Геном человека

28 октября 2005

Печать Печать

Одна из задач международной программы "Геном человека"(HUGO) — определить последовательность 3.3х109 нуклеотидов ДНК всего генома человека, представленного 22 аутосомами и двумя половыми хромосомами: X и Y.

Координационный центр HUGO находится в американском городе Бетесда, недалеко от Вашингтона, и относится к системе национальных институтов здоровья (National Institutes of Health). Возглавляет его Фрэнсис Коллинз — директор Института геномных исследований в Бетесде. Центр координировал научную работу в шести странах — Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. Но национальные программы по геномике сегодня имеют более 20 стран, а членами HUGO являются представители более 50 стран. Национальные программы есть в развивающихся странах, например в Китае и Бразилии, где правительства понимают важность геномной программы. Сейчас Россию в научном совете представляет профессор Н. К. Янковский.

Методический аспект проблемы отлично отработан и сегодня представляет собой заводскую технологию — дорогостоящую (По не вполне официальным данным, на государственные программы под эгидой HUGO было истрачено более трех миллиардов долларов США, то есть в среднем по одному доллару на одну нуклеотидную пару из генома человека. "Селера" истратила примерно столько же. Правда, она их истратила за шесть лет. Государственные же программы примерно ту же сумму использовали за 10 лет. То есть интенсивность использования денег в частной компании (регистрация ООО от ABF Group) оказалась выше), очень тонкую, но технологию.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, впервые была выделена из клеточных ядер. Поэтому ее и назвали нуклеиновой (греч. nucleus — ядро). ДНК состоит из цепочки нуклеотидов с четырьмя различными основаниями: аденином (А), гуанином (G), цитозином (С) и тимином (Т). ДНК почти всегда существует в виде двойной спирали, то есть она представляет собой две нуклеотидные цепи, составляющие пару. Вместе их удерживает так называемая комплементарность пар оснований. "Комплементарность" означает, что когда А и Т в двух цепях ДНК расположены друг против друга, между ними спонтанно образуется связь. Аналогично комплиментарную пару образуют G и С. В клетках человека содержится 46 хромосом. Длина генома человека (все ДНК в хромосомах) может достигать двух метров и состоит из трех миллиардов нуклеотидных пар. Ген — это единица наследственности. Он представляет собой часть молекулы ДНК и содержит закодированную информацию об аминокислотной последовательности одного белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Расшифровка ДНК стала реальностью после того, как в середине 70-х годов были разработаны два различных метода расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК.

Хронологически первым был метод Максама — Гилберта заключающийся в том, что молекулу ДНК разбивают на кусочки, затем эти кусочки подвергают химическим воздействиям, а потом специальным образом обрабатывают. Ученые смотрят, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делают вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК.

Английский ученый Фред Сэнгер предложил другой способ расшифровки структуры ДНК. Согласно методу Сэнгера молекулу ДНК с помощью специальной обработки ферментами не только расщепляют на фрагменты, но и "расплетают" ее двойную спираль на две нити. Потом по каждому из полученных обрывков, состоящих из отдельных нуклеотидных "нитей", с помощью специальных химических "затравок" восстанавливается недостающая вторая нить нуклеотидов. Но не полностью — ее синтез обрывают на разных нуклеотидах. При этом получался набор цепей ДНК с непрерывно изменяющейся длиной — "лесенка". Фрагменты разной длины помечены на концах флуоресцентной меткой, чтобы их было легко обнаружить.

За разработку этих методов Гилберт и Сэнгер получили Нобелевскую премию. Интересно, что для Сэнгера эта премия уже вторая, первую он получил за расшифровку аминокислотной последовательности белка инсулина. Случай в науке уникальный — один и тот же человек первым расшифровал структуру и белка и ДНК!

Все автоматы-секвенаторы построены по принципу метода Сэнгера, поскольку он оказался более удобным для автоматизации и комьютерной регистрации. Выпущено огромное количество автоматов и стандартных наборов реактивов для анализа. По сути, секвенирование (то есть определение нуклеотидной последовательности ДНК) стало рутинной лаборантской работой. А метод Максама-Гилбера имеет скорее историческое, чем практическое значение.

Еще 15-20 лет назад расшифровка нуклеотидной последовательности в 1000 нуклеотидов считалась почти научным подвигом, за это можно было сразу получить степень доктора наук. Но уже к 1990 году секвенирование ДНК стало массовой технологией. А сейчас квалифицированный лаборант проделывает такую работу меньше, чем за один день.

К настоящему времени Проект практически выполнен, причем 85% информации абсолютно достоверны, т.е. последовательность ДНК в этом объеме перепроверена не один раз и разночтения больше не выявляются. Примерное число генов человека — 30 000 ( а не 80000, как считалось еще год назад) Что удивляет самих ученых — насколько малая часть человеческого генома напрямую участвует в построении организма: 23 пары хромосом содержат весь чертеж человеческой жизни. Генетические инструкции по формированию личности занимают меньше 2,5 сантиметра на двухметровой ленте ДНК, заключенной практически внутри каждой клетки тела. Удивило и малое количество генов, несущих эти инструкции, — всего в пять раз больше, чем нужно для взращивания мухи.

Обнаружилось, что из 3 миллиардов генетических букв, составляющих человеческие гены, которые образуют ДНК, 99,9 процента одни и те же. Очевидно, всего одна десятая процента и делает нас теми, кто мы есть, — умными или глупыми, добрыми или, наоборот, жестокими и так далее. Причем основную ответственность за генетические ошибки несет мужская сперма, в которой содержится вдвое больше мутаций, чем в женской яйцеклетке, но она же является и главным источником эволюционных инноваций.

В 80-е годы ученые брались за расшифровку только коротких молекул ДНК: вирусных, митохондриальных или плазмидных. (Плазмида — кольцевая молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме бактерий и состоящяя из небольшого количества генов.) Но первые шаги были сделаны. И вот тогда в 1988 году наиболее отчаянные исследователи выступили с предложением — расшифровать геном человека.

В Америке таким пионером стал Джеймс Уотсон — один из двух "отцов" двойной спирали ДНК, а в России — академик Александр Александрович Баев, известный специалист в области генной инженерии. В обеих странах реакция ученых на эти предложения была неоднозначной.

Оппоненты расшифровки генома считали поставленную задачу нереальной, ведь ДНК человека в десятки тысяч раз длиннее молекул ДНК вирусов или плазмид. Второй аргумент против: проект потребует миллиарды долларов, которых недосчитаются другие области науки, поэтому геномный проект затормозит развитие науки в целом. И наконец, если все-таки деньги найдутся и геном человека будет расшифрован, то полученная в результате информация не оправдает затрат.

Но вот здесь и сыграли свою роль научный авторитет и неутомимая энергия Уотсона. В науке он считается полубогом и был и остается очень яркой личностью. Он объехал пол-Америки, выступая в научных коллективах, написал много статей в газетах, полемизировал с противниками. После того как Уотсон встретился с президентом США, проблему генома вынесли на обсуждение в конгресс, и была принята национальная программа США "Геном человека".

Над этой программой работали учёные многих стран мира, но по сути дела в азартной игре под названием "Кто первый крикнет ура?", то есть сообщит об успешной расшифровке генома, играли две команды ученых — из частной американской корпорации из штата Мериленд Celera Genomics и Human Genome Project, финансируемого из правительственных фондов.

В распоряжении Celera находится суперкомпьютер , который позволяет складывать выявляемые “кирпичики” ДНК в значимую последовательность, но, как отмечали некоторое время назад российские эксперты, “Celera стоит на плечах у Генома Человека”, то есть использует то, что уже сделано по глобальному проекту. Дело в том, что "Селера" подключилась к программе не сначала, а когда проект уже шел полным ходом. Спохватились крупные фармацевтические компании, осознавшие, что, если вся информация о геноме окажется в открытом доступе, они могут лишиться интеллектуальной собственности — нечего будет патентовать. Озабоченные этим, они вложили миллиарды долларов в "Селеру Геномикс". Во главе ее встал Крейг Вентер, который имел огромный опыт научной работы по государственной программе "Геном человека". Кроме того, он оказался выдающимся организатором.

Появление "Селеры" сыграло позитивную роль, потому что те, кто был занят в государственных программах, почувствовали жесткую конкуренцию. Кроме того, после создания компании остро встал вопрос об эффективности использования государственных капиталовложений. Ведь Вентер заявил, что все публичные программы малоэффективны и что в его фирме геном секвенируют быстрее и дешевле. Научному сообществу срочно пришлось повышать эффективность работы по расшифровке генома. Сначала работа шла несогласованно, потом были достигнуты определенные формы сосуществования

Конкурирующие организации по взаимной договоренности одновременно объявили о завершении работ по расшифровке. Но разница во времени между Америкой и Англией вывела на первое место Human Genome Project.

Следует заметить что использование одного метода может давать систематическую ошибку, которую трудно "поймать". А "Селера Геномикс" и международный консорциум использовали разные методические подходы к секвенированию.

"Селера" применяла так называемое дробление — shotgun. ДНК дробили на маленькие фрагменты и у всех полученных "кусочков" определяли нуклеотидную последовательность. Одни и те же "кусочки" попадали в секвенатор по 10-20 раз. Компьютер потом "выстраивал" полученные данные в одну цепочку. Таким образом ученые колоссально экономили время и деньги на подготовке генетического материала — раздробить ДНК на фрагменты легко, — но теряли на том, что по много раз секвенировали одни и те же фрагменты.

У международного консорциума была противоположная тактика: "кусочки" молекул ДНК выстраивали друг за другом — делали карту, а потом по ней "шли". Таким образом ученые теряли время на подготовке материала, но выигрывали в секвенировании — не нужно было по многу раз делать одно и то же.

Именно потому, что разные стратегии дают во многом совпадающие результаты, им можно верить

Все жалуются: "Селера" не все публикует". Какое это имеет значение, если на то, чтобы описать полученные данные уйдут скорее всего годы и годы. Море информации, которой никогда не было в биологической науке...

Сегодня геном — это на 95% нечто, чего мы не понимаем. Возникли огромные "ножницы" между знанием и пониманием. В отношении значительной доли генома мы много знаем, но мало что понимаем. Вот в 5% генома, где находятся те самые 32 тысячи генов, мы знаем многое о структуре и немногое о функциях. По-научному "бессмысленные" участки называют некодирующими. Некоторые американские ученые называют их "junk" — барахлом, мусором или "эгоистической ДНК". Однако Если мы не понимаем, для чего нужны какие-то участки ДНК, сие еще не значит, что они — мусор.

У бактерии "бессмысленных" участков вообще нет. У дрожжей почти нет. По мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше некодирующей ДНК. Я думаю, что некодирующие последовательности ДНК могут оказаться резервуаром эволюции, складом "запчастей". Если с каким-либо геном что-то не в порядке, возможно, клетка использует фрагменты некодирующей ДНК для ремонта поврежденного.

Следует отметить, что сделан лишь первый шаг. Расшифровать нуклеотидную последовательность — это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген, значит понять, как буквы складываются в слова. Но нужно ещё понять и смысл фразы. Так, что основная работа впереди.

То, что мы можем получить в результате решения этой задачи, можно продемонстрировать на примере расшифрованных хромосом ...

Или еще одного интересного аспекта, который начал развиваться два-три года назад и особенно бурно в многонациональной России. Ее населяют разные этнические группы. Оказывается, что геном у разных народностей слегка различается. Можно в ДНК выделить определенный "рисунок" нуклеотидов (особое расположение), который будет говорить о том, что этот человек — башкир, а этот — татарин. Геномы представителей разных этнических групп не идентичны, но различия между ними чрезвычайно незначительны, хотя и абсолютно достоверны, и поэтому возможно сравнивать разные этнические группы.

Такой подход связывает геномику с историей, лингвистикой, археологией, палеонтоло гией, этнографией. И возникают поразительно интересные находки. Так Славяне близки по материнской линии (поскольку изучается митохондриальная ДНК, передающаяся ребенку от матери) к нашим западным соседям: немцам, угро-финнам.

Продолжение следует ...

- Правда ли, что международная программа "Геном человека" прекращена и в связи с этим государственные средства на нее в США больше не выделяются?

-Основные цели структурной части программы уже в целом выполнены, хотя какие-то участки генома ученые будут "дорасшифровывать" еще долго. Программа "Геном человека" не прекращает существование, она меняет ориентацию: из структурной геномики превращается в функциональную, чтобы понять функции тех генов, которые ученые узнали. Например, американцы только что выделили 300 миллионов долларов на биоинформатику, потому что без нее ничего нельзя выяснить. Программа наконец-то начнет возвращать человечеству затраченные на нее миллиарды долларов.

Знаете, как говорят англичане: "This is the end of the beginning" — "Это конец начала". Вот именно эта фраза точно отражает нынешнюю ситуацию. Начинается самое главное и, я совершенно уверен, самое интересное.

Развитие науки идет таким образом, что мы все точнее и точнее знаем, чего не знаем. Теперь стало совершенно ясно — мы не понимаем, для чего нужна основная часть генома. "Что" — известно, "как" — предстоит узнать. Сейчас уже возможно сформулировать задачу, а это в науке самое трудное. Поставлен вопрос, который до расшифровки генома корректно поставить было просто невозможно.

По материалам журнала Наука и Жизнь (интервью с председателем научного совета российской программы «Геном человека» профессором Л. Киселевым).

  • 6350
  • Илья Смирнов
комментарии

Только зарегистрированные пользователи могут добавлять комментарии. Войдите, пожалуйста.