История развития генетики

Ген (эукариотный) это длинная и преимущественно  случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены  участки (экзоны), способные после  вырезания из транскрипта этого  гена и их объединения в строго определённой очерёдности, кодировать определённую функцию.

Особо отметим, что при альтернативном сплайсинге порядок расположения экзонов не нарушается. В окончательном варианте сплайсированной РНК некоторые  экзоны могут присутствовать или  отсутствовать, но местами они не меняются. Например, в окончательно сплайсированной РНК экзоны 1–2–3–4–5–6 могут быть в последовательности 2–4–6, но не в последовательностях 4–2–6 или 6–4–2. Таким образом, из одного и того же транскрипта гена, используя  разные варианты распознавания, вырезания и соединения разных экзонов можно получить множество разных изоформ белков, у которых будут общими некоторые аминокислотные последовательности, но которые будут отличаться по своим функциональным свойствам. И то, что сначала наивно полагали бессмысленным — интроны, перемежающие гены, на самом деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счёт ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этих смыслов. Путь альтернативного сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими её состояние. В ответ на изменение физиологической ситуации из одного и того же гена реализуются разные функции.

Весьма  принципиально, что при эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает. На основе статистического анализа  сделаны выводы, что размер генома коррелирует с общей длиной интронов, содержащихся в гене данного вида; интроны беспозвоночных короче, чем  интроны генов человека, а интроны  дрожжей короче, чем интроны беспозвоночных. По мере усложнения организмов увеличивается  и длина интронов. В общем, в  гене суммарная длина интронов может  превосходить суммарную длину экзонов  в десятки и сотни раз.

Если  секвенирование (определение нуклетотидной  последовательности, от англ. sequence —  последовательность) эукариотных генов  привело к ошеломляющему открытию их мозаичной структуры, то массовое секвенирование целых геномов разных организмов привело к результатам  просто изумляющим. У мыши, человека у рыбы фугу (рыба шар) количество генов  практически одинаково — 30000 — 40000. Что же тогда определяет эволюционную сложность?

Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах  мыши и человека, то окажется, что  они идентичны на 99%! Почему же мы так не похожи на мышей?

Может быть и потому, что несмотря на то, что  наши гены похожи на мышиные, у нас  альтернативный сплайсинг идёт или  по другому пути, или более множественный. Или и то и другое одновременно. Ведь не зря же по мере прогрессивной  эволюции среднее количество интронов (а значит, и экзонов), приходящихся на один ген, возрастает? Ведь это расширяет  спектр белков, потенциально кодируемых одним геном. Не так ли? И в результате из-за разного альтернативного сплайсинга из почти одних тех же генов  получается или мышь, или шимпанзе, или тот, кто в данный момент читает эти строки.

Альтернативный  сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Материал эволюции — генетическое разнообразие, а двигатель — естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг  приводит к такому разнообразию белков, что… Посудите сами. Комбинация только из трёх генов, каждый из которых может кодировать только 1 000 вариантов белков, даёт 1 000 000 000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трёх белков). А если таких генов 1000? А если 10000?

Каковы  молекулярные механизмы эволюции? Как  происходит видообразование? Поисками ответов на эти вопросы занимаются такие новые научные направления, как молекулярная генетика развития и эволюционная биология развития (по-английски  сокращённое название этой волнующей  науки звучит очень романтично — evodevo, от evolutionary developmental biology). Большие  успехи в выяснении молекулярных механизмов эволюции делает сравнительная геномика, которая с помощью мощнейших методов компьютерного анализа анализирует и сравнивает гены и геномы разных организмов.

Итак, открытие принципов организации и экспрессии эукариотных генов поставило  перед наукой новые проблемы и  новые задачи. Это нормально. А  что дали эти открытия для практики? ²⁷

Проект  „Геном человека“

Проект  „Геном человека“ — секвенирование генома Homo sapiens, содержащего около 3 млрд нуклеотидов, по свой научной значимости и амбициозности сравнивают с  программой пилотируемых полётов на Луну „Аполлон“. Стоимость этих программ соизмерима. Миллиарды долларов. Но инициаторы проекта „Геном человека“, кроме научных целей имели  ещё и грандиозные планы практического  использования генетической информации, которая должна быть получена в результате его выполнения. А там, где практическое использование — там и коммерческий интерес. Предполагалось, что информация о строении генома человека будет  полезна для ранней молекулярной диагностики наследственных заболевания  и для их лечения путём, так  называемой, заместительной генетической терапии (дефектный ген замещается на нормальный). Планировалась, что  информация о геноме человека приведёт к революции в разработке нового поколения лекарственных препаратов, создаваемых на основе знаний о нарушениях функционирования определённых белков. Если знать, как кодируется и экспрессируется  конкретный белок, приводящий к первопричине заболевания, то будет возможным, как  полагалось, создать такие искусственные  молекулы, которые будут направленно, а не в слепую, исправлять патологические процессы уже на молекулярном уровне. А это, как прогнозировалось, может  принести многомиллиардные прибыли. Но сначала были необходимы многомиллионные  инвестиции. И они были сделаны. Были созданы коммерческие фирмы, которые  проводили секвенирование генома человека. Информация о нуклеотидных последовательностях  генов, которая, как полагалась, может привести к разработке новых методов диагностики и терапии, патентовалась.²⁸

Что же представляет собой основной предмет проекта - геном человека?

Известно, что в ядре каждой соматической клетки (кроме ядра ДНК есть еще и в  митохондриях) человека содержится 23 пары хромосом, каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Суммарная  длина всех 46 молекул ДНК в  одной клетке равна приблизительно 2 м, они содержат около 3,2 млрд пар  нуклеотидов. Общая длина ДНК  во всех клетках человеческого тела составляет 1011 км, что почти в  тысячу раз больше расстояния от Земли  до Солнца.

Как же помещаются в ядре такие длиннющие молекулы? Оказывается в ядре существует механизм "насильственной" укладки ДНК  в виде хроматина - уровни компактизации (Приложение 4).

Первый  уровень предполагает организацию  ДНК с гистоновыми белками - образование  нуклеосом. Молекулы специальных нуклеосомных белков образуют октамер в виде катушки, на которую наматывается нить ДНК. На одной нуклеосоме размещается около 200 пар оснований. Между нуклеосомами остается фрагмент ДНК размером до 60 пар оснований, называемый линкером. Этот уровень укладки позволяет  уменьшить линейные размеры ДНК  в 6-7 раз.

На следующем  уровне нуклеосомы укладываются в фибриллу (соленоид). Каждый виток составляет 6-7 нуклеосом, при этом линейные размеры  ДНК уменьшаются до 1 мм, т.е. в 25-30 раз.

Третий  уровень компактизации - петельная  укладка фибрилл - образование петельных  доменов, которые под углом отходят  от основной оси хромосомы. Их можно  увидеть в световой микроскоп  как интерфазные хромосомы типа "ламповых щеток". Поперечная исчерченность, характерная для митотических хромосом, отражает в какой-то степени порядок  расположения генов в молекуле ДНК.

Если  у прокариот линейные размеры  гена согласуются с размерами  структурного белка, то у эукариот размеры  ДНК намного превосходят суммарные  размеры значимых генов. Это объясняется, во-первых, мозаичным, или экзон-интронным, строением гена: фрагменты, подлежащие транскрипции - экзоны, перемежаются незначащими  участками - интронами. Последовательность генов сначала полностью транскрибируется синтезирующейся молекулой РНК, из которой затем вырезаются интроны, экзоны сшиваются и в таком  виде информация с молекулы иРНК считывается  на рибосоме. Второй причиной колоссальных размеров ДНК является большое количество повторяющихся генов. Некоторые повторяются десятки или сотни раз, а есть и такие, у которых встречается до 1 млн повторов на геном. Например ген, кодирующий рРНК повторяется около 2 тыс. раз.

Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в  геноме человека не более 40 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей  длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена.²⁹

Доноры генома

В межгосударственном проекте «Геном человека» (HGP), исследователи  из IHGSC взяли у большого числа  доноров образцы крови (женщин) и  спермы (мужчин). Из числа собранных  образцов источником ДНК стали лишь несколько. Таким образом, личности доноров были скрыты, чтобы ни доноры, ни учёные не могли знать, чья именно ДНК была секвенирована. Во всём проекте  были использованы многочисленные клоны  ДНК из различных библиотек (англ.). Большинство из этих библиотек были созданы доктором Питером де Хонгом (англ. Pieter J. de Jong). Неформально сообщалось, и в сообществе генетиков хорошо известно, что большая часть ДНК  в государственном проекте получена от единственного анонимного донора — мужчины из Буффало (кодовое название RP11).

Учёные HGP использовали белые кровяные клетки из крови двух мужчин и двух женщин доноров (случайно выбранных из 20 образцов каждого пола) — каждый донор  стал источником отдельной библиотеки ДНК. Одна из этих библиотек (RP11) использовалась значительно больше, чем другие по соображениям качества. Небольшой технический  нюанс заключается в том, что  мужские образцы содержали только половину количества ДНК, поступившего из X и Y хромосом в сравнении с  другими 22 хромосомами (аутосомами); это  происходит потому, что каждая мужская  клетка содержит только одну X и одну Y хромосому, а не две, как другие хромосомы (аутосомы).

Хотя  главная секвенирующая фаза проекта  «Геном человека» завершена, исследования изменчивости ДНК продолжаются в  международном проекте HapMap, цель которого состоит в идентификации структуры  групп однонуклеотидного полиморфизма (SNP) (которые называются гаплотипами). Образцы ДНК для HapMap получены от, в общей сложности, 270 человек: народа Йоруба в Ибадане (Нигерия), японцев  из Токио, китайцев из Пекина и французского источника Centre d'Etude du Polymorphisms Humain (англ.) (CEPH), который состоит из резидентов США, имеющих происхождение из западной и северной европы.

В проекте  компании Celera Genomics для секвенирования использовалась ДНК, поступившая от пяти различных человек. Крейг Вентер, в то время бывший главным научным  руководителем Celera Genomics, позднее признался (в публичном письме в журнал Science), что его ДНК была одним из 21 образцов в общем фонде, пять из которых  были отобраны для использования в проекте.

4 сентября 2007 года, команда под руководством  Крейга Вентера опубликовала  полную последовательность его собственной ДНК, впервые сняв покров тайны с шестимиллиарднонуклеотидной последовательности генома единственного человека.³⁰

Завершенность

Существуют многочисленные определения  «полной последовательности человеческого  генома». Согласно некоторым из них, геном уже полностью секвенирован, а согласно другим, этого ещё предстоит  добиться. В популярной прессе было множество статей, сообщающих о «завершении» генома. Согласно определению, которое  использует Международный проект по расшифровке генома человека, геном  расшифрован полностью. График истории  расшифровки проекта показывает, что большая часть человеческого  генома была закончена в конце 2003 года. Однако ещё остаётся несколько  регионов, которые считаются незаконченными:

• Прежде всего, центральные регионы каждой хромосомы, известные как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК; их сложно секвенировать при помощи современных технологий. Центромеры имеют длину миллионы (возможно десятки миллионов) пар нуклеотидов, и, по большому счёту, остаются несеквенированными.
• Во-вторых, концы хромосом, называемые теломерами, также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 хромосом их расшифровка не завершена. Точно не известно, какая часть последовательности остаётся не расшифрованной до теломер, но как и с центромерами, существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию.
• В-третьих, в геноме каждого индивидуума есть несколько локусов, которые содержат членов мультигенных семейств, которые также сложно расшифровать с помощью основного на сегодняшний день метода фрагментирования ДНК (англ.). В частности, эти семейства кодируют белки, важные для иммунной системы.
• Кроме перечисленных регионов, остаётся ещё несколько брешей, разбросанных по всему геному, некоторые из которых довольно крупные, но есть надежда, что все они будут закрыты в ближайшие годы.

Бо́льшая часть остающейся ДНК  сильно повторяющаяся, и маловероятно, что она содержит гены, однако это  останется неизвестным, пока они  не будут полностью секвенированы. Понимание функций всех генов  и их регуляции далека от завершения. Роль мусорной ДНК, эволюция генома, различия между индивидуумами, и многие другие вопросы по-прежнему являются предметом  интенсивных исследований в лабораториях всего мира.³¹

the 1000 Genomes Project

По материалам «портаал MEMBRANA: люди, идеи, технологии» 
(http://www.membrana.ru)

Национальный  исследовательский институт генома человека (National Human Genome Research Institute — NHGRI) в США, британский институт Сенгера (Wellcome Trust Sanger Institute) и Пекинский институт геномики в Шэньчжэне (Beijing Genomics Institute-Shenzhen) взялись за реализацию глобального  проекта расшифровки геномов 1000 человек со всего мира.

На данный момент установлена полная последовательность генов всего нескольких человек, (например доктора Ватсона). Чтобы создать общедоступную полную карту генома человека со всеми возможными вариациями, учёным понадобятся все доступные новые методы и около $30-50 миллионов (проведение всех операций устаревшими способами потребовало бы как минимум $500 млн).