленный свободный и открытый доступ к информации, нельзя было позволить здесь задержку даже на один день.

Следующие три года прошли очень плодотворно, так что к 1999-му мы смогли значительно ускорить процесс расшифровки. И в этот момент на горизонте возникла новая проблема: у нашего проекта «Геном человека» появился конкурент — частная компания. Когда проект начинался, полное секвенирование всего генома не представляло коммерческого интереса, однако положение менялось по мере того, как ценность получаемой информации становилась все очевиднее, а себестоимость секвенирования снижалась. Крейг Вентер, глава фирмы, вскоре получившей название Celera, заявил, что планирует выполнить полномасштабное секвенирование генома, причем, в отличие от нас, намерен запатентовать многие гены и хранить информацию о них в закрытой базе данных, предоставляя доступ по подписке за значительную плату.

Идея обратить информацию генома в частную собственность вызывала глубокую тревогу. Еще сильнее обеспокоила нас реакция Конгресса. Хотя никаких своих данных команда Celera не представила, а научная стратегия, которой собирался следовать Вентер, вызывала большие сомнения относительно полноты и точности будущих результатов, в Конгрессе был поднят вопрос о том, целесообразно ли и дальше финансировать за счет налогоплательщиков проект, с которым, возможно, лучше справился бы частный сектор. В своих публичных выступлениях представители Celera упирали на более высокую эффективность собственного подхода, стараясь заклеймить государственный проект как медлительный и бюрократизированный. Эти заявления были, мягко говоря, весьма спорными, учитывая участие в проекте «Геном человека» лучших университетов мира, талантливейших и известнейших ученых. Но пресса любит скандалы, и журналисты много писали о «состязании» в секвенировании генома, привлекая к сравнению яхту Вентера и мой мотоцикл. Основная масса этих текстов — полнейшая бессмыслица. Авторы большинства статей, похоже, не поняли главного: спор шел вовсе не о том, кто выполнит работу быстрее или с меньшими затратами (и Celera, и государственный проект были уже очень хорошо подготовлены), а об идеалах. Чем должна стать последовательность генома, наше общее наследие — коммерческой услугой или общественным благом?

Мы не жалели сил. Наши двадцать центров по расшифровке генома работали безостановочно. За полтора года, определяя тысячу комплементарных пар в секунду двадцать четыре часа в сутки семь дней в неделю, мы получили первый вариант расшифровки, покрывающий 90% генома человека. Celera, со своей стороны, также сгенерировала большой объем данных, но они хранились в закрытой базе, и доступ к ним отсутствовал. В определенный момент сотрудники Celera осознали, что могут на общих основаниях пользоваться открытой информацией, и остановили свою работу на середине. В итоге Celera представила расшифровку, которая, как выяснилось впоследствии, более чем наполовину состояла из данных, опубликованных в рамках нашего проекта.

Интерес к нашему «состязанию» становился неуместным и грозил отвлечь внимание от цели обоих проектов и ее значения. В конце апреля 2000 г., когда и Celera, и мы были готовы объявить о завершении первого варианта расшифровки, я обратился к Ари Патриносу (руководителю программы по расшифровке генома в Департаменте энергетики), который был дружен и со мной, и с Вентером, и попросил его устроить нам неофициальную встречу. За пивом и пиццей в гостиной у Ари мы с Вентером договорились об одновременном объявлении и проработали необходимые детали.

Так я и оказался одним из главных действующих лиц торжества, описанного на первых страницах этой книги. Стоя рядом с президентом Клинтоном в Восточном зале Белого дома, я объявил, что прочитана (в первом приближении) инструкция, по которой сделан человек, раскрыт язык Бога.

В течение следующих трех лет я продолжал работу в качестве директора проекта «Геном человека». Мы уточняли первоначальные данные, заполняли остававшиеся пробелы, повышали общий уровень корректности информации; все результаты, как и раньше, ежедневно выкладывались в общедоступные базы данных. В апреле 2003 г., когда отмечалось пятидесятилетие открытия Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК, мы объявили о достижении всех целей, ставившихся перед проектом. Я как руководитель испытывал огромную гордость за две с лишним тысячи ученых, совершивших этот выдающийся подвиг, — думаю, расшифровка генома и через тысячу лет будет считаться одним из главных достижений человечества.

Торжества в честь завершения нашего проекта спонсировались Генетическим альянсом — организацией, поддерживающей семьи, в которых проявляются редкие наследственные заболевания. По этому случаю я переделал слова известной народной песни «Все добрые люди», и присутствующие хором спели:

Вам эта песня, все добрые люди,

Добрые люди — наша семья.

Вам эта песня, все добрые люди,

Общая нить нас связала одна.

Следующий куплет был посвящен испытаниям, выпавшим на долю семей, которые борются с редкими генетическими расстройствами у себя или у своих детей:

Вам эта песня, все те, кто страдает,

Сила и дух ваш тронули нас.

Преданность ваша нас вдохновляет,

Учимся мы не сгибаться у вас.

Последним шел куплет о геноме:

Это чертеж наш и летопись наша,

Это лечебник на все времена.

Люди прочли его и записали,

Он для людей, для тебя и меня.

Для меня, верующего человека, раскрытие последовательности генома было важно еще и тем, что геном написан на языке Бога — том самом, с помощью которого Бог вызвал из небытия жизнь. Изучая этот главнейший из всех биологических текстов, я чувствовал великое благоговение. Да, конечно, он написан на языке, который мы понимаем очень слабо, и нам понадобятся десятилетия, а может быть, и века, чтобы в нем разобраться, и все же мы перешли через мост, вступив в совершенно новую область.

Сюрпризы генома

О проекте «Геном человека» написано много (по-видимому, даже слишком много) книг (Bishop J. Е., Waldholz М. Genome. New York: Simon & Schuster, 1990; Davies K. Cracking the Genome. New York: Free Press, 2001; Sulston J., Ferry G. The Common Thread. Washington: Joseph Henry Press, 2002; Wickelgren I. The Gene Masters. New York: Times Books, 2002; Shreeve J. The Genome War. New York: Knopf, 2004). Быть может, и я когда-нибудь напишу свою — надеюсь, что сумею дать в ней достаточно объективную оценку прошедших событий и избежать захлебывающихся интонаций, которыми страдают многие из популярных сейчас описаний. Но здесь у меня другая задача — я рассуждаю не о проекте, а о проблеме достижения гармонии между современной наукой и верой в Бога.

С этой точки зрения будет интересно более внимательно взглянуть на геном человека и сравнить его с геномами других организмов, которые к настоящему времени также полностью расшифрованы. При взгляде на 3,1 млрд букв кода ДНК, распределенных по 24 хромосомам, сразу же бросаются в глаза несколько удивительных вещей.

Первая из них — то, какая малая часть генома реально используется для кодирования белков. Общее количество генов, кодирующих белки, — приблизительно 20-25 тысяч (ограниченные возможности наших экспериментальных и вычислительных методов пока не позволяют дать точную оценку), и на них приходится около 1,5% кода. Это значительно меньше, чем предполагалось, — в итоге своей десятилетней работы мы надеялись найти как минимум 100 000 генов, и многих из нас ошеломила та краткость, с какой Бог высказался о человеке. В особенности же шокировало то, что у более простых организмов, таких как черви, мухи или водоросли, насчитывается примерно столько же генов — около 20 000.

Некоторые наблюдатели восприняли этот факт как оскорбительный для человечества. Неужели мы обманывались насчет своего особого места в животном мире? В действительности нет — ведь числом генов наверняка определяется далеко не все. По любым оценкам мы превосходим по биологической сложности круглых червей, состоящих всего из 959 клеток, хотя генов у них примерно столько же, сколько и у нас. И, разумеется, ни один другой организм не расшифровал собственный геном! Очевидно, наша сложность определяется не числом отдельных пакетов инструкций, а тем, как они используются. Может быть, компоненты, из которых мы состоим, обучились работать в многозадачном режиме?

Еще один способ осмысления этого факта дает сравнение с естественным языком человека. У образованного носителя английского языка средний объем активного словаря — около 20 000 слов. Из этих слов могут составляться и относительно простые документы — скажем, памятка владельцу автомобиля, — и тексты значительно большей сложности — например, «Улисс» Джеймса Джойса. Аналогичным образом, червям, насекомым, рыбам и птицам, как и нам, необходим для функционирования «словарный запас» в 20 000 генов, хотя они используют данный ресурс не так изощренно, как мы.

Вторая удивительная черта генома человека обнаруживается при сравнении разных представителей нашего вида. На уровне ДНК мы идентичны на 99,9%, независимо от того, каких людей из каких стран мы попробуем сравнить. Тем самым, судя по ДНК, все люди — действительно одна семья. Этот удивительно высокий уровень генетического сходства отличает нас от большинства других видов планеты, у которых в ДНК встречается в 10, а то и в 50 раз больше расхождений, чем у нас. Инопланетянин, изучающий формы жизни на Земле, заметил бы много интересных фактов, касающихся людей, но прежде всего должен был бы обратить внимание на исключительное генетическое единообразие внутри нашего вида.

Одним из направлений популяционной генетики является реконструкция истории популяций животных, растений, микроорганизмов с помощью математических инструментов. Если обработать с помощью тех же методов данные о геноме человека, получается, что все представители нашего вида произошли от одной группы прародителей численностью около 10 000, жившей 100-150 тысяч лет назад. Это хорошо согласуется с данными археологии, согласно которым наши гипотетические прародители обитали в Восточной Африке.

Далее, благодаря расшифровке геномов целого ряда организмов у нас появилась возможность провести детальное сравнение последовательностей ДНК нашего и других видов. Используя компьютер, можно выбрать определенный участок ДНК и проверить, есть ли похожие последовательности у каких-либо других существ. Когда такое сравнение проводится для области человеческого гена, кодирующей некоторый белок, у нее практически во всех случаях обнаруживается значительное сходство с геномами других млекопитающих. Часто обнаруживается явное, хотя и не такое большое сходство с генами рыб, а иногда и с более примитивными организмами, такими как плодовые мушки дрозофилы или круглые черви (нематоды). Есть отдельные примеры, когда подобие распространяется на все филогенетическое дерево вплоть до генов дрожжевых грибов и даже бактерий.

Если же выбрать участок ДНК между генами, вероятность нахождения аналогичной последовательности в других отдаленно родственных нам организмах падает, хотя полностью не исчезает. При тщательном поиске с применением компьютера у других видов млекопитающих удается найти аналоги приблизительно для половины таких фрагментов, а у приматов — почти для всех. В таблице 5.1 показана вероятность обнаружения соответствия в зависимости от категории организма.

Вероятность обнаружения похожей последовательности ДНК в геномах других организмов при сравнении с геномом человека

Таблица 5.1

 

Ген

(последовательность, кодирующая белок)

Произвольный сегмент ДНК между генами

Шимпанзе

100%

98%

Собака

99%

52%

Мышь

99%

40%

Курица

75%

4%

Дрозофила

60%

~0%

Нематода

35%

~0%

Рис. 5.1. На этой странице представлен современный вид филогенетического дерева для ряда видов млекопитающих, степень близости между которыми определена путем сравнения последовательностей ДНК. Длина ветвей соответствует количеству различий между видами: так, мышь ближе к крысе, чем к белке, а человеческая ДНК обнаруживает больше сходства с ДНК шимпанзе, чем с ДНК макаки. На соседней странице воспроизведен листок из записной книжки Дарвина 1837 г., где вслед за словами «Я думаю» нарисован эскиз «дерева жизни», отображающего родство между разными видами

Таким образом, анализ ДНК убедительно подтверждает оба главных положения дарвиновской теории эволюции — и происхождение всех живых существ от общего предка, и естественный отбор из множества случайных вариантов. На уровне генома в целом можно с помощью компьютера построить филогенетическое дерево, опираясь только на сходство последовательностей ДНК. Результат представлен на рис. 5.1. При анализе не использовались ни данные палеонтологии, ни информация о строении организмов животных, но его выводы совершенно аналогичны тем, к которым приводят сравнительное изучение анатомии существующих и ископаемых видов.

Далее, в отношении генома в целом теория Дарвина предсказывает следующее. Мутации, не влияющие на функционирование организма (т. е. локализованные в «мусорных» ДНК), должны накапливаться с постоянной скоростью, те же, которые затрагивают кодирующие участки, должны наблюдаться реже, поскольку, как правило, они вредны для организмов: полезное изменение, дающее организму преимущество при отборе и сохраняющееся в процессе дальнейшей эволюции, — исключительный случай. Так и происходит. Сходное явление наблюдается, кстати, и на кодирующих участках при их более детальном изучении. В предыдущей главе я упоминал об избыточности генетического кода — например, последовательности GAA и GAG синонимичны, им соответствует одна и та же аминокислота (глутаминовая). Поэтому некоторые мутации кодирующих участков могут быть «молчащими»: код меняется, но аминокислота остается прежней, и на организме изменение не сказывается. Сравнение генов родственных видов выявляет больше «молчащих» различий, чем влияющих на аминокислоту, — что в точности соответствует теории естественного отбора. Если предполагать, как некоторые, что каждый геном был сотворен отдельно, объяснить эту особенность не удастся.

Дарвин и ДНК

Чарльз Дарвин испытывал очень серьезные сомнения по поводу своей теории эволюции — может быть, именно поэтому он двадцать пять лет медлил с публикацией «Происхождения видов». Наверняка ему не раз хотелось вернуться на миллионы лет назад и своими глазами увидеть все те события, которые реконструировала его теория. Конечно, это было и осталось неосуществимым, но, помимо машины времени, вряд ли сам Дарвин мог бы вообразить более убедительное подтверждение своей теории, чем то, которое дает сравнительное изучение ДНК родственных видов.

В середине XIX в. у Дарвина не было возможности узнать, как действует механизм естественного отбора. Сейчас мы понимаем, что изменчивость, которую он предположил, вызывается мутациями в ДНК, имеющими естественную причину. Частота мутаций оценивается в одну ошибку на 100 млн комплементарных пар за поколение. (Между прочим, это означает, что на два генома — материнский и отцовский — каждого человека, насчитывающие по 3 млрд пар нуклеиновых оснований, приходится в среднем 60 новых мутаций, которых не было ни у одного из родителей.)

По большей части эти мутации происходят на несущественных участках и поэтому не приводят ни к каким или почти ни к каким последствиям. Те, которые случаются в более уязвимых местах, чаще всего вредоносны и быстро выбраковываются, так как снижают репродуктивную способность. Но изредка случайно происходит мутация, дающая небольшое преимущество при отборе. Это новое «написание» ДНК с чуть большей вероятностью будет в дальнейшем передано потомству. В течение очень долгого периода времени такие благоприятные модификации могут распространяться на весь вид, что в итоге приводит к существенным изменениям биологической функции.

Сейчас, с появлением инструментов, позволяющих прослеживать эволюцию, ее в отдельных случаях удается даже «поймать за руку». Некоторые критики дарвинизма стараются доказать, что данные палеонтологии подтверждают только «микроэволюцию» (небольшие изменения внутри видов), но не «макроэволюцию» (значительные изменения, приводящие к образованию нового вида). Мы видели, — заявляют они, — как постепенно изменилась форма клюва у зябликов с переходом на новую пищу, а появление нового вида не наблюдали ни разу.

Современная наука все более склоняется к тому, чтобы рассматривать это разделение как искусственное. Так, в настоящее время группа биологов в Стэнфордском университете занимается изучением чешуи колюшки, которая значительно различается в зависимости от внешней среды. У рыб, живущих в соленой воде, обычно насчитывается более трех десятков чешуек, которые покрывают все тело и увеличиваются от хвоста к голове, а у пресноводных видов чешуи почти не осталось.

Пресноводные колюшки, судя по всему, поселились в своих нынешних местах обитания совсем недавно — 10-20 тысяч лет назад, после таяния ледников в конце последнего оледенения. Сравнение геномов пресноводной и морской разновидности позволило обнаружить различия в гене, называемом EDA. Мутации этого гена неоднократно и независимо возникали в различных популяциях пресноводной колюшки, вызывая потерю чешуи. Интересно, что ген EDA есть и у людей; спонтанные мутации в нем приводят к дефектам волос, зубов, потовых желез и костей. Нетрудно представить себе, как расхождение между пресноводной и морской колюшкой усиливается и в результате образуются самостоятельные виды. Таким образом, отчетливой границы между микро- и макроэволюцией нет; значительные изменения, приводящие к появлению новых видов, состоят из ряда крохотных шагов, почти незаметных по отдельности.

Эволюционный процесс в действии мы наблюдаем также при появлении новых болезнетворных вирусов, бактерий и многоклеточных паразитов; такие события могут приводить к серьезным эпидемиям. В 1989 г. я, работая в Западной Африке, заразился малярией, хотя и принимал рекомендованное профилактическое средство — хлорокин. В этом регионе хлорокин использовался уже много лет, и когда в результате случайной мутации появилась форма возбудителя малярии, устойчивая к препарату, она быстро распространилась. Аналогичным образом, мутации вируса иммунодефицита (ВИЧ), вызывающего СПИД, затрудняют создание вакцины против него; именно эволюция вируса — главный виновник того, что болезнь возвращается к пациентам после курса лечения. Еще более взбудоражили общественность опасения, связанные с птичьим гриппом, в результате эпидемии которого погибло множество кур и несколько людей, вступавших в контакт с больными птицами. Вполне можно себе представить, что возбудитель этого гриппа — вирус H5N1 — мутирует и появится его разновидность, легко передающаяся от человека к человеку. Таким образом, теория эволюции важна не только для биологической, но и для медицинской науки.

Что нового мы узнаем об эволюции человека?

Колюшка — не человек. Что можно сказать об эволюции нашего вида? Со времен Дарвина представителей самых разных мировоззрений особенно интересовало то, каким образом общие законы биологии и эволюции действуют в случае одного конкретного вида — Homo sapiens, человека разумного.

Исследование генома неизбежно приводит к заключению, что люди и другие живые существа Земли произошли от общего предка. Некоторая статистика, подтверждающая это, приведена в таблице 5.1, отражающей степень сходства между геномами различных животных и нашим собственным. Само по себе это, конечно, не доказывает существования общего предка; с точки зрения креационистов причиной сходства может быть, например, повторное использование Богом удачных принципов творения. Тем не менее, как будет показано дальше (частично мы об этом уже говорили, обсуждая «молчащие» мутации в кодирующих последовательностях ДНК), факты, выясняющиеся при детальном изучении генома, говорят о несостоятельности этого объяснения для всех живых организмов, не исключая и людей.

В качестве первого примера попробуем сравнить геномы человека и мыши — оба они исследованы с высокой степенью достоверности и имеют приблизительно одинаковый полный размер, а также весьма сходный состав генов, кодирующих белки. При рассмотрении деталей обнаруживаются и другие несомненные признаки того, что мы произошли от общего предка. Например, в хромосомах человека и мыши есть довольно длинные фрагменты ДНК с одинаковым порядком расположения генов. Так, если в геноме человека следуют друг за другом гены А, В и С, то с большой вероятностью их аналоги в геноме мыши идут в том же порядке, хотя промежутки между ними могут несколько отличаться (см. рис. 5.2). В определенных случаях эта корреляция охватывает участки значительной протяженности: например, практически у всех генов, локализованных в 17-й хромосоме человека, есть аналоги в 11-й хромосоме мыши. Кто-то, наверное, мог бы возразить, что порядок генов критически важен для правильного выполнения ими своей функции и именно поэтому Творец использовал его многократно, но из данных современной молекулярной биологии не следует необходимость в применении этого ограничения на столь длинных участках.

Рис. 5.2. Порядок генов в хромосоме у мыши и человека часто совпадает, хотя промежутки между ними могут несколько различаться. Так, если три гена А, В и С у человека следуют друг за другом, их аналоги у мыши с большой вероятностью расположены в том же порядке. Что же касается промежутков, то теперь, имея перед глазами полную расшифровку геномов и человека, и мыши, между генами можно выявить остатки целого ряда так называемых мобильных генов — фрагментов, которые были способны (и сейчас до некоторой степени способны) внедряться в произвольные места генома. Среди этих генов есть претерпевшие множество мутаций, а значит, очень старые — древние повторяющиеся элементы (ancient repetitive elements, ARE). Интересно, что в геномах человека и мыши такие элементы часто обнаруживаются в сходных позициях (как в данном примере, где ARE в обоих случаях находится между генами А и В). Особый интерес представляют усеченные ARE, подобные представленному в примере между генами В и С. Элемент был обрезан по определенному месту в момент внедрения, потеряв, таким образом, часть кода и, как следствие, всю функциональность. Одинаково усеченные ARE в аналогичной позиции в геномах человека и мыши появились в результате внедрения мобильного гена, которое должно было произойти в организме общего предка двух видов

Еще более убедительное доказательство существования общего предка дает нам исследование фрагментов кода, называемых древними повторяющимися элементами (ancient repetitive elements, ARE). Они появляются в результате внедрения так называемых мобильных генов, способных к самокопированию и встраиванию копий в произвольные места генома — обычно без последствий для организма. Хромосомы млекопитающих содержат огромное количество таких «генетических обломков» — например, геном человека состоит из них примерно на 45%. При сопоставлении участков ДНК, ограниченных соответствующими друг другу и идущими в одинаковом порядке генами, как правило, можно обнаружить и аналогичные ARE, расположенные в геномах человека и мыши примерно в одних и тех же местах (рис. 5.2).

Некоторые из них присутствуют только в одном из двух геномов (а в другом, по-видимому, утрачены), но многие есть в обоих, причем их позиция указывает на то, что встраивание, вероятнее всего, произошло в геноме общего предка млекопитающих и передалось его потомкам. Конечно, кто-то может возразить, что мы лишь по невежеству относим эти элементы к «мусорной» ДНК, а на самом деле они исполняют некую функцию и у Творца были причины поместить их именно там, где мы их находим. И действительно, небольшая часть ARE играет важную роль, выступая в качестве регуляторов. Но это объяснение не очень правдоподобно, поскольку мобильные гены часто повреждаются при перемещении. По геномам мыши и человека разбросана масса ARE, усеченных в момент внедрения и утративших вследствие этого способность к какому бы то ни было функционированию. Во многих случаях «обезглавленные» и полностью мертвые ARE обнаруживаются в соответствующих друг другу позициях геномов человека и мыши (рис. 5.2).

Если не предполагать, что Бог специально разместил эти усеченные ARE так, чтобы сбить нас с толку и ввести в заблуждение, мы практически неизбежно приходим к выводу о существовании у человека и мыши общего предка. Таким образом, результаты исследования генома самым серьезным образом осложняют отстаивание идеи о сотворении всех видов «из ничего»

Рис. 5.3. Наборы хромосом (кариотипы) человека и шимпанзе. Обратите внимание на их явное сходство (количество, размер) и на важное отличие: человеческая хромосома 2 выглядит как результат склеивания «голова к голове» двух среднего размера хромосом шимпанзе (помеченных здесь как 2А и 2В)

Мы занимаем вполне определенное место в филогенетическом дереве, об этом свидетельствуют результаты сравнения человека с ближайшим из ныне живущих родственников — шимпанзе. Геном шимпанзе сейчас расшифрован, на уровне ДНК он совпадает с нашим на 96%.

Строение хромосом людей и шимпанзе также обнаруживает значительное сходство. Хромосомы, в которых упакована ДНК, видны в оптический микроскоп во время деления клетки; каждая из них содержит сотни генов. На рис. 5.3 представлено сравнение хромосом человека и шимпанзе. У человека 23 пары хромосом, а у шимпанзе — 24. Это отличие, по-видимому, возникло в результате слияния двух хромосом-предшественников, из которых образовалась 2-я хромосома человека. То, что произошло именно слияние у человека, подтверждается данными о строении хромосом гориллы и орангутана: у обоих этих видов по 24 пары хромосом, очень сходных с хромосомами шимпанзе.

После того как стала известна точная последовательность ДНК в геноме человека, появилась возможность подробно изучить место слияния, которое находится в длинном плече 2-й хромосомы. Анализ показал массу интересного — чтобы не вдаваться в технические подробности, скажу лишь, что последовательность нуклеиновых оснований на данном участке соответствует последовательностям на концах хромосом всех остальных приматов. В других местах эти фрагменты кода, как правило, не встречаются, но они есть ровно там, где и должны находиться согласно теории эволюции, — в середине нашей объединенной второй хромосомы. Слияние, произошедшее в ходе развития нашего вида, оставило в точке сращивания отпечаток в виде ДНК. Этот факт крайне сложно истолковать, не предположив происхождение от общего предка.

Еще один аргумент в пользу того, что у шимпанзе и людей был общий предок, вытекает из наблюдений над так называемыми псевдогенами — фрагментами ДНК, которые обладают почти всеми характеристиками нормальных генов, но из-за одного или нескольких сбоев не считываются и не транслируются в белок, так что содержащаяся в них информация остается неиспользованной. При сравнении человека и шимпанзе иногда обнаруживаются гены, которые у одного вида вполне функциональны, а у другого испорчены мутациями. Так, человеческий ген, отвечающий за выработку каспазы-12, полностью выведен из строя несколькими повреждениями, в то время как находящийся в соответствующей позиции ген шимпанзе отлично функционирует — как и аналогичные гены чуть ли не всех млекопитающих, включая мышей. Если бы Бог творил людей отдельно от других живых существ, стал ли бы Он специально заботиться о том, чтобы поместить именно в данной позиции заведомо испорченный ген?

Сейчас начинают получать объяснение и некоторые особенности человека, которые носят более технический характер и, возможно, сыграли решающую роль в формировании нашего вида. Один из примеров — ген, отвечающий за белок MYh26 в составе жевательных мышц. У человека он выродился в псевдоген, а у других приматов по-прежнему играет важную роль, обеспечивая силу челюстей. Разумно предположить, что инактивация этого гена привела к уменьшению массы жевательных мышц человека. В результате челюсти у нас слабее, чем у большинства обезьян. А поскольку жевательные мышцы прикрепляются к черепу, их относительная недоразвитость, возможно, парадоксальным образом помогла росту нашего черепа вверх, так что в нем поместился мозг большего размера. Это, конечно, чисто умозрительное рассуждение, и увеличение коры головного мозга, которое заведомо важнее, с необходимостью должно быть связано с рядом других генетических изменений.

Приведу еще один пример. Недавно большой интерес привлек ген FOXP2, по-видимому, связанный с речевыми способностями. История его открытия началась с выявления одной английской семьи, у членов которой на протяжении трех поколений наблюдались расстройства речи. Они испытывали трудности с обработкой слов согласно правилам грамматики, с пониманием предложений, имеющих сложную синтаксическую структуру, с артикуляцией некоторых звуков.

Генетическое обследование показало, что у людей, страдающих данным расстройством, повреждена одна буква кода в гене FOXP2, находящемся в 7-й хромосоме. Это было поразительно: небольшое изменение одного единственного гена вызывало серьезные нарушения речи без каких бы то ни было других заметных последствий.

Удивление еще более возросло, когда обнаружилось, что ген FOXP2 есть практически у всех млекопитающих, причем очень стабилен. Самое яркое исключение — человек, у которого кодирующий сегмент данного гена имеет два существенных отличия; вызвавшие их мутации, по-видимому, произошли около 100 000 лет назад. Соответственно, была выдвинута гипотеза о связи этих мутаций с появлением у людей естественного языка.

В этом месте безбожники-материалисты, наверное, обрадуются. Если люди появились строго в результате мутаций и естественного отбора, кому нужно привлекать к объяснению еще и Бога? На это я отвечу: мне. Как ни интересно сравнение геномов, оно не отвечает на вопрос, что такое быть человеком. На мой взгляд, у людей есть некоторые особенности, о которых нам никогда не сможет рассказать одна лишь последовательность ДНК, сколько бы мы ни собрали информации о биологических функциях. Я говорю о Нравственном законе и поиске Бога. Если Бог не творил животных и человека по отдельности, это не значит, что не Он — источник свойств, отличающих людей, и не Ему обязана своим существованием Вселенная. Учение об эволюции лишь проливает свет на методы, которыми Он действует.

Эволюция: теория или факт?

Рассмотренные здесь открытия, сделанные на основе изучения геномов, — наряду с другими, описание которых заняло бы сотню книг размером с эту, — обеспечили теории эволюции своего рода «поддержку на молекулярном уровне». Теперь практически все активно работающие биологи убеждены в бесспорной правильности дарвиновской модели наследственности, изменчивости и естественного отбора. В действительности почти невозможно представить себе, чтобы генетик, ведя исследования, подобные моим, мог систематизировать получаемые им данные геномов без теории Дарвина. Повторяя слова одного из ведущих биологов XX в. (и православного христианина) Феодосия Добржанского, «ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции» (Dobzhansky Т. Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution. //American Biology Teacher, 35 (1973). P. 125-129).

Однако вот уже 150 лет теория эволюции не дает покоя религиозному сообществу, и недовольство по ее поводу, насколько можно судить, не ослабевает. Все же я бы советовал верующим внимательно ознакомиться с научными данными, подтверждающими родство всех живых существ, включая и нас с вами. Доказательства настолько неоспоримы, что упорное нежелание американцев принять их выглядит более чем странно. Может быть, проблема отчасти заключается просто в неверном понимании слова «теория». Критики любят подчеркивать, что эволюция — «только теория»; эти заявления озадачивают работающих ученых, привыкших к другому значению слова. В моем толковом словаре Funk & Wagnalls дается два определения «теории»: (1) умозрительная или предположительная картина чего-либо; (2) фундаментальные принципы, лежащие в основе какой-либо науки, искусства и т. п. Например: теория музыки, теория уравнений.

Говоря о теории эволюции, ученые имеют в виду второе значение — то же, что в словосочетаниях «теория гравитации» или «теория микробной природы инфекционных заболеваний». В таком контексте слово «теория» не подразумевает неуверенности; чтобы передать соответствующий смысл, ученый скажет «гипотеза». Однако в повседневной бытовой речи американцев слово «теория» употребляется более небрежно, что и отражено в первом определении Funk & Wagnalls. Например: «у меня теория, что Билл без ума от Мэри», или «у Линды теория, что это дело рук дворецкого». Как жаль, что наш язык недостаточно тонко различает здесь значения, — ведь смысловая путаница усугубляет взаимное непонимание между сторонниками научной и религиозной точек зрения в споре о родстве между живыми существами.

Итак, если эволюция реальна, есть ли в мире место для Бога? Артур Пикок, знаменитый английский молекулярный биолог, впоследствии ставший англиканским священником, недавно опубликовал книгу, озаглавленную «Эволюция: замаскировавшийся друг веры?» (Peacocke A. Evolution: The Disguised Friend of Faith? Templeton Foundation Press, 2004). Название интересно тем, что подразумевает возможность сближения, но не будет ли это женитьба под дулом пистолета, соединение несовместимых мировоззрений? Или, последовательно изложив, с одной стороны, доводы в пользу существования Бога, а с другой — научные данные о происхождении Вселенной и жизни на нашей планете, мы все же сумеем найти их гармоничный синтез?

 

Предыдущая глава   Оглавление

 

Рекламные ссылки

как это было и как это будет

Это было семь лет назад — 26-го июня 2000 года. На совместной пресс-конференции с участием президента США и премьер-министра Великобритании представители двух исследовательских групп — International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) и Celera Genomics — объявили о том, что работы по расшифровке генома человека, начавшиеся ещё в 70-х годах, успешно завершены, и черновой его вариант составлен. Начался новый эпизод развития человечества — постгеномная эра.

Что может дать нам расшифровка генома, и стоят ли потраченные средства и усилия достигнутого результата? Фрэнсис Коллинз (Francis S. Collins), руководитель американской программы «Геном человека», в 2000 году дал следующий прогноз развития медицины и биологии в постгеномную эру:

  • 2010 год — генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, активно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем, особенно это чувствуется в развивающихся странах.
  • 2020 год — на рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде.
  • 2030 год — определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее $1000. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека. Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.
  • 2040 год — Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (ещё до рождения). Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.
    Для многих заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря улучшению социо-экономических условий. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.
    Неравенство в мире сохраняется, создавая напряженность на международном уровне.

Как видно из прогноза, геномная информация в недалеком будущем может стать основой лечения и профилактики множества болезней. Без информации о своих генах (а она умещается на стандарный DVD-диск) человек в будущем сможет вылечить разве что насморк у какого-нибудь целителя в джунглях. Это кажется фантастикой? Но когда-то такой же фантастикой была поголовная вакцинация от оспы или интернет (заметьте, в 70-х его еще не существовало)! В будущем генетический код ребенка будут выдавать родителям в роддоме. Теоретически, при наличии такого диска, лечение и предотвращение любых недугов отдельно взятого человека станет сущим пустяком. Профессиональный врач сможет в предельно сжатые сроки поставить диагноз, назначить эффективное лечение, и даже определить вероятность появления разных болезней в будущем. К примеру, современные генетические тесты уже позволяют точно определить степень предрасположенности женщины к раку груди. Почти наверняка, лет через 40–50 ни один уважающий себя врач без генетического кода не захочет «лечить вслепую» — подобно тому, как сегодня хирургия не может обойтись без рентгеновского снимка.

Давайте зададимся вопросом — а достоверно ли сказанное, или, может быть, в действительности всё будет наоборот? Смогут ли люди наконец победить все болезни и придут ли они ко всеобщему счастью? Увы. Начнем с того, что Земля маленькая, и счастья на всех не хватит. По правде сказать, его не хватит даже для половины населения развивающихся стран. «Счастье» предназначено в основном для государств, развитых в плане науки, в частности — наук биологических. Например методика, с помощью которой можно «прочесть» генетический код любого человека, уже давно запатентована. Это отлично отработанная автоматизированная технология — правда, дорогостоящая и очень тонкая. Хочешь, покупай лицензию, а хочешь — придумывай новую методику. Только вот денег на подобную разработку хватит далеко не у всех стран! В итоге ряд государств будет обладать медициной, существенно опережающей уровень остального мира. Естественно, в слаборазвитых странах Красным Крестом будут строиться благотворительные больницы, госпитали и геномные центры. И постепенно это приведет к тому, что генетическая информация пациентов развивающихся стран (которых большинство), сосредоточится у двух-трех держав, финансирующих эту благотворительность. Что можно сделать, имея такую информацию — даже представить трудно. Может, и ничего страшного. Однако возможен и другой исход. Битва за приоритет, сопровождавшая секвенирование генома, наглядно подтверждает важность доступности генетической информации. Давайте кратко вспомним некоторые факты из истории программы «Геном человека».

Противники расшифровки генома считали поставленную задачу нереальной, ведь ДНК человека в десятки тысяч раз длиннее молекул ДНК вирусов или плазмид. Главный аргумент против был: «проект потребует миллиарды долларов, которых недосчитаются другие области науки, поэтому геномный проект затормозит развитие науки в целом. А если все-таки деньги найдутся и геном человека будет расшифрован, то полученная в результате информация не оправдает затрат…» Однако Джеймс Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК и идеолог программы тотального прочтения генетической информации, остроумно парировал: «лучше не поймать большую рыбу, чем не поймать маленькую» [1], [2]. Аргумент учёного был услышан — проблему генома вынесли на обсуждение в конгресс США, и в итоге была принята национальная программа «Геном человека».

В американском городе Бетесда, что недалеко от Вашингтона, находится один из координационных центров HUGO (HUman Genome Organization). Центр координирует научную работу по теме «Геном человека» в шести странах — Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. В работу включились учёные из многих стран мира, объединенные в три команды: две межгосударственные — американская Human Genome Project и британская из Wellcome Trust Sanger Institute — и частная корпорация из штата Мериленд, включившаяся в игру чуть позже, — Celera Genomics. Кстати, это пожалуй первый случай в биологии, когда на таком высоком уровне частная фирма соревновалась с межгосударственными организациями.

Борьба происходила с использованием колоссальных средств и возможностей. Как отмечали некоторое время назад российские эксперты, Celera стояла на плечах у программы «Геном Человека», то есть использовала то, что уже было сделано в рамках глобального проекта. Действительно, Celera Genomics подключилась к программе не сначала, а когда проект уже шёл полным ходом. Однако специалисты из Celera усовершенствовали алгоритм секвенирования. Кроме того, по их заказу был построен суперкомпьютер, который позволял складывать выявляемые «кирпичики» ДНК в результирующую последовательность быстрее и точнее. Конечно, все это не давало компании Celera безоговорочного преимущества, однако считаться с ней как с полноправным участником гонки заставило.

Появление Celera Genomics резко повысило напряженность — те, кто был занят в государственных программах, почувствовали жёсткую конкуренцию. Кроме того, после создания компании остро встал вопрос об эффективности использования государственных капиталовложений. Во главе Celera стал профессор Крейг Вентер (Craig Venter) [3], который имел огромный опыт научной работы по государственной программе «Геном человека». Именно он и заявил, что все публичные программы малоэффективны и что в его фирме геном секвенируют быстрее и дешевле. А тут появился ещё один фактор — спохватились крупные фармацевтические компании. Дело в том, что если вся информация о геноме окажется в открытом доступе, они лишатся интеллектуальной собственности, и нечего будет патентовать. Озабоченные этим, они вложили миллиарды долларов в Celera Genomics (с которой, вероятно, было проще договориться). Это еще более укрепило её позиции. В ответ на это коллективам межгосударственного консорциума срочно пришлось повышать эффективность работ по расшифровке генома. Сначала работа шла несогласованно, но потом были достигнуты определенные формы сосуществования — и гонка начала наращивать темп.

Финал был красивым — конкурирующие организации по взаимной договоренности одновременно объявили о завершении работ по расшифровке генома человека [4], [5]. Произошло это, как мы уже писали — 26 июня 2000 года. Но разница во времени между Америкой и Англией вывела на первое место США.

Рисунок 1. «Гонка за генóм», в которой участвовали межгосударственная и частная компании, формально завершилась «ничьей»: обе группы исследователей опубликовали свои достижения практически одновременно. Руководитель частной компании Celera Genomics Крейг Вентер опубликовал свою работу в журнале Science в соавторстве с ~270 учёными, работавшими под его началом [5]. Работа, выполненная международным консорциумом по секвенированию человеческого генома (IHGSC), опубликована в журнале Nature, и полный список авторов насчитывает около 2800 человек, работавших в почти трёх десятках центров по всему миру [4].

Исследования в сумме продлились 15 лет. Создание первого «чернового» варианта генома человека обошлось в 300 миллионов долларов. Однако на все исследования по этой теме, включая сравнительные анализы и решение ряда этических проблем, было выделено в сумме около трех миллиардов долларов. Celera Genomics вложила примерно столько же, правда, она истратила их всего за шесть лет. Цена колоссальная, но эта сумма ничтожна в сравнении с той выгодой, которую получит страна-разработчик от ожидаемой вскоре окончательной победы над десятками серьезных заболеваний. В начале октября 2002 года в интервью «Ассошиэйтед пресс» президент Celera Genomics Крейг Вентер заявил, что одна из его некоммерческих организаций планирует заняться изготовлением компакт-дисков, содержащих максимум информации о ДНК клиента. Предварительная стоимость такого заказа — более 700 тысяч долларов. А одному из первооткрывателей структуры ДНК — доктору Джеймсу Уотсону — уже в этом году были подарены два DVD-диска с его геномом общей стоимостью 1 млн. долларов [6], — как видим, цены падают. Так, вице-президент фирмы 454 Life Sciences Майкл Эгхолм (Michael Egholm) сообщил, что в скором времени компания сможет довести цену расшифровки до 100 тыс. долларов.

Широкая известность и масштабное финансирование — палка о двух концах. С одной стороны, за счет неограниченных средств работа продвигается легко и быстро. Но с другой стороны, результат исследований должен получиться таким, каким его заказывают. К началу 2001 года в геноме человека со стопроцентной достоверностью было идентифицировано больее 20 тыс. генов. Эта цифра оказалось в три раза меньше, чем было предсказано всего за два года до этого. Вторая команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинсом независимым способом получила те же результаты — между 20 и 25 тыс. генов в геноме каждой человеческой клетки. Однако неопределенность в окончательные оценки внесли два других международных совместных научных проекта. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы Human Genome Studies) настаивал, что в их банке содержится информация о 140 тыс. генов. И этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Его фирма вложила деньги в патенты и собирается зарабатывать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека. Другая группа заявила о 120 тыс. идентифицированных генов человека и также настаивала, что именно эта цифра отражает общее число генов человека.

Тут необходимо уточнить, что эти исследователи занимались расшифровкой последовательности ДНК не самого генома, а ДНК-копий информационных (называемых также матричными) РНК (иРНК или мРНК). Другими словами, исследовался не весь геном, а только та его часть, что перекодируется клеткой в мРНК и направляет синтез белков. Поскольку один ген может служить матрицей для производства нескольких различных видов мРНК (что определяется многими факторами: тип клетки, стадия развития организма и т. д.), то и суммарное число всех различных последовательностей мРНК (а это именно то, что запатентовала Human Genome Studies) будет значительно бóльшим. Скорее всего, использовать это число для оценки количества генов в геноме просто некорректно.

Очевидно, что наспех «приватизированная» генетическая информация будет в ближайшие годы тщательно проверяться, пока точное число генов станет, наконец, общепринятым. Но настораживает тот факт, что в процессе «познания» патентуется вообще все, что только можно запатентовать. Тут даже не шкура не убитого медведя, а вообще все, что находилось в берлоге, было поделено! Кстати, на сегодня дебаты сбавили обороты, и геном человека официально насчитывает только 21667 генов (версия NCBI 35, датированная октябрём 2005 года). Следует отметить, что пока большая часть информации всё-таки остаётся общедоступной. Сейчас существуют базы данных, в которых аккумулирована информация о структуре генома не только человека, но и геномов многих других организмов (например, EnsEMBL). Однако попытки получить исключительные права на использование каких-либо генов или последовательностей в коммерческих целях всегда были, есть сейчас и будут предприниматься впредь.

На сегодня основные цели структурной части программы уже в основном выполнены — геном человека почти полностью прочитан. Первый, «черновой» вариант последовательности, опубликованный в начале 2001 года [4], был далек от совершенства. В нём отсутствовало приблизительно 30% последовательности генома в целом, из них около 10% последовательности так называемого эухроматина — богатых генами и активно экспрессирующихся участков хромосом. Согласно последним подсчётам, эухроматин составляет примерно 93,5% от всего генома [7]. Оставшиеся же 6,5% приходятся на гетерохроматин — эти участки хромосом бедны генами и содержат большое количество повторов, которые представляют серьезные трудности для ученых, пытающихся прочесть их последовательность [8]. Более того, считается, что ДНК в гетерохроматине находится в неактивном состоянии и не экспрессируется. (Этим можно объяснить такое «невнимание» ученых к оставшимся «малым» процентам человеческого генома.) Но даже имевшиеся на 2001 год «черновые» варианты эухроматиновых последовательностей содержали большое количество разрывов, ошибок и неверно соединенных и ориентированных фрагментов. Нисколько не умаляя значения для науки и ее приложений появление этого «черновика», стоит однако отметить, что использование этой предварительной информации в крупномасштабных экспериментах по анализу генома в целом (например, при исследовании эволюции генов или общей организации генома) выявило множество неточностей и артефактов. Поэтому дальнейшая и не менее кропотливая работа, «последние вершки», была абсолютно необходима.

Рисунок 2. Слева: Автоматизированная линия подготовки образцов ДНК для секвенирования в Центре Геномных исследований института Уайтхеда. Справа: Лаборатория в Сэнгеровском институте, заполненная автоматами для высокопроизводительной расшифровки последовательностей ДНК.

Завершение расшифровки заняло еще несколько лет и привело почти что к удвоению стоимости всего проекта. Однако уже в 2004 г. было объявлено, что эухроматин прочитан на 99% с общей точностью одна ошибка на 100 000 пар оснований. Количество разрывов уменьшилось в 400 раз. Аккуратность и полнота прочтения стала достаточной для эффективного поиска генов, отвечающих за то или иное наследственное заболевание (например, диабет или рак груди). Практически это означает, что исследователям больше не надо заниматься трудоемким подтверждением последовательностей генов, с которыми они работают, так как можно полностью положиться на определенную и доступную каждому последовательность всего генома.

Таким образом, изначальный план проекта был значительно перевыполнен. Помогло ли это нам в понимании того, как устроен и работает наш геном? Безусловно. Авторы статьи в Nature, в которой был опубликован «окончательный» (на 2004 год) вариант генома [7], провели с его использованием несколько анализов, которые были бы абсолютно бессмысленны, имей они на руках только «черновую» последовательность. Оказалось, что более тысячи генов «родились» совсем недавно (по эволюционным меркам, конечно) — в процессе удвоения исходного гена и последующего независимого развития дочернего гена и гена-родителя. А чуть меньше сорока генов недавно «умерли», накопив мутации, сделавшие их совершенно неактивными. Другая статья, вышедшая в том же номере журнала Nature, прямо указывает на недостатки метода, использованного учеными из Celera [9]. Следствием этих недостатков стали пропуски многочисленных повторов в прочитанных последовательностях ДНК и, как результат, недооценённая длина и сложность всего генома. Чтобы не повторять подобных ошибок в будущем, авторы статьи предложили использовать гибридную стратегию — комбинацию высокоэффективного подхода, использовавшегося учеными из Celera, и сравнительно медленного и трудоемкого, но и более надежного метода, применявшегося исследователями из IHGSC.

Куда дальше будет направлено беспрецедентное исследование «Геном человека»? Кое-что об этом можно сказать уже сейчас. Основанный в сентябре 2003 года международный консорциум ENCODE (ENCyclopaedia Of DNA Elements) поставил своей целью обнаружение и изучение «управляющих элементов» (последовательностей) в геноме человека. Действительно, ведь 3 млрд. пар оснований (а именно такова длина генома человека) содержат всего лишь 22 тыс. генов, разбросанных в этом океане ДНК непонятным для нас образом. Что управляет их экспрессией? Зачем нам такой избыток ДНК? Действительно ли он является балластом, или же все-таки проявляет себя, обладая какими-то неизвестными функциями [10]?

Для начала, в качестве пилотного проекта, ученые из ENCODE «пристально вгляделись» в последовательность, составляющую 1% от генома человека (30 млн. пар оснований), используя новейшее оборудование для исследований в молекулярной биологии. Результаты были опубликованы в апреле нынешнего года в Nature [11]. Оказалось, что бóльшая часть генома человека (в том числе участки, считавшиеся ранее «молчащими») служит матрицей для производства различных РНК, многие из которых не являются информационными, поскольку не кодируют белков. Многие из этих «некодирующих» РНК перекрываются с «классическими» генами (участками ДНК, кодирующими белки). Неожиданным результатом было и то, как регуляторные участки ДНК были расположены относительно генов, экспрессией которых они управляли. Последовательности многих из этих участков мало изменялись в процессе эволюции, в то время как другие участки, считавшиеся важными для управления клеткой, мутировали и изменялись в процессе эволюции с неожиданно высокой скоростью [10]. Все эти находки поставили большое количество новых вопросов, ответы на которые можно получить лишь в дальнейших исследованиях.

Другая задача, решение которой станет делом недалекого будущего, — определение последовательности оставшихся «малых» процентов генома, составляющих гетерохроматин, т. е. бедных генами и богатых повторами участков ДНК, необходимых для удвоения хромосом в процессе деления клетки. Наличие повторов делает задачу расшифровки этих последовательностей неразрешимой для существующих подходов, и, следовательно, требует изобретения новых методов. Поэтому не удивляйтесь, когда году в 2010 выйдет очередная статья, объявляющая об «окончании» расшифровки генома человека — в ней будет рассказано о том, как был «взломан» гетерохроматин.

Конечно, сейчас в нашем распоряжении имеется лишь некий «усредненный» вариант человеческого генома. Образно говоря — мы сегодня имеем лишь самое общее описание конструкции автомобиля: мотор, ходовая часть, колёса, руль, сиденья, краска, обивка, бензин с маслом и т. д. Ближайшее рассмотрение полученного результата свидетельствует о том, что впереди — годы работ по уточнению наших знаний по каждому конкретному геному. Программа «Геном человека» не прекратила свое существование, она лишь меняет ориентацию: от структурной геномики осуществляется переход к геномике функциональной, предназначенной установить, как управляются и работают гены. Более того, все люди на уровне генов отличаются так же, как одни и те же модели автомобилей отличаются различными вариантами исполнения одних и тех же агрегатов. Не только отдельные основания в последовательностях генов двух разных людей могут отличаться, но и количество копий крупных фрагментов ДНК, порой включающих в себя несколько генов, может сильно варьировать. А это означает, что на передний план выходят работы по детальному сравнению геномов, скажем, представителей различных человеческих популяций, этнических групп, и даже здоровых и больных людей. Современные технологии позволяют быстро и точно проводить такие сравнительные анализы, а ведь еще лет десять назад об этом никто и не мечтал. Изучением структурных вариаций человеческого генома занимается очередное международное научное объединение. В США и Европе значительные средства выделяются на финансирование биоинформатики — молодой науки, возникшей на стыке информатики, математики и биологии, без которой никак не разобраться в безграничном океане информации, накопленном в современной биологии. Биоинформационные методы помогут нам ответить на многие интереснейшие вопросы — «как происходила эволюция человека?», «какие гены определяют те или иные особенности человеческого организма?», «какие гены ответственны за предрасположенность к болезням?» Знаете, как говорят англичане: “This is the end of the beginning” — «Это конец начала». Вот именно эта фраза точно отражает нынешнюю ситуацию [12]. Начинается самое главное и — я совершенно уверен — самое интересное: накопление результатов, их сравнение и дальнейший анализ.

«…Сегодня мы выпускаем в свет первое издание „Книги жизни“ с нашими инструкциями, — сказал в эфире телеканала «Россия» Фрэнсис Коллинз. — Мы будем обращаться к нему десятки, сотни лет. И уже скоро люди зададутся вопросом, как они могли обходиться без этой информации».

Другую точку зрения можно проиллюстрировать, процитировав академика Кордюма В. А.:

«…Надежды же на то, что новая информация о функциях генома будет полностью открытой, чисто символические. Можно прогнозировать, что возникнут (на базе уже имеющихся) гигантские центры, которые смогут все данные соединить в одно связное целое, некую электронную версию Человека и реализовывать её практически — в гены, белки, клетки, ткани, органы и что угодно ещё. Но во что? Угодное кому? Для чего? В процессе работ по программе „геном человека“ стремительно совершенствовались методы и аппаратура для определения первичной последовательности ДНК. В крупнейших центрах это превратилось в некое подобие заводской деятельности. Но даже на уровне лабораторных индивидуальных приборов (вернее их комплексов) уже создано столь совершенное оборудование, что оно способно определить за три месяца такую по объему последовательность ДНК, которая равна всему геному человека. Не удивительно, что возникла (и тут же начала стремительно реализоваться) идея определения геномов индивидуальных людей. Безусловно, это очень интересно — сравнить отличия разных индивидуумов на уровне их первоосновы. Польза от такого сравнения тоже несомненная. Можно будет установить, у кого имеются какие нарушения в геноме, прогнозировать их последствия и устранить то, что может привести к болезням. Здоровье будет гарантированным, да и жизнь продлится весьма существенно. Это с одной стороны. С другой же стороны всё совсем не очевидно. Получить и проанализировать всю наследственность индивидуума означает получение полного, исчерпывающего биологического досье на него. Оно, при желании того, кто его знает, позволит столь же исчерпывающе делать с человеком всё что угодно. По уже известной цепочке: клетка — молекулярная машина; человек состоит из клеток; клетка во всех своих проявлениях и во всём диапазоне возможных ответов, записана в геноме; с геномом можно ограниченно уже и сегодня манипулировать, а в обозримом будущем вообще манипулировать практически как угодно…»

Однако, наверное, пугаться таких мрачных прогнозов еще рано (хотя знать о них, безусловно, нужно). Для их осуществления надо полностью перестраивать многие социальные и культурные традиции. Очень хорошо по этому поводу сказал в интервью доктор биологических наук Михаил Гельфанд, и. о. заместителя директора Института проблем передачи информации РАН: «…если у вас есть, предположим, один из пяти генов, предопределяющих развитие шизофрении, то что может случиться, если эта информация — ваш геном — попала в руки вашего потенциального работодателя, который ничего в геномике не понимает! (и как следствие — вас на работу могут не принять, посчитав это рискованным; и это не смотря на то, что шизофрении у вас нет и не будет — прим. автора.) Другой аспект: с появлением индивидуализированной медицины, основанной на геномике, полностью изменится страховая медицина. Ведь одно дело — предусматривать риски неизвестные, а другое дело — совершенно определенные. Если честно, то все западное общество в целом, не только российское, к геномной революции сейчас не готово…» [13].

Действительно, чтобы разумно пользоваться новой информацией, надо ее понимать. А для того чтобы понять геном — не просто прочитать, этого далеко не достаточно, — нам потребуются десятилетия. Слишком уж сложная картина вырисовывается, и чтобы осознать её, нам надо будет поменять многие стереотипы. Поэтому на самом деле расшифровка генома ещё продолжается и будет продолжаться. И будем ли мы стоять в стороне или станем, наконец, активными участниками этой гонки — зависит от нас.

  1. Киселёв Л. (2001). Новая биология началась в феврале 2001 года. «Наука и Жизнь»;
  2. Киселёв Л. (2002). Вторая жизнь генома: от структуры к функции. «Знание–Сила». 7;
  3. Смыслы «жизни»;
  4. Eric S. Lander, Lauren M. Linton, Bruce Birren, Chad Nusbaum, Michael C. Zody, et. al.. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 409, 860-921;
  5. J. Craig Venter, Mark D. Adams, Eugene W. Myers, Peter W. Li, Richard J. Mural, et. al.. (2001). The Sequence of the Human Genome. Science. 291, 1304-1351;
  6. Геном Нобелевского лауреата Джеймса Уотсона скоро будет расшифрован;
  7. International Human Genome Sequencing Consortium. (2004). Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature. 431, 931-945;
  8. Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?;
  9. Xinwei She, Zhaoshi Jiang, Royden A. Clark, Ge Liu, Ze Cheng, et. al.. (2004). Shotgun sequence assembly and recent segmental duplications within the human genome. Nature. 431, 927-930;
  10. «Мусорная» ДНК управляет эволюцией млекопитающих?;
  11. Ewan Birney, The ENCODE Project Consortium, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó, et. al.. (2007). Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project. Nature. 447, 799-816;
  12. Lincoln D. Stein. (2004). Human genome: End of the beginning. Nature. 431, 915-916;
  13. Гельфанд М. (2007). Постгеномная эра. «Коммерческая биотехнология».

Результаты проекта «Геном человека»

кДНК: кДНК обозначает комплементарную ДНК, синтетический тип ДНК, генерируемый из матричной РНК, или мРНК, молекулы в клетке, которая принимает информацию от кодирующей белок ДНК — генов — к машинам по производству белков и инструктирует их. чтобы сделать определенный белок. Используя мРНК в качестве шаблона, ученые используют ферментативные реакции для преобразования ее информации обратно в кДНК, а затем клонируют ее, создавая коллекцию кДНК или библиотеку кДНК.Эти библиотеки важны для ученых, потому что они состоят из клонов всей ДНК, кодирующей белок, или всех генов в геноме человека.

см: см означает сантиметров моргана, единиц генетического расстояния. Обычно один сентиМорган равен примерно 1 миллиону пар оснований.

Эукариот: Эукариот — это одноклеточный или многоклеточный организм, клетки которого содержат отдельное мембраносвязанное ядро. Если что-то описывается как «эукариотическое», это означает, что в нем есть клетки с мембраносвязанными ядрами.

Мб: Мб означает мегабазы, — это единица длины, равная 1 миллиону пар оснований и примерно равна 1 сМ.

Microarray: Microarrays — это устройства, используемые во многих типах крупномасштабного генетического анализа. Их можно использовать для изучения того, как большое количество генов выражается в виде информационной РНК в конкретной ткани и как регуляторные сети клетки одновременно контролируют огромные батареи генов. В исследованиях микроматриц используется робот для точного нанесения крошечных капель, содержащих функциональную ДНК, на предметные стекла.Затем исследователи прикрепляют флуоресцентные метки к комплементарной ДНК (кДНК) ткани, которую они изучают. Меченая кДНК связывается с соответствующей последовательностью ДНК в определенном месте на слайде. Слайды помещаются в сканирующий микроскоп, который может измерять яркость каждой флуоресцентной точки. Яркость показывает, сколько присутствует конкретный фрагмент кДНК, что является индикатором активности гена.

Ученые используют микроматрицы по-разному. Например, микроматрицы можно использовать для определения того, какие гены в клетках активно производят продукты при определенных условиях, а также для обнаружения и / или изучения различий в активности генов между здоровыми и больными клетками.

Олигонуклеотид: Короткий полимер от 10 до 70 нуклеотидов. Нуклеотид — это один из структурных компонентов или строительных блоков ДНК и РНК. Нуклеотид состоит из основного химического вещества — аденина (A), тимина (T), гуанина (G) или цитозина (C) — плюс сахарно-фосфатный остов. Олигонуклеотиды часто используются в качестве зондов для обнаружения комплементарной ДНК или РНК, поскольку они легко связываются со своими комплементами.

SNP: SNP обозначает однонуклеотидный полиморфизм. SNP — это обычные, но незначительные вариации, которые встречаются в геноме человека с частотой один на каждые 300 оснований. Это означает, что 10 миллионов позиций из 3 миллиардов пар оснований генома человека имеют общие вариации. Эти вариации можно использовать для отслеживания наследственности в семьях и предрасположенности к болезням, поэтому ученые упорно трудятся над созданием каталога SNP в качестве инструмента для выявления причин распространенных заболеваний, таких как диабет или болезни сердца.

STS: STS обозначает сайт с тегами последовательностей , — короткий сегмент ДНК, который встречается только один раз в геноме и чье точное расположение и порядок оснований известны. Поскольку каждый из них уникален, STS полезны при размещении хромосом при картировании и секвенировании данных из многих различных лабораторий. STS служат ориентирами на физической карте генома

Проект «Геном человека

» | Геном: открытие кода жизни

Проект «Геном человека» (HGP) стартовал в 1990 году как сотрудничество международных исследователей, общей целью которых было составить карту и понять все гены человека.Весь генетический материал человека, вместе взятый, включая все гены и другие элементы генома, составляет его «геном».

Ученые HGP использовали несколько подходов для декодирования генома человека: они изучили порядок, или последовательность , из более чем 3 миллиардов оснований в ДНК человека. Они составили карты, показывающие расположение генов на наших хромосомах — непростая задача, учитывая 20 500 генов в геноме человека. И они создали карт сцепления , которые можно использовать для отслеживания наследственных признаков, таких как генетические заболевания, на протяжении многих поколений.

Рабочий проект генома человека был опубликован в феврале 2001 г. [Nature, 15 февраля 2001 г.], а в апреле 2003 г. было завершено и опубликовано секвенирование полного генома человека.

Расшифровка первой последовательности генома человека заняла от шести до восьми лет активного секвенирования и стоила около 1 миллиарда долларов. Сегодня геном человека можно секвенировать за один-два дня и стоит от 4000 до 5000 долларов. Дальнейшее сокращение — до менее чем 1000 долларов — ожидается в ближайшие несколько лет.

Конечным достижением HGP было предоставление миру подробной информации о структуре, организации и функции полного набора человеческих генов — «набора инструкций» для человека.Проект также способствовал гигантскому скачку в наших знаниях о нарушениях, вызванных дефектами одного гена. До начала HGP мы знали генетические основы около 60 редких генетических заболеваний; когда он закончился, число подскочило до 2200. Сегодня, благодаря исследованиям, инициированным HGP, мы знаем геномную основу почти 5000 редких заболеваний.

Инструменты и технологии, созданные для достижения этой цели, также использовались для декодирования геномов исследуемых организмов, таких как мыши, круглые черви и дрозофилы.Секвенированы геномы собак, кошек, коров, свиней, даже опоссума и утконоса. В 2003 году исследователи секвенировали геномы трех позвоночных животных; Сегодня известно 112 последовательностей генома позвоночных.

Отличительной чертой масштабных международных исследований HGP была его приверженность открытости, быстрому обмену информацией между исследовательскими группами по мере ее обнаружения и предоставлению ученым всего мира беспрепятственного доступа к данным о человеческой последовательности. Информация, полученная с помощью HGP, продолжает широко распространяться, с постоянным стремлением анализировать ее этические, правовые и социальные последствия, а также соответствующие варианты политики.

Ресурсы

Наука, лежащая в основе проекта «Геном человека»

. Объяснение часто используемых генетических терминов, таких как ДНК, хромосома, геном, протеом, и их взаимосвязи друг с другом и с проектом «Геном человека»; от Министерства энергетики США

Ссылка непосредственно на контент:

Проект «Геном человека»

Проект «Геном человека» — открытие чертежа человека

Хотя все люди на нашей планете созданы по одному и тому же плану, нет двух абсолютно одинаковых людей.Хотя мы достаточно похожи, чтобы легко отличать себя от других живых существ, мы также отмечаем нашу индивидуальную уникальность. Так что же делает всех нас людьми, но при этом уникальными? Наша ДНК.

То, что делает нас такими, какие мы есть

Наша ДНК ( D эоксирибо N нуклеин A cid) находится в ядре каждой клетки нашего тела (кроме красных кровяных телец, у которых нет ядра).ДНК — это длинная молекула, состоящая из множества более мелких единиц. Для изготовления молекулы ДНК необходимо:

  • азотистые основания — их четыре: аденин (A), тимин (T), цитозин (C), гуанин (C)
  • молекулы углерода и сахара
  • молекулы фосфата

Если вы возьмете одно из четырех азотистых оснований и соедините его с молекулой сахара и молекулой фосфата, вы получите нуклеотидное основание. Молекулы сахара и фосфата соединяют нуклеотидные основания вместе, образуя единую цепь ДНК.

Две из этих нитей затем наматываются друг на друга, образуя витую лестницу двойной спирали ДНК. Нуклеотидные основания соединяются в пары, образуя ступеньки лестницы, а молекулы сахара и фосфата образуют боковые стороны. Основания объединяются в определенные комбинации: A всегда соединяется с T, а C всегда соединяется с G, образуя пары оснований.

Соедините вместе три миллиарда этих пар оснований в правильном порядке, и вы получите полный набор ДНК человека — геном человека. Это составляет молекулу ДНК длиной около метра.

Именно порядок, в котором расположены пары оснований — их последовательность — в нашей ДНК, обеспечивает основу для всего живого и делает нас такими, какие мы есть. Последовательность пар оснований в ДНК рыбы отличается от последовательности ДНК обезьяны.

Последовательность пар оснований у всех людей почти идентична — это то, что делает всех нас людьми. Однако есть небольшие различия в порядке трех миллиардов пар оснований в ДНК каждого человека, которые вызывают различия, которые мы видим в цвете волос, цвете глаз, форме носа и т. Д.Нет двух людей с абсолютно одинаковой последовательностью ДНК (за исключением однояйцевых близнецов, потому что они произошли из одного яйца, которое разделилось на две части, образуя две копии одной и той же ДНК).

Мы получаем ДНК от родителей. ДНК человеческого генома разбита на 23 пары хромосом (всего 46). Мы получаем 23 от матери и 23 от отца. Яйцеклетки и сперматозоиды имеют только по одной копии каждой хромосомы, поэтому, когда они объединяются, чтобы сформировать ребенка, ребенок имеет нормальные 2 копии.

Три миллиарда кошек — это много

Три миллиарда — это много пар оснований, и вместе они содержат огромное количество информации.Если бы все они были записаны в виде списка, они бы заняли около 10 000 книг размером с эпический фэнтези-роман (подумайте о толщине «Игры престолов»). Однако это не просто случайные списки информации. Скорее, в этой длинной цепочке есть отдельные участки ДНК, которые влияют на определенную характеристику или состояние. Эти участки ДНК известны как генов. Их последовательность пар оснований используется для создания аминокислот, которые соединяются вместе, чтобы образовать белок. Некоторые гены маленькие, всего около 300 пар оснований, а другие содержат более миллиона.

Гены составляют лишь около 1,5% нашей ДНК — остальное — лишнее, которое изначально не имело какой-либо конкретной цели и было названо «мусорной ДНК». Однако оказывается, что по крайней мере часть этого «мусора» на самом деле довольно полезна — она ​​используется для определения того, где начинаются и заканчиваются некоторые гены, и для регулирования их поведения. Хотя большая часть мусорной ДНК происходит из копий вирусных геномов, вторгшихся в наших далеких предков, новые исследования показывают, что большая часть этой ДНК, возможно, также приобрела функции в ходе нашей эволюции.

Гены содержат информацию для производства белков

Внутри гена пары оснований считываются наборами по три, и эти наборы называются кодонами. Это триплеты пар оснований, которые обеспечивают «код» для производства конкретной аминокислоты. Затем аминокислоты объединяются для создания белков. Белки строят все живые структуры, а также действуют как катализаторы (ферменты), контролирующие биохимические реакции. Белки строят ткани, а ткани строят органы, из которых состоит наше тело.Гены, определяющие, что у вас будут карие глаза, содержат инструкции для клеток радужной оболочки глаза, чтобы они вырабатывали белок коричневого цвета. Другая последовательность оснований будет означать другое сообщение, создавая разные белки и давая голубые глаза — это все равно что составить другое предложение с использованием тех же букв алфавита.

Гены можно включать и выключать

Итак, если каждая клетка нашего тела содержит одну и ту же ДНК, как мы можем получить сложное расположение различных клеток, которое представляет собой тело человека (или любого другого существа, если на то пошло)?

Секрет в том, что, хотя каждая клетка содержит одну и ту же последовательность генов, не каждый ген «включается» или экспрессируется в каждой клетке.Клетки, вырабатывающие пигмент в глазу, также содержат гены, отвечающие за образование белков зубной эмали или клеток печени, но, к счастью, этого не происходит, потому что эти гены неактивны в клетках глаза. Есть участки ДНК, которые не кодируют белки, а действуют как «пунктуация» в геноме, которая контролирует функционирование генов и другие процессы.

Все это — гены плюс знаки препинания плюс мусор — составляет наш геном.

Зачем изучать наш геном?

Определение последовательности пар оснований во всех наших генах позволяет нам понять код, который делает нас теми, кто мы есть.Эти знания могут затем дать нам ключ к разгадке того, как мы развиваемся как эмбрионы, почему у людей больше умственных способностей, чем у других животных и растений, и что происходит в организме, вызывая рак. Но установить последовательность из трех миллиардов пар оснований — это БОЛЬШАЯ задача. Грандиозная и амбициозная исследовательская программа, направленная на достижение этой цели, называлась «Проект генома человека».

Идея проекта «Геном человека» родилась в 1970-х годах, когда ученые научились «клонировать» небольшие кусочки ДНК размером с ген.Чтобы клонировать ДНК, ученые вырезали из длинной цепи фрагмент ДНК человека и затем включали его в геном бактерии или бактериального вируса. Затем фрагмент многократно реплицируется в бактериальной клетке, и каждый раз, когда бактериальная клетка делится, новые клетки также содержат введенный фрагмент ДНК. Бактериальные клетки размножаются интенсивно, и поэтому в результате этого процесса образуются миллионы клеток, все из которых содержат введенный фрагмент ДНК, чего достаточно, чтобы исследователи могли подробно изучить его и выяснить последовательность пар оснований.

Со временем исследователи смогли изучить все большее количество различных фрагментов ДНК, то есть разных генов. Стало ясно, что определенные варианты последовательностей ДНК были связаны с определенными состояниями: такими заболеваниями, как муковисцидоз или рак груди, или нормальными, безопасными вариантами, такими как рыжие волосы.

Первоначально проект «Геном человека» вызывал сильную оппозицию, даже со стороны некоторых ученых. Учитывая, что только около 1,5% нашего генома представляют собой настоящие гены, кодирующие белки, считалось, что большая часть затрат в 3 миллиарда долларов на секвенирование всего генома человека будет потрачена на «мусорную» ДНК, которая, по мнению ученых, не использовалась. .Важная роль «мусорной» ДНК в регуляции генов еще не была оценена.

Исследовательские группы во многих странах, включая Австралию, начали секвенировать различные гены, что положило начало общей карте генов человека. В 1989 году ведущими учеными была основана Организация генома человека (HUGO) для координации огромных международных усилий по сбору данных о последовательностях для раскрытия секретов наших генов.

 открывалка

Фрэнсис Коллинз, бывший директор Национального исследовательского института генома человека, руководил проектом «Геном человека». Изображение предоставлено: Всемирный экономический форум на Flickr.

Проект «Геном человека»

Настолько сложно, что сначала казалось недостижимым

Проект «Геном человека» был направлен на нанесение на карту всего генома, включая положение каждого гена человека в цепи ДНК, а затем определение последовательности пар оснований каждого гена.В то время секвенирование даже небольшого гена могло занимать месяцы, поэтому это считалось колоссальным и очень дорогостоящим мероприятием. К счастью, биотехнология быстро развивалась, и к моменту завершения проекта можно было секвенировать ДНК гена за несколько часов. Несмотря на это, проект занял десять лет; первый проект генома человека был объявлен в июне 2000 года.

Человечество на удивление простое?

В феврале 2001 года финансируемый государством Проект генома человека и частная компания Celera объявили, что они нанесли на карту практически весь геном человека, и приступили к разработке функций многих новых генов, которые были идентифицированы.Ученые были удивлены, обнаружив, что у людей всего около 25 000 генов, не намного больше, чем у круглого червя Caenorhabditis elegans, и меньше, чем у крошечного водяного рачка по имени Дафния, у которого их около 30 000. Однако секвенирование генома показало, что сложность организма не обязательно связана с количеством f генов.

Кроме того, хотя у нас может быть удивительно небольшое количество генов, они часто экспрессируются множественными и сложными способами. Многочисленные гены выполняют до дюжины различных функций и могут транслироваться в несколько различных версий, действующих в разных тканях.У нас также есть много дополнительной ДНК, которая не составляет определенных генов. Таким образом, даже несмотря на то, что рыба фугу Tetraodon nigroviridis имеет больше генов, чем мы, — почти 28 000, — размер всего ее генома на самом деле составляет лишь одну десятую нашего, поскольку в ней гораздо меньше некодирующей ДНК.

В апреле 2003 г., к 50-летию публикации структуры ДНК, была объявлена ​​полная окончательная карта генома человека. ДНК большого числа доноров, женщин и мужчин из разных стран и разных рас, внесли свой вклад в эту «типичную» последовательность генома человека.

  • Картирование генов

    Из примерно 25 000 генов человека, которые были идентифицированы как кодирующие белки, большинство существует в нескольких вариантах последовательностей, называемых аллелями. Иногда эти вариации безвредны. Ген, кодирующий цвет глаз, имеет несколько аллелей — один для голубых глаз, другой для карих глаз. Иногда эти генетические вариации могут вызывать заболевание. Например, мутация в гене, который переносит ионы через мембрану клеток легких, может вызвать муковисцидоз.

    Итак, хотя наши аллели могут быть разными, у всех людей в основном одни и те же гены. Проект «Геном человека» идентифицировал полный набор генов человека, секвенировал их все и идентифицировал некоторые аллели, особенно те, которые могут вызывать заболевание при их мутации.

    Гены можно картировать относительно физических характеристик хромосомы или относительно других генов. Когда разные гены расположены близко друг к другу на одной хромосоме, они, как говорят, связаны, потому что они обычно передаются вместе («совместно наследуются») ребенку.Однако хромосомы ломаются и повторно соединяются, когда образуются яйцеклетки и сперматозоиды («мейоз»), поэтому даже гены, которые находятся близко друг к другу, иногда могут быть разделены. Чем ближе друг к другу гены, тем больше вероятность, что они останутся вместе. Анализ того, как часто гены отделяются друг от друга, может помочь установить расстояние между генами и создать карту генетического сцепления. В проекте «Геном человека» первой задачей было составить карту генетического сцепления для каждой хромосомы.

    Карта генетического сцепления составлена ​​на основе изучения закономерностей разделения генов и показывает относительное расположение генов на хромосоме.Это ничего не говорит нам о реальных физических расстояниях между генами. Физическая карта, созданная путем гибридизации флуоресцентно меченного зонда с хромосомами, может быть совмещена с картой сцепления. Карты молекулярной шкалы могут быть построены на основе маркеров последовательностей в молекуле ДНК и позволяют количественно оценить эти расстояния, обычно с точки зрения количества пар оснований между генами. Вместе карта генетических связей, физическая карта, молекулярные карты и последовательность дают нам полную картину генома.

открывалка

Это все обо мне

Очень приятно составить карту из этих трех миллиардов пар и выяснить, как все они сочетаются друг с другом, чтобы понять фундаментальную сущность человека.Но какое значение это имеет для нашей повседневной жизни?

Вообще-то, довольно много. Поскольку стоимость секвенирования генома резко падает — первый геном человека, секвенированный в 2003 году, обошелся примерно в 2,7 миллиарда долларов США, в то время как сейчас это можно сделать менее чем за 1000 долларов США, — врачи получают в свое распоряжение новый и чрезвычайно мощный инструмент. Определение того, как наши гены взаимодействуют и какие части нашего генома влияют на определенные заболевания и состояния, означает, что врачи и ученые могут лучше понять, как работают эти состояния и как их лечить.Совместите это с точным знанием генов конкретного человека и их мутаций, и мы вступаем в новую эру персонализированной медицины.

Врачи могут адаптировать лечение пациента к индивидуальному подходу, точно так же, как портной подбирает костюм или платье для каждого человека. Могут быть разработаны лекарственные препараты, основанные на определенных генетических мутациях, и врачи могут диагностировать заболевание у пациента, у которого нет типичных симптомов. Ученые ожидают, что вскоре мы перейдем от стиля лечения «один препарат для всех» к более эффективному, индивидуализированному и целенаправленному подходу.Например, на основе генома пациента врачи могут предсказать, ответят ли они на определенные методы лечения рака. Это может помочь избежать излишнего воздействия на пациента разрушительного химиотерапевтического лечения.

Картирование генома человека также может дать врачам возможность предсказывать или предвидеть любые заболевания, к которым этот человек может быть предрасположен. Затем с этими условиями можно было бы справиться с помощью превентивного подхода, прежде чем они приобретут серьезный характер.

 Исследователь просматривает последовательность ДНК открывалка

Этические разногласия

Нет сомнений в том, что информация, полученная в рамках проекта «Геном человека», приносит огромную пользу здоровью человека, помогая понять и лечить генетические заболевания (такие как рак груди, муковисцидоз и серповидно-клеточная анемия).Однако некоторые люди видят этические проблемы и задаются вопросом, «играют ли ученые в Бога» с нашими геномами.

Возможно ли неправильное использование генетической информации; например, из-за генетической дискриминации со стороны работодателей или страховых компаний? Большинство людей согласны с тем, что генное тестирование можно использовать с этической точки зрения для предотвращения серьезных заболеваний, таких как рак, или во время беременности, чтобы избежать рождения кого-то с тяжелой инвалидностью, но если мы позволим генному тестированию выбрать ребенка, который сможет лучше спорт или умнее? А как насчет выбора пола, который уже является проблемой в некоторых странах? И станет ли возможно использовать генетическую информацию для изменения генов у детей или взрослых в лучшую сторону? Действительно ли мы хотим знать, подвержены ли мы риску развития определенного заболевания, которое можно лечить, а может и нет? Каковы проблемы конфиденциальности при скрининге генома в масштабе популяции?

Все эти этические, правовые и социальные проблемы, связанные с генетической информацией, рассматриваются во всем мире учеными и специалистами по этике.Потенциал для развития медицины огромен, но, как и во многих других великих научных достижениях, новые знания влекут за собой новые огромные обязанности.

Распечатанная копия генома человека открывалка

Кто участвовал в проекте «Геном человека»? | Рассказы

Проект «Геном человека» — это проект, финансируемый государством, который объединил ученых со всего мира.Поддержка и финансирование со стороны Министерства энергетики и Национальных институтов здравоохранения США, а затем в Великобритании от Совета медицинских исследований и Wellcome Trust позволили проекту развернуться в огромных масштабах. Затем лаборатории этих организаций объединились с сотрудниками из шести стран, чтобы взять на себя масштабную задачу секвенирования первого генома человека.

Американская сторона проекта «Геном человека» первоначально возглавлялась Джеймсом Уотсоном.

Американская сторона проекта «Геном человека» первоначально возглавлялась Джеймсом Уотсоном (половина Крика и Ватсона, открывшего структуру ДНК), а позже — Фрэнсисом Коллинзом.Джон Салстон, который был директором здесь, в Институте Сэнгера Wellcome Trust (в то время называвшемся Центром Сэнгера), был главным руководителем британской стороны проекта.

Сам проект в конечном итоге обойдется в огромные 3 миллиарда долларов за 13 лет.

Все участники были заинтересованы в том, чтобы проект был совместным. Отчасти это было связано с тем, что он касался «человеческого» генома, а не «американского» или «британского» генома, но также потому, что им требовалась всемирная поддержка, поскольку сам проект в конечном итоге обошелся бы в огромные 3 миллиарда долларов за 13 лет (хотя их начальная цель была 15 лет).Проект «Геном человека» предоставил прекрасную возможность для поощрения международного сотрудничества в области биологических наук, установив стандарты в методах и технологиях по всему миру, чтобы повлиять на будущие медицинские исследования.

Международный проект

Чтобы разделить рабочую нагрузку поровну, секвенирование 23 пар хромосом, содержащихся в геноме человека, было разделено между центрами секвенирования по всему миру.

В проекте «Геном человека» участвовали ученые из 20 учреждений из шести стран.

Всего в «Международный консорциум по секвенированию генома человека», как называлась команда проекта «Геном человека», участвовали ученые из 20 учреждений из шести стран: Франции, Германии, Японии, Китая, Великобритании и США (полный список можно найти ниже).

Все эти страны сыграли важную роль в проекте, однако было пять основных сайтов, которые секвенировали большую часть генома человека. Это были:

  • Институт Броуда / Институт биомедицинских исследований (MIT) Уайтхеда в Кембридже, США
  • Вашингтонский университет в Сент-Луисе, США
  • Медицинский колледж Бейлора в Хьюстоне, США
  • Отделение Объединенный институт генома Energy в Уолнат-Крик, США
  • Wellcome Trust Sanger Institute (ранее известный как Центр Сэнгера) в Кембридже, Великобритания

Здесь, в Wellcome Trust Sanger Institute, мы секвенировали почти треть генома человека.

Здесь, в Институте Сэнгера Wellcome Trust, мы секвенировали почти одну треть генома человека, сосредоточив внимание на хромосомах 1, 6, 9, 10, 11, 13, 20, 22 и X (некоторые из которых использовались совместно с другими центрами). ).

Члены Международного консорциума по секвенированию генома человека

1. Wellcome Trust Sanger Institute, Wellcome Trust Genome Campus, Hinxton, Кембриджшир, Великобритания

2. Broad Institute / Whitehead Institute / MIT Center for Genome Research, Cambridge , Массачусетс, США

3.Центр секвенирования генома Медицинской школы Вашингтонского университета, Сент-Луис, штат Миссури, США

Геном человека, секвенированный в ходе проекта «Геном человека», был получен из случайно выбранных анонимных пожертвований, сделанных в США.

4. Объединенный институт генома Министерства энергетики США, Уолнат-Крик, Калифорния, США

5. Бейлорский медицинский колледж Центр секвенирования генома человека, Департамент молекулярной генетики и генетики человека, Хьюстон, Техас, США

6.Центр геномных наук RIKEN, город Йокогама, Япония,

7. Genoscope и CNRS, UMR-8030, Evry Cedex, Франция,

8. Центр секвенирования Genome Therapeutics Corporation (GTC), Genome Therapeutics Corporation, Уолтем, Массачусетс, США

9. Отдел геномного анализа, Институт молекулярной биотехнологии, Йена, Германия

10. Пекинский институт геномики / Центр генома человека, Институт генетики Китайской академии наук, Пекин, Китай

11.Центр секвенирования мультимегабаз, Институт системной биологии, Сиэтл, Вашингтон, США

12. Стэнфордский технологический центр генома, Стэнфорд, Калифорния, США

13. Стэнфордский центр генома человека и Департамент генетики Медицинской школы Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния, США

14. Центр генома Вашингтонского университета, Сиэтл, Вашингтон, США

Вторым в истории секвенированием человеческого генома был геном Джеймса Уотсона, соавтора открытия структуры ДНК.

15. Кафедра молекулярной биологии, Медицинский факультет Университета Кейо, Токио, Япония

16. Юго-западный медицинский центр Техасского университета в Далласе, Даллас, Техас, США *

17. Центр передовых технологий генома Университета Оклахомы , Департамент химии и биохимии, Университет Оклахомы, Норман, Оклахома, США

18. Институт молекулярной генетики Макса Планка, Берлин, Германия

19. Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Центр генома Литы Анненберг, Хазен, Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. Йорк, США

20.Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH (GBF) — Немецкий исследовательский центр биотехнологии, Брауншвейг, Германия.

* Центр секвенирования больше не работает

Европейский институт биоинформатики в Кембридже, Великобритания, и Национальный центр биотехнологической информации при Национальных институтах здравоохранения США также сыграли ключевую роль в обеспечении вычислительной поддержки и анализа генома человека. Проект. Ученые Калифорнийского университета в Санта-Круз и Neomorphic, Inc.также способствовал сборке последовательности генома в хромосомах.

Эта страница последний раз обновлялась 21.07.2021

Human Genome Project — обзор

НАЧАЛО

Human Genome Project (HGP) представляет собой знаковый научный подвиг. Это сравнимо с высадкой на Луну с точки зрения технологических проблем, которые необходимо было преодолеть, и множества преимуществ, как прямых, так и косвенных, возникающих в настоящее время. Это также продемонстрировало, как ученые всего мира могут работать вместе, чтобы осуществить мечту, которую многие считали невозможной.Последствия HGP будут влиять на медицинскую практику и проведение медицинских исследований на многие годы вперед. Помимо очевидных достижений в знаниях о генетике, достижения в области биоинформатики, биотехнологии и клинической помощи обеспечат многократное возмещение финансовых затрат на HGP. Потенциальные негативные результаты HGP отражают этические, социальные и правовые последствия, которые могут возникнуть в результате ненадлежащего использования генетической информации. Однако эти вопросы открыто обсуждаются, и есть оптимизм в отношении того, что их удастся избежать и, таким образом, не будет отвлекать внимание от HGP (см. Главу 10).

Министерство энергетики США (DOE) было ключевым игроком, предложившим HGP в 1987 году. Министерство энергетики имело долгосрочный исследовательский интерес к ДНК из-за его работы с ядерным оружием и единственного способа полностью понять мутагенный эффект. Эффект облучения от этого оружия должен был охарактеризовать индивидуальные различия в ДНК, т. е. последовательность генома человека. Однако в середине 1980-х секвенирование ДНК было технически трудным; следовательно, только несколько выбранных генов в геноме были секвенированы.Большинство из 50000–100000 генов в геноме человека (количество генов, которые, как считалось, присутствовали в то время — теперь это число сократилось примерно до 30000) не были обнаружены, а подавляющее большинство из 3 × 10 9 пар оснований, составляющих гаплоидный геном человека, не содержали генных последовательностей. Это (к сожалению) называется мусорной ДНК и обычно не является целью секвенирования ДНК. Таким образом, обширные следы ДНК оставались неизученными, а технология секвенирования таких больших участков была недоступна.Ни одна группа или группы исследователей не были достаточно многочисленными, чтобы взяться за грандиозную задачу, которую предлагали.

Несмотря на кажущиеся непреодолимыми препятствия, ученые в целом считали, что HGP осуществима, и в 1988 году Конгресс США профинансировал DOE и NIH (Национальные институты здравоохранения) для дальнейшего изучения потенциала HGP. Однако не все ученые были единодушны в своем энтузиазме, и существовало серьезное заблуждение, что эта работа была не исследованием в чистом виде, а монументальным упражнением в сборе данных.Потенциальные затраты также вызвали серьезное беспокойство, особенно если средства от более традиционных исследований перенаправлялись в HGP.

HGP был начат в конце 1990 года, его планируется завершить к 2005 году, а бюджет — 3 миллиарда долларов США. В политическом плане HGP обещал результаты как для здоровья, так и для благосостояния. Здоровье будет обеспечиваться за счет медицинских льгот, а богатство — за счет технологических достижений, ведущих к экономическому росту и созданию рабочих мест. Д. Смит, в то время директор Программы генома человека Министерства энергетики США, описал HGP как «развитие инфраструктуры для будущих исследований.В ответ на возможность сокращения исследовательских фондов из-за того, что деньги шли в HGP, он сделал пророческий комментарий, что после HGP «отдельные исследователи будут делать то, что они никогда не смогли бы сделать в противном случае».

Следует упомянуть три дополнительных момента о HGP. (1) Во-первых, термин «человек» неверен, поскольку планировалось также охарактеризовать геном модельных организмов, включая мышь, плодовую муху, различные микроорганизмы, червя, растение и рыбу.Работа с модельными организмами, называемая «сравнительной геномикой», считалась необходимой для полного понимания генома человека, поскольку одни и те же гены обнаружены во всех организмах, а наличие модельных организмов облегчило бы наше понимание функции генов (рис. 1.1). (2) Также был добавлен нелабораторный компонент. Это должно было рассмотреть этические, правовые и социальные последствия (сокращенно ELSI) HGP. Три процента от общего бюджета было выделено на исследования, такие как конфиденциальность и конфиденциальность (e.g., кто будет иметь доступ к генетической структуре человека), стигматизация или дискриминация (например, что могут сделать страховые компании или работодатели с информацией, полученной с помощью HGP, какие неблагоприятные последствия могут возникнуть в результате знания последовательности генома и, следовательно, потенциальные для прогнозирования здоровья или болезни у человека). Просвещение общественности и профессионалов о HGP также было важной целью. (3) Хотя обнаружение новых генов (открытие генов) не было ранней целью HGP, это было добавлено вскоре после запуска HGP.

Рис. 1.1. Сравнительная геномика. Открытие генов . Геномы разных организмов по сравнению с людьми очень похожи. Гены с важной функцией будут сохранены в процессе эволюции; то есть один и тот же ген будет идентифицирован у разных организмов. Следовательно, из-за его относительно небольшого размера определение последовательности ДНК плодовой мушки Drosophila melanogaster (размер ее генома составляет около 165 мегабайт [мегабайт] по сравнению с 3000 мегабайт у человека) является более достижимой целью.Знание генов плодовой мушки имеет прямое отношение к людям, потому что, как только ген идентифицирован у плодовой мухи, его гомолог (эквивалент) у человека можно искать в базах данных ДНК, в которых есть последовательности ДНК, полученные в рамках проекта «Геном человека». Функция гена . Определение функции недавно открытого человеческого гена может быть сложной задачей. Рассмотрение естественных или индуцированных мутантов у плодовой мухи относительно просто и не связано с этическими дилеммами, присутствующими в исследованиях на людях.От этих мутантов получают некоторые знания о функциях генов. Еще одна стратегия определения функции — это идентифицировать тот же ген у мыши, а затем выбивать его с помощью генетических манипуляций. Нокаутные мыши стали мощным средством определения функции генов человека (см. Главу 5 для более подробного обсуждения модельных организмов).

У HGP был ряд целей или программ, которые кратко изложены в Таблице 1.5. Первый включал построение всеобъемлющих генетических и физических карт генома человека (более подробную информацию о генетических и физических картах см. В Главе 2 и Приложении).С помощью этих утомительных и трудоемких карт можно было найти гены и секвенировать сегменты ДНК. Расстояние между маркерами на генетической карте определяется как сантиморган (сМ) с 1 сМ, равным ~ 1 МБ (мегабаза или 1 × 10 6 пар оснований). Первоначальной целью HGP было создание генетической карты, чтобы покрыть весь геном ДНК-маркерами, расположенными на расстоянии 1 сМ. Для каждого сгенерированного ДНК-маркера потребуется уникальный идентификатор, и для этого была предложена концепция сайтов, меченных последовательностью (STS).Это означало, что потребуется секвенирование ДНК-маркеров. Затем каждый маркер будет идентифицирован по той части его последовательности, которая является уникальной.

Таблица 1.5. Компоненты проекта генома человека

Цель Цель
1 Картирование и секвенирование генома человека — в конечном итоге для определения последовательности ~ 3 миллиардов оснований, составляющих геном человека.
2 Картирование и секвенирование геномов модельных организмов.Они включали бактерии:
Escherichia coli, Bacillus subtilis , два вида микобактерий; Дрожжи: Saccharomyces cerevisiae; Простое растение: Arabidopsis thaliana; нематода: Caenorhabditis elegans; Плодовая муха: Drosophila melanogaster; и как пример млекопитающего: мышь.
3 Идентификация около 30 000 генов, составляющих геном человека (первоначально считалось, что количество генов человека было ближе к 50 000–100 000).
4 Разработка программного обеспечения и проектов баз данных для поддержки крупномасштабных коллекций данных, их хранения, распространения и доступа. Разработка инструментов для анализа больших наборов данных. Эта цель потребует очень сложных биоинформатических возможностей. Итак, побочным продуктом HGP стало быстрое развитие биоинформатики, дисциплины, требующей вычислительных навыков.
5 Создание учебных постов, в частности, в междисциплинарных науках, связанных с исследованиями генома, проведение учебных курсов (часть этой работы впоследствии была взята на себя HUGO, Организацией по геному человека).
6 Передача технологий частному сектору. Чтобы развитие технологий и обучение были эффективными, необходимо вовлечение частного сектора; следовательно, ранней целью HGP было улучшение обмена информацией между государственными и частными предприятиями. Разработки, исходящие от HGP, должны были быстро распространяться среди пользователей, что могло вступить в конфликт с более предприимчивым коммерческим сектором.
7 Разработка гибкой системы распространения, позволяющей быстро передавать результаты и разработки потенциальным пользователям и сообществу.
8 Конечная цель была направлена ​​на рассмотрение этических, правовых и социальных последствий, вытекающих из HGP. Сюда будут включены вопросы, связанные с неприкосновенностью частной жизни, конфиденциальностью, стигматизацией, дискриминацией, справедливостью и образованием общественности и специалистов здравоохранения.

Из генетических карт можно было построить физические карты, так что расстояние между ДНК-маркерами можно было определить в абсолютных единицах (т. Е. П.о., т.п.н. или МБ).Это была грандиозная задача, поскольку возникла необходимость охарактеризовать целые области генома на основе перекрывающихся клонов ДНК, которые в конечном итоге необходимо было секвенировать. Эта стратегия, которой последовали усилия по HGP, финансируемые государством, контрастировала с подходом, впоследствии принятым коммерческой компанией Celera, который обсуждается ниже. Для выполнения вышеуказанного требовались новые технологии секвенирования ДНК, и помимо большей эффективности эти технологии должны были быть дешевле.Одной из целей HGP было снижение стоимости каждой секвенированной пары оснований до менее чем 50 центов. Еще одним важным требованием было развитие робототехники.

Работа по построению генетических и физических карт проводилась многими различными лабораториями по всему миру, особенно в США, Великобритании (финансируется Wellcome Trust) и Франции (финансируется Ассоциацией мышечной дистрофии). Те, кто участвовал, с любовью вспомнят семинары по отдельным хромосомам (то есть семинары, посвященные одной конкретной хромосоме), которые привлекали ученых со всех уголков земного шара.На этих семинарах будут предметные и серьезные обсуждения относительного положения различных ДНК-маркеров в определенном сегменте генома. Спустя несколько лет эти действия кажутся тривиальными, когда теперь можно сравнительно легко секвенировать любую область генома и, исходя из этого, точно определить местоположение любой основы ДНК.

Отдельная цель HGP сосредоточена на картировании и секвенировании модельных организмов. Эта цель была достигнута по двум причинам. Во-первых, модельные организмы предоставят менее сложные геномы для облегчения разработки технологий.Во-вторых, модели позволят провести сравнительные исследования генома человека и генома из нечеловеческих источников. Информация, полученная в результате этих сравнений, будет важна для понимания эволюционных процессов, того, как регулируются гены, и этиологии некоторых генетических нарушений (например, см. Обсуждение импринтинга в главах 4, 7).

Другой целью HGP была биоинформатика. Эта цель была важна для разработки компьютерных методов для хранения огромного количества данных, которые будут генерироваться HGP, т.е.е., карты генома и последовательности ДНК. Также потребуется значительный объем разработки программного обеспечения, чтобы позволить анализировать различные базы данных и на основе этого определять сайты генов и то, что эти гены делают, то есть функцию генов. Ключевыми элементами биоинформатики были компьютерные сети и базы данных. Интернет и локальные серверы обеспечивали первое, а развитие ресурсных центров и баз данных действовало как центр, в котором информация могла подаваться и обрабатываться.

Были также запущены программы по обучению людей, обладающих глубокими знаниями методологий исследования генома.Полученные в результате навыки будут не только в области молекулярной биологии, но и будут включать информатику, физику, химию, инженерию и математику. Следует поощрять междисциплинарные подходы к обучению и приобретению навыков. Передача технологий и распространение информации считались важными целями. Для расширения пула исследователей и ресурсов было сочтено необходимым финансирование и взаимодействие с частным сектором. Разработаны пятилетние планы.

Исследователи утверждают, что они секвенировали весь геном человека

Международная группа ученых утверждает, что они секвенировали и собрали весь геном человека, включая части, которые были пропущены при секвенировании первого генома человека два десятилетия назад.

Заявление, если оно подтвердится, превосходит достижение, заявленное лидерами Human Genome Project и Celera Genomics на лужайке Белого дома в 2000 году, когда они объявили о секвенировании первого проекта генома человека. Этот исторический проект и последующие последовательности ДНК человека упустили около 8% генома.

Секвенирование нового генома заполняет эти пробелы с помощью новой технологии. Однако у него есть другие ограничения, в том числе тип клеточной линии, которую исследователи использовали для ускорения своих усилий.

объявление

Работа была детализирована 27 мая в препринте, то есть еще не рецензировалась.

«Вы просто пытаетесь раскопаться в этом последнем неизвестном геноме человека», — сказала Карен Мига, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Круз, которая возглавила международный консорциум, создавший последовательность. «Это просто никогда не делалось раньше, и причина того, что этого не делали раньше, в том, что это сложно».

объявление

Мига подчеркнула, что не будет считать объявление официальным, пока статья не будет рецензирована и опубликована в медицинском журнале.

По словам исследователей, новый геном — это шаг вперед, который стал возможным благодаря новым технологиям секвенирования ДНК, разработанным двумя частными компаниями: Pacific Biosciences из Менло-Парк, Калифорния, также известный как PacBio, и Oxford Nanopore из Оксфордского научного парка. , Великобритания. Их технологии считывания ДНК имеют очень специфические преимущества перед инструментами, которые долгое время считались золотыми стандартами исследователей.

Юэн Бирни, заместитель генерального директора Европейской лаборатории молекулярной биологии, назвал результат «техническим прорывом».«В оригинальных статьях о геномах были тщательно сформулированы, потому что в них не была упорядочена каждая молекула ДНК от одного конца до другого, — отметил он. «Эта группа показала, что они могут делать это от начала до конца». По его словам, это важно для будущих исследований, поскольку показывает, что возможно.

Джордж Черч, биолог из Гарварда и пионер секвенирования, назвал эту работу «очень важной». Он сказал, что любит отмечать в своих выступлениях, что до сих пор никто не секвенировал весь геном позвоночного — это уже неверно, если новая работа подтвердится.

Один важный вопрос, на который нет ответа: насколько важны эти недостающие части человеческой головоломки? Консорциум сообщил, что увеличил количество оснований ДНК с 2,92 миллиарда до 3,05 миллиарда, что на 4,5%. Но количество генов, кодирующих белок, увеличилось всего на 0,4% до 19 969. Это не означает, подчеркнули исследователи, что эта работа не может также привести к другим новым открытиям, в том числе связанным с тем, как регулируются гены.

Используемая последовательность ДНК была получена не от человека, а от пузырно-пузырного пузыря — роста в женской матке, вызванного тем, что сперматозоид оплодотворил яйцеклетку, не имевшую ядра.Это означало, что он содержал две копии одних и тех же 23 хромосом вместо двух разных наборов хромосом, как это делают нормальные человеческие клетки.

Исследователи выбрали эти клетки, которые хранились в лаборатории, потому что это упростило вычислительные усилия по созданию последовательности ДНК. Первоначальный черновой вариант генома, созданный в 2003 году, также содержал только 23 хромосомы, но по мере того, как технологии секвенирования ДНК стали дешевле и проще, исследователи стали секвенировать все 46 хромосом.

Элейн Мардис, со-исполнительный директор Института геномной медицины при Национальной детской больнице, обеспокоена тем, что, поскольку эти клеточные линии хранились в лаборатории, потенциально мутируя, новая генетическая информация «может быть в значительной степени детритом, который накапливается в виде клеточной линии. распространяется на протяжении многих лет в культуре ».

Мига сказал, что исследования клеточной линии показали, что она похожа на клетки человека, и что исследователи использовали клетки, которые хранились замороженными, а не размножались в течение многих лет.«Мы очень подробно рассказывали о препринтах, чтобы продемонстрировать, что эти новые последовательности служат биологическим эталоном для геномов человека», — написал Мига в электронном письме. Она согласилась, что следующим шагом будет попытка группы попытаться секвенировать все 46 хромосом, известный как диплоидный геном.

Почему для секвенирования последних 8% генома потребовалось 20 лет, хотя стоимость секвенирования остальной части генома упала с 300 миллионов долларов до всего лишь 300 долларов? Ответ связан с тем, как работают технологии секвенирования ДНК.

Современные секвенсоры ДНК, созданные компанией Illumina, берут маленькие фрагменты ДНК, расшифровывают их и собирают полученную головоломку. Это хорошо работает для большей части генома, но не в тех областях, где код ДНК является результатом длинных повторяющихся паттернов. Если бы суперкомпьютер имел только небольшие фрагменты, как он мог бы собрать последовательность ДНК, которая повторяет «АГАГАГА» для оснований за основаниями? Так выглядели недостающие 8% генома.

Среди этих «не поддающихся отображению» регионов была одна из самых узнаваемых структур в биологии.Если вы когда-нибудь смотрели на хромосомы (вспомните школьную биологию), они выглядят как связанные друг с другом нити. Эти узлы — центромеры, пучки ДНК, которые скрепляют хромосомы. Они играют ключевую роль в делении клеток. И они полны повторов.

На самом деле именно центромеры побудили Мигу увидеть эти недостающие области.

«Почему области, которые так важны для жизни, так важны для функционирования клетки, расположены над частями нашего генома, которые представляют собой эти гигантские моря тандемных повторов?» она вспоминает, как спрашивала, будучи аспирантом.

Именно этот вопрос побудил ее в дискуссии с Адамом Филлиппи, исследователем из Национальных институтов здоровья, предложить начать их нынешнюю инициативу, названную Консорциумом теломер Telomere 2, в честь теломер, которые являются концами хромосомы. в 2019 году. Они подписали соавтором Эвана Эйхлера, биолога из Вашингтонского университета, который много лет беспокоился о недостающих частях генома.

Работа стала возможной, потому что технологии Oxford Nanopore и PacBio не разрезают ДНК на крошечные кусочки головоломки.Технология Oxford Nanopore пропускает молекулу ДНК через крошечное отверстие, в результате чего получается очень длинная последовательность. Технология PacBio использует лазеры, чтобы исследовать одну и ту же последовательность ДНК снова и снова, создавая показания, которые могут быть очень точными. Оба они дороже, чем существующие технологии Illumina.

Компании идут в жаркую гонку. Исследователи говорят, что для этого проекта точность технологии PacBio оказалась бесценной, и они использовали Oxford Nanopore, чтобы закончить некоторые области. Но Oxford Nanopore уже обещает новую, более удобную технологию.«Здесь и сейчас PacBio имеет преимущество, но неясно, как долго они смогут его удерживать», — сказал Майкл Шац, доцент Университета Джонса Хопкинса.

Все исследователи говорили о видении будущего, в котором вместо использования единого эталонного генома они будут собирать сотни различных полных геномов, которые взаимосвязаны и этнически разнообразны и могут использоваться в качестве эталонов. Мига тоже помогает вести эту работу. И это всего лишь шаг в этом направлении.

Но до сих пор, говорит Шац, всегда возникали вопросы о том, чего не хватало. Теперь, наконец, у нас есть правильные данные », — сказал он. «У нас есть подходящие технологии».

Исправление: В предыдущей версии этой истории неверно описывались хромосомы пузырного заноса.

Проект «Геном человека»: большая наука меняет биологию и медицину | Genome Medicine

  • 1.

    Hood L: Принятие замечаний для Фрица Дж. И Делорес Х.Премия Русь. Мост. 2011, 41: 46-49.

    Google Scholar

  • 2.

    Коллинз Ф.С., МакКусик В.А.: Последствия проекта «Геном человека» для медицины. ДЖАМА. 2001, 285: 540-544. 10.1001 / jama.285.5.540.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 3.

    Грин ED, Guyer MS, Национальный исследовательский институт генома человека: Схема курса геномной медицины от основания до постели больного.Природа. 2011, 470: 204-213. 10.1038 / природа09764.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 4.

    Дульбекко Р: Поворотный момент в исследовании рака: секвенирование генома человека. Наука. 1984, 231: 1055-1056.

    Артикул Google Scholar

  • 5.

    Sinsheimer RL: Мастерская Санта-Крус — май 1985 г. Геномика. 1989, 5: 954-956. 10.1016 / 0888-7543 (89)

    -0.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 6.

    Кук-Деган Р.М.: Генные войны: наука, политика и геном человека. 1994, Нью-Йорк: WW Norton

    Google Scholar

  • 7.

    Отчет об инициативе по геному человека для Управления исследований в области здравоохранения и окружающей среды. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/herac2.shtml,

  • 8.

    Национальная академия наук: отчет комитета по картированию и секвенированию генома человека. 1988, Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press

    Google Scholar

  • 9.

    Консорциум по секвенированию генома человека: Завершение эухроматической последовательности генома человека. Природа. 2004, 431: 931-945. 10.1038 / природа03001.

    Артикул Google Scholar

  • 10.

    Понимание нашего генетического наследования.Проект генома человека США, Первые пять лет: финансовые годы. 1991, http://www.genome.gov/10001477, –1995,

  • 11.

    Коллинз Ф.С., Галас D: Новый пятилетний план Программы США по геному человека. Наука. 1993, 262: 43-46. 10.1126 / science.8211127.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 12.

    Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C., Kent SBH, Hood LE: обнаружение флуоресценции в автоматическом анализе последовательности ДНК.Природа. 1986, 321: 674-679. 10.1038 / 321674a0.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 13.

    Черч Г., Киффер-Хиггинс С. Мультиплексное секвенирование ДНК. Наука. 1988, 240: 185-188. 10.1126 / science.3353714.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 14.

    Strezoska Z, Paunesku T, Radosavljević D, Labat I, Drmanac R, Crkvenjakov R: Секвенирование ДНК путем гибридизации: 100 оснований считываются негелевым методом.Proc Natl Acad Sci USA. 1991, 88: 10089-10093. 10.1073 / pnas.88.22.10089.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 15.

    Вентер Дж. К., Адамс, М. Д., Саттон, Г. Г., Керлаваж, А. Р., Смит, Х.о., Хункапиллер, М.: Секвенирование генома человека с помощью дробовика. Наука. 1998, 280: 1540-1542. 10.1126 / science.280.5369.1540.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 16.

    Международный консорциум по секвенированию генома человека: первоначальное секвенирование и анализ генома человека. Природа. 2001, 409: 860-921. 10.1038 / 35057062.

    Артикул Google Scholar

  • 17.

    Вентер Дж. К., Адамс М. Д., Майерс Е. В., Ли П. У., Фреска Р. Дж., Саттон Г. Г., Смит Х. О., Янделл М., Эванс, Калифорния, Холт Р. А., Гокейн Дж. Д., Аманатидес П., Баллью Р. М., Хусон Д. Д., Вортман-младший , Zhang Q, Kodira CD, Zheng XH, Chen L, Skupski M, Subramanian G, Thomas PD, Zhang J, Miklos GLG, Nelson C, Broder S, Clark AG, Nadeau J, McKusick VA, Zinder N и др .: The последовательность генома человека.Наука. 2001, 291: 1304-1351. 10.1126 / science.1058040.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 18.

    Международный консорциум по секвенированию генома человека. http://www.genome.gov/11006939,

  • 19.

    Shendure J, Aiden ER: Расширяющиеся возможности секвенирования ДНК. Nat Biotechnol. 2012, 30: 1084-1094. 10.1038 / nbt.2421.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 20.

    Hood L: личное путешествие к открытиям: развитие технологий и изменение биологии. Annu Rev Anal Chem. 2008, 1: 1-43. 10.1146 / annurev.anchem.1.031207.113113.

    CAS Статья Google Scholar

  • 21.

    Комитет по новой биологии 21 века: новая биология 21 века. 2009, Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press

    Google Scholar

  • 22.

    Идекер Т., Галицкий Т., Худ Л.: Новый подход к расшифровке жизни: системная биология. Анну Рев Геномикс Хум Генет. 2001, 2: 343-372. 10.1146 / annurev.genom.2.1.343.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 23.

    Энциклопедия элементов ДНК. http://encodeproject.org/ENCODE/,

  • 24.

    Консорциум проекта ENCODE: интегрированная энциклопедия элементов ДНК в геноме человека. Природа. 2012, 489: 57-74.10.1038 / природа11247.

    Артикул Google Scholar

  • 25.

    От редакции: Форма и функции. Природа. 2013, 495: 141-142.

  • 26.

    Консорциум проекта ENCODE: Руководство пользователя Энциклопедии элементов ДНК (ENCODE). PLoS Biol. 2011, 9: e1001046-10.1371 / journal.pbio.1001046.

    Артикул Google Scholar

  • 27.

    Aebersold R, Mann M: протеомика на основе масс-спектрометрии.Природа. 2003, 422: 198-207. 10.1038 / природа01511.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 28.

    Пикотти П., Эберсолд Р.: Протеомика, основанная на мониторинге отдельных реакций: рабочие процессы, потенциал, подводные камни и направления на будущее. Нат методы. 2012, 9: 555-566. 10.1038 / nmeth.2015.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 29.

    Desiere F, Deutsch EW, King NL, Несвижский AI, Маллик P, Eng J, Chen S, Eddes J, Loevenich SN, Aebersold R: The PeptideAtlas Project.Nucleic Acids Res. 2006, 34: D655-D658. 10.1093 / нар / gkj040.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 30.

    Deutsch ED, Mendoza L, Shteynberg D, Farrah T, Lam H, Tasman N, Sun Z, Nilsson E, Pratt B, Prazen B, Eng JK, Martin DB, Nesvizhskii A, Aebersold R: A guided тур по Транс-протеомному трубопроводу. Протеомика. 2010, 10: 1150-1159. 10.1002 / pmic.200

    5.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 31.

    Genomes Online Database: полные проекты генома. http://www.genomesonline.org/cgi-bin/GOLD/index.cgi?page_requested=Complete+Genome+Projects,

  • 32.

    Theobald DL: формальный тест теории универсального общего предка. Природа. 2010, 465: 219-222. 10.1038 / природа09014.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 33.

    Вулф К.Э., Ли В.Х .: Молекулярная эволюция встречается с эволюцией геномики. Нат Жене.2003, Дополнение 33: 255-265.

    Артикул Google Scholar

  • 34.

    Marques-Bonet T, Ryder OA, Eichler EE: Секвенирование геномов приматов: что мы узнали ?. Анну Рев Геномикс Хум Генет. 2009, 10: 355-386. 10.1146 / annurev.genom.9.081307.164420.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 35.

    Нунан Дж. П.: Геномика неандертальцев и эволюция современного человека.Genome Res. 2010, 20: 547-553. 10.1101 / гр.076000.108.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 36.

    Стоункинг М., Краузе Дж .: Изучение истории человеческой популяции на основе древних и современных геномов. Nat Rev Genet. 2011, 12: 603-614.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 37.

    Санкарараман С., Паттерсон Н., Ли Х, Паабо С., Райх Д.: Дата скрещивания неандертальцев и современных людей.PLoS Genet. 2012, 8: e1002947-10.1371 / journal.pgen.1002947.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 38.

    Schatz MC: Вычислительное мышление в эпоху биологии больших данных. Genome Biol. 2012, 13: 177-10.1186 / GB-2012-13-11-177.

    PubMed Central Статья PubMed Google Scholar

  • 39.

    Mizrachi I: GenBank: База данных нуклеотидных последовательностей.Справочник NCBI. Отредактировано: Макэнтайром Дж., Остеллом Дж. 2002, Бетесда: Национальный центр биотехнологической информации

    Google Scholar

  • 40.

    Кент В.Дж., Сугнет К.В., Фьюри Т.С., Роскин К.М., Прингл Т.Х., Захлер А.М., Хаусслер Д.: Обозреватель генома человека в UCSC. Genome Res. 2002, 12: 996-1006.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 41.

    SourceForge.http://sourceforge.net/,

  • 42.

    Bioconductor: программное обеспечение с открытым исходным кодом для биоинформатики. http://www.bioconductor.org/,

  • 43.

    Field D, Sansone SA, Collina A, Booth T, Dukes P, Gregurick SK, Kennedy K, Kolar P, Kolker E, Maxon M, Millard S, Мугабушака М., Перрин Н., Ремакл Дж. Э., Ремингтон К., Рокка-Серра П., Тейлор К. Ф., Торли М., Тивари Б., Уилбанкс Дж.: Обмен данными Omics. Наука. 2009, 326: 234-236. 10.1126 / science.1180598.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 44.

    Кнопперс Б.М., Харрис Дж. Р., Тассе А. М., Будин-Лйосне И., Кэй Дж., Дешенес М., Завати М.: На пути к Кодексу поведения при обмене данными для международных геномных исследований. Genome Med. 2011, 3: 46-10.1186 / gm262.

    PubMed Central Статья PubMed Google Scholar

  • 45.

    Худ L: Биологическая сложность под угрозой: личный взгляд на системную биологию и приход «большой науки». Genet Eng Biotechnol News. 2011, 31: 17-

    Статья Google Scholar

  • 46.

    Tripp S, Grueber M: Экономическое влияние проекта генома человека. 2011, Колумбус: Мемориальный институт Баттель

    Google Scholar

  • 47.

    Международный консорциум HapMap: карта гаплотипов генома человека. Природа. 2005, 437: 1299-1320. 10.1038 / природа04226.

    Артикул Google Scholar

  • 48.

    Международный консорциум HapMap3: объединение общих и редких генетических вариаций в различных популяциях людей.Природа. 2010, 467: 52-58. 10.1038 / природа09298.

    Артикул Google Scholar

  • 49.

    Эбботт A: Неврология: решение проблем мозга. Природа. 2013, 499: 272-274. 10.1038 / 499272a.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 50.

    Консорциум проекта «1000 геномов»: интегрированная карта генетических вариаций из 1092 геномов человека. Природа. 2012, 491: 56-65.10.1038 / природа11632.

    PubMed Central Статья Google Scholar

  • 51.

    Каталог опубликованных полногеномных ассоциативных исследований. http://www.genome.gov/gwastudies/,

  • 52.

    Roach JC, Glusman G, Smit AF, Huff CD, Hubley R, Shannon PT, Rowen L, Pant KP, Goodman N, Bamshad M, Shendure J, Drmanac R, Jorde LB, Hood L, Galas DJ: Анализ генетической наследственности в семейном квартете путем секвенирования всего генома.Наука. 2010, 328: 636-639. 10.1126 / science.1186802.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 53.

    Леви С., Саттон Г., Нг ПК, Феук Л., Халперн А.Л., Валенц Б.П., Аксельрод Н., Хуанг Дж., Киркнесс Е.Ф., Денисов Г., Лин И, Макдональд-младший, Панг А.В., Шаго М., Стоквелл ТБ. , Tsiamouri A, Bafna V, Bansal V, Kravitz SA, Busam DA, Beeson KY, McIntosh TC, Remington KA, Abril JF, Gill J, Borman J, Rogers YH, Frazier ME, Scherer SW, Strausberg RL, et al: диплоидная последовательность генома отдельного человека.PLoS Biol. 2007, 5: e254-10.1371 / journal.pbio.0050254.

    PubMed Central Статья PubMed Google Scholar

  • 54.

    Уиллер Д.А., Сринивасиан М., Эгхолм М., Шен Й, Чен Л., МакГуайр А., Хе В., Чен Ю.Дж., Махиджани В., Рот Г.Т., Гомес Х, Тартаро К., Ниази Ф., Тюркотт К.Л., Иржик Г.П. , Lupski JR, Chinault C, Song X, Liu Y, Yuan Y, Nazareth L, Qin X, Muzny DM, Margulies M, Weinstock GM, Gibbs RA, Rothberg JM: Полный геном человека путем массового параллельного секвенирования ДНК.Природа. 2008, 452: 872-876. 10.1038 / природа06884.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 55.

    Международный консорциум по геному рака. http://icgc.org/,

  • 56.

    Атлас генома рака. http://cancergenome.nih.gov/,

  • 57.

    Pandey A: Подготовка к пациенту 21, , век. ДЖАМА. 2013, 309: 1471-1472. 10.1001 / jama.2012.116971.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 58.

    Худ Л., Флорес М.: Личный взгляд на системную медицину и появление проактивной медицины P4: прогнозирующей, превентивной, персонализированной и совместной. Nat Biotechnol. 2012, 29: 613-624.

    CAS Google Scholar

  • 59.

    Прайс Н.Д., Эдельман Л. Б., Ли И., Ю Х, Хван Д., Карлсон Дж., Галас Д. Д., Хит Дж. Р., Худ Л.: Системная биология и появление системной медицины. Геномная и персонализированная медицина: от принципов к практике.Том 1. Под редакцией: Ginsburg G, Willard H. 2009, Philadelphia: Elsevier, 131–141.

    Google Scholar

  • 60.

    Green RC, Berg JS, Grody WW, Kalia SS, Korf BR, Martin CL, McGuire A, Nussbaum RL, O’Daniel JM, Ormond KE, Rehm HL, Watson MS, Williams MS, Biesecker LG: Рекомендации ACMG по сообщению о случайных результатах клинического экзома и секвенирования генома. 2013, Bethesda: Американский колледж медицинской генетики и геномики

    Google Scholar

  • 61.

    Мейерсон М., Габриэль С., Гетц Г.: Успехи в понимании геномов рака с помощью секвенирования второго поколения. Nat Rev Genet. 2010, 11: 685-696. 10.1038 / nrg2841.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 62.

    Qin S, Zhou Y, Lok AS, Tsodikov A, Yan X, Gray L, Yuan M, Moritz RL, Galas D, Omenn GS, Hood L: нацеленная протеомика SRM в поисках биомаркеров HCV-индуцированного прогрессирование фиброза в цирроз у пациентов с HALT-C.Протеомика. 2012, 12: 1244-1252. 10.1002 / pmic.201100601.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 63.

    Li XJ, Hayward C, Fong PY, Dominguez M, Hunsucker SW, Lee LW, McClean M, Law S, Butler H, Schirm M, Gingras O, Lamontague J, Allard R, Chelsky D, Price ND , Lam S, Massion PP, Pass H, Rom WN, Vachani A, Fang KC, Hood L, Kearney P: протеомный классификатор на основе крови для молекулярной характеристики легочных узелков.Sci Transl Med. в печати

  • 64.

    Кнопперс Б.М., Торогуд А., Чедвик Р.: Организация генома человека: к этике следующего поколения. Genome Med. 2013, 5: 38-10.1186 / GM442.

    PubMed Central Статья PubMed Google Scholar

  • 65.

    Hood L: Кто мы: книга жизни. Начальный адрес. Журнал Whitman College. 2002, 4-7.

    Google Scholar

  • 66.

    Фостер М.В., Шарп Р.Р .: За пределами расы: к полногеномному взгляду на человеческие популяции и генетические вариации. Nat Rev Genet. 2004, 5: 790-796. 10.1038 / nrg1452.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 67.

    Royal CDM, Dunston GM: изменение парадигмы с «расы» на генетические вариации человека. Нат Жене. 2004, 36: S5-S7. 10.1038 / ng1454.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 68.

    Уизерспун Д. Д., Вудинг С., Роджерс А. Р., Марчани Е. Е., Уоткинс В. С., Батцер М. А., Джорд Л. Б.: Генетические сходства внутри и между популяциями. Генетика. 2007, 176: 351-359. 10.1534 / genetics.106.067355.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 69.

    Genovese G, Handsaker RE, Li H, Altemose N, Lindgren AM, Chambert K, Pasaniuk B., Price AL, Reich D, Morton CC, Pollak MR, Wilson JG, McCarroll SA: Использование примеси населения для помощи полные карты генома человека.Нат Жене. 2013, 45: 406-414. 10.1038 / нг.2565.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 70.

    Fernandez-Suarez XM, Galperin MY: The, Nucleic Acids Research, Database Issue и онлайн-сборник баз данных по молекулярной биологии. Nucleic Acids Res. 2013, 2013: D1-D7.

    Артикул Google Scholar

  • 71.

    Проект «Протеом человека».http://www.hupo.org/research/hpp/,

  • 72.

    Hood LE, Omenn GS, Moritz RL, Aebersold R, Yamamoto KR, Amos M, Hunter-Cevera J, Locascio L, участники семинара: Новые и улучшенные технологии протеомики для понимания сложных биологических систем: решение серьезной проблемы наук о жизни. Протеомика. 2012, 12: 2773-2783. 10.1002 / pmic.201270086.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 73.

    От редакции: Зов протеома человека. Нат методы. 2010, 7: 661-

  • 74.

    Schadt E, Turner S, Kasarskis A: Окно в секвенирование третьего поколения. Hum Mol Genet. 2010, 19: R227-R240. 10.1093 / hmg / ddq416.

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 75.

    Ким Дж. К., Самаранаяке М., Прадхан С.: Эпигенетические механизмы у млекопитающих. Cell Mol Life Sci. 2009, 66: 596-612. 10.1007 / s00018-008-8432-4.

    PubMed Central CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 76.

    Hon G, Ren B, Wang W: ChromaSig: вероятностный подход к поиску общих сигнатур хроматина в геноме человека. PLoS Comput Biol. 2008, 4: e1000201-10.1371 / journal.pcbi.1000201.

    PubMed Central Статья PubMed Google Scholar

  • 77.

    Hayden EC: Дебют секвенатора генома нанопор.Новости природы. 2012, -10.1038 / природа.2012.10051.

    Google Scholar

  • .

    Author: alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *