Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Международный проект "Геном человека"

Голосов: 0

Международный проект "Геном человека" - один из наиболее дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки. Успехи в выполнении проекта оказались весьма значительными, и в октябре 1998 года было объявлено, что первый грубый вариант полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека будет получен к 2001 году. Это позволит лучше понять принципы развития организма человека, генетические причины многих наследственных болезней и механизмы старения.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                             INTERNATIONAL HUMAN            МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПРОЕКТ
                         GENOME PROJECT
                         V. N. SOYFER
                                                        “ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА”
                                                        З. з. лйвоЦк
                         The International Human
                         Genome Project is one of       мМЛ‚В ТЛЪВЪ ЛП. СКУ ‰К‡ еВИТУМ‡, о˝И Щ‡НТ,
                                                        ЗЛ „ЛМЛfl, лтД
                         the most ambitious, costly
                         and     potentially  useful
                         projects in the history of                   …Не нужно быть беспочвенным оптимистом, что-
                         science. The progress in                    бы верить, что через пятьдесят лет “биологичес-
                                                                     кий код” – химическая зашифровка наследствен-
                         the fulfillment of this                     ных свойств – будет расшифрован и прочитан.
                         project was so quick that in                С этого момента человек станет полным власте-
                                                                     лином живой материи...
                         October 1998 it was real-
                                                                           В.А. Энгельгардт. «Комсомольская правда»,
                         ized that the primary draft                                                9 июня 1957 года
                         of the whole DNA sequence
                         will be completed by 2001.            лдйгъдй ЙЦзйЗ
                         This project will help to             З уЦгйЗЦуЦлдйе йкЙДзабеЦ
                         understand the principles
                                                                    В ядре каждой соматической клетки человека со-
                         of development of human               держится 23 пары хромосом. На каждую из них при-
                         organisms, genetic basis of           ходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 мо-
                         many hereditary diseases,             лекул в одной клетке тела человека равна почти 2 м,
                         and mechanisms of aging.              а если учесть, что тело взрослого человека состав-
                                                               лено примерно из 5 ⋅ 1013 клеток, то общая длина
                                                               молекул ДНК в организме достигнет 1 ⋅ 1014 м, или
                         еВК‰ЫМ‡ У‰М˚И Ф УВНЪ                  1 ⋅ 1011 км, что в тысячи раз превышает расстояние от
                         “ЙВМУП ˜ВОУ‚ВН‡” – У‰ЛМ               Земли до Солнца.
                         ЛБ М‡Л·УОВВ ‰В БМУ‚ВМ-                   Но вернемся к одной клетке. Во всех молеку-
                         М˚ı, ‰У У„УТЪУfl˘Лı Л ФУ-              лах ДНК одиночной клетки человека содержится
                         ЪВМˆЛ‡О¸МУ ‚‡КМ˚ı Ф У-                3,2 млрд пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид со-
                         ВНЪУ‚ ‚ ЛТЪУ ЛЛ М‡ЫНЛ.                стоит из пятиуглеродного сахара, фосфатной груп-
                                                               пы и азотистого основания. Сахара и фосфаты оди-
                         мТФВıЛ ‚ ‚˚ФУОМВМЛЛ
                                                               наковы во всех нуклеотидах, а смысл нуклеотидам
                         Ф УВНЪ‡ УН‡Б‡ОЛТ¸ ‚ВТ¸П‡              придают основания, которых в ДНК четыре типа.
                         БМ‡˜ЛЪВО¸М˚ПЛ, Л ‚ УН-                Таким образом, язык генетических записей четы-
                         Ъfl· В 1998 „У‰‡ ·˚ОУ                  рехбуквенный, и если одно основание представляет
                                                               собой одну букву наследственной записи, то от-
                         У·˙fl‚ОВМУ, ˜ЪУ ФВ ‚˚И
                                                               дельными словами можно назвать генетическую
                         „ Ы·˚И ‚‡ Л‡МЪ ФУОМУИ                 информацию о порядке аминокислот в кодируемых
                         ФУТОВ‰У‚‡ЪВО¸МУТЪЛ МЫН-               генами белках. Кроме кодировки состава белков в
                         ОВУЪЛ‰У‚ ‚ Сзд ˜ВОУ‚ВН‡               геноме записаны, конечно, другие разнообразные
                         ·Ы‰ВЪ ФУОЫ˜ВМ Н 2001 „У-              сведения. Можно сказать, что Природа (либо в ре-
                                                               зультате эволюции, либо в согласии с Божьим про-
                         ‰Ы. щЪУ ФУБ‚УОЛЪ ОЫ˜¯В                мыслом) закодировала в ДНК инструкции о том,
    © лУИЩВ З.з., 1998




                         ФУМflЪ¸ Ф ЛМˆЛФ˚ ‡Б‚Л-                 как клеткам выживать, как реагировать на внешние
                         ЪЛfl У „‡МЛБП‡ ˜ВОУ‚ВН‡,               воздействия, как должно происходить развитие те-
                         „ВМВЪЛ˜ВТНЛВ    Ф Л˜ЛМ˚               ла, как стареет организм, предотвращает поломки
                                                               различных частей клеток и множество других сведе-
                         ПМУ„Лı М‡ТОВ‰ТЪ‚ВММ˚ı
                                                               ний. Любая поломка генных инструкций ведет к му-
                         ·УОВБМВИ Л ПВı‡МЛБП˚                  тациям, и если они случаются в генеративных клет-
                         ТЪ‡ ВМЛfl.                             ках – сперматозоидах или яйцеклетках, то мутации
                                                               передаются следующим поколениям. Это может


4                                                                лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1998


поставить в рискованное положение само сущест-           вания генома человека, а второй – директор этого
вование данного вида1.                                   института.
   За словами о 3 млрд пар оснований зримо не
видно, что же это такое. Гигантский объем инфор-         йлзйЗзхЦ сЦга икйЦднД
мации, содержащейся в геноме человека, лучше             “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”
всего иллюстрирует следующий пример: если напе-              Чтобы последовательно приближаться к реше-
чатать мельчайшим шрифтом телефонные книги,              нию проблемы картирования генов человека, было
то чтобы внести в них все знаки из ДНК одной-            сформулировано пять основных целей: 1) завер-
единственной клетки, понадобится отпечатать ты-          шить составление детальной генетической карты,
сячу тысячестраничных телефонных книг!                   на которой были бы помечены гены, отстоящие
                                                         друг от друга на расстоянии, не превышающем в
   Сколько же всего генов, то есть последователь-
                                                         среднем 2 млн оснований (1 млн оснований приня-
ностей, кодирующих белки, имеется в составе че-
                                                         то называть 1 мегабаза, сокращенно Мб, от англ.
ловеческой ДНК? Года три назад называли цифру
                                                         слова base – основание), 2) составить физические
100 тыс., затем 80 тыс. В конце 1998 года специали-
                                                         карты каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб),
сты по биоинформатике начали склоняться к мыс-
                                                         3) получить карту всего генома в виде охарактеризо-
ли, что на самом деле нужны более осторожные
                                                         ванных по отдельности клонов (5 тыс. оснований в
оценки и что в геноме человека может оказаться
                                                         клоне, или 5 килобаз, Кб), 4) завершить к 2004 году
50–60 тыс. генов. Важно подчеркнуть, что на их до-
                                                         полное секвенирование ДНК (разрешение 1 осно-
лю приходится только 3% общей длины ДНК чело-
                                                         вание) и 5) нанести на полностью завершенную
века. Функциональная роль остальных 97% остает-
                                                         секвенсовую карту все гены человека (к 2005 году).
ся пока непонятной.
                                                         Ожидалось, что, когда все указанные цели будут до-
                                                         стигнуты, исследователи определят все функции ге-
унй нДдйЦ икйЦдн “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”                        нов и разработают методы биологического и меди-
                                                         цинского применения полученных данных.
   Цель проекта заключается в выяснении после-
довательности оснований во всех молекулах ДНК в
                                                         нка наиД дДкн пкйейлйе
клетках человека. Одновременно должна быть уста-
новлена локализация всех генов, что помогло бы              В ходе проекта создают последовательно три ти-
выяснить причины наследственных заболеваний и            па карт хромосом: генетические, физические и сек-
этим открыть пути к их лечению. В выполнении             венсовые (от англ. слова sequence – последователь-
проекта задействовано несколько тысяч ученых,            ность). Выявление всех генов, присутствующих в
специализирующихся в биологии, химии, мате-              геноме человека, и установление хотя бы пример-
матике, физике и технике. Это один из самых до-          ного расстояния между ними позволят локализо-
рогостоящих научных проектов в истории циви-             вать каждый ген в хромосомах. Такие генетические
лизации. В 1990 году на изучение геномов было            карты помимо инвентаризации генов и указания
потрачено 60 млн долларов, в 1991 году – 135 млн,        места их расположения ответят на исключительно
в 1992–1995 годах ежегодно выделялось от 165 до          важный вопрос о вовлеченности генов в образова-
187 млн долларов, а в 1996–1998 годах только США         ние отдельных признаков организма. Ведь многие
расходовали 200, 225 и 253 млн долларов ежегодно.        признаки формируются под контролем нескольких
                                                         генов, часто расположенных в разных хромосомах,
   Об интересе к полученным в ходе реализации            и знание локализации каждого из них будет способ-
проекта результатам говорит такой факт: на сего-         ствовать лучшему распознаванию законов диффе-
дняшний день самыми цитируемыми авторами во              ренцировки клеток, органов и тканей, а также луч-
всех областях науки стали Марк Адамс и Крэйг Вен-        шему лечению болезней.
тер. Первый – ведущий сотрудник Института ге-
номных исследований в штате Мэриленд (США),                 В 20-е и 30-е годы XX столетия, когда создавали
частной исследовательской компании, занимаю-             хромосомную теорию наследственности, выясне-
щейся исключительно работами в области картиро-          ние положения каждого гена помогло нанести на
                                                         генетические карты сначала дрозофилы, затем ку-
1
 Среди систем, обеспечивающих нормальное функцио-
                                                         курузы, а после этого и других видов новые точки,
нирование генома, важнейшая роль принадлежит систе-      как тогда говорили, “генетические маркеры” хро-
ме генов так называемой репарации ДНК [2]. Однако эта    мосом. Чисто генетический анализ локализации
система не может вылечить собственную ДНК, если чис-     маркеров вдоль хромосом помогал насыщать гене-
ло возникающих в ДНК повреждений превысит некото-        тические карты хромосом человека новыми сведе-
рое пороговое значение. Поэтому среди внешних причин     ниями. Первые данные о положении генов появи-
вымирания тех или иных видов (динозавров, например)
могла быть и такая причина, как возникновение запре-
                                                         лись еще до 1968 года. Затем знания нарастали
дельного числа мутаций, которые организмы были не-       лавинообразно, и в настоящее время примерное
способны устранить из генома клеток, что привело к ги-   положение найдено уже для нескольких десятков
бели динозавров и многие другие виды.                    тысяч генов. Три года назад степень изученности


лйвоЦк З.з. еЦЬСмзДкйСзхв икйЦдн “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”                                                              5


    положения генов была такова, что в среднем рас-         вый, когда начинали работу со всей ДНК сразу и
    стояние между двумя изученными генами состав-           шли вниз (разрезали геномную ДНК на небольшое
    ляло около 10 Мб (говорят, что разрешение на этой       число кусков и анализировали их по отдельности, а
    карте достигло 10 Мб). Для некоторых участков бы-       затем воссоздавали всю начальную структуру), с ус-
    ло достигнуто разрешение до 5 Мб.                       пехом применили для генетического картирования
       Второй тип карт – это физические карты хромо-        малых по размеру геномов. Второй подход стали ис-
    сом. Еще в 60-е годы цитогенетики использовали          пользовать для длинных геномов. В последнем слу-
    методы окрашивания хромосом для выявления так           чае нельзя было надеяться взять всю ДНК и наре-
    называемых бэндов (поперечных полосок) на хро-          зать ее на небольшое число кусков. Число их было
    мосомах. Полосы можно было физически заметить           бы столь большим, что путаница в последователь-
    в микроскоп. Установление соответствия полос и          ностях была бы неразрешимой. Поэтому шли снизу
    генов дало возможность внести в изучение хромо-         вверх: сначала секвенировали как можно более
    сом новые детали. Затем были разработаны методы,        длинные, произвольно выбранные куски, затем
    позволившие физически следить за присоединени-          прикладывали их друг к другу в надежде найти пере-
    ем коротких отрезков радиоактивно-меченых или           крывающиеся концевые участки. Как только нахо-
    флуоресцентно-меченых ДНК к хромосомной ДНК.            дили перекрытие, куски объединяли в один (его на-
    Локализация этих меток повысила разрешение              зывали контиг). С применением компьютерных и
    структуры хромосом. Использование метода так на-        математических методов искали перекрытие все бо-
    зываемой флуоресцентной in situ гибридизации            лее крупных контигов и постепенно шли вверх вы-
    (FISH-метод) дало возможность достичь разреше-          ше и выше. Эту стратегию, в частности, успешно
    ния от 2 до 5 Мб, а потом повысить его (при изуче-      применили для 3-й хромосомы дрозофилы.
    нии хромосом делящихся клеток) до 100 Кб. В 70-х
    годах научились разрезать ДНК на участки фермен-        дкДндав ДзДгаб йлзйЗзхп нЦпзауЦлдап
    тами, узнающими коротенькие отрезки, в которых          ийСпйСйЗ д дДкнакйЗДзаы ЙЦзйейЗ
    информация записана в виде палиндромов (пере-
    вертышей), читаемых одинаково в обоих направле-             Важная составляющая проекта “Геном челове-
    ниях: с начала до конца и с конца до начала. Эти        ка” – это разработка множества новых, как любят
    ферменты были названы рестрикционными [3]. С            говорить журналисты, революционизирующих ме-
    их помощью построили так называемые рестрикци-          тодов исследований. Развитые еще до начала вы-
    онные физические карты, в короткий срок были            полнения проекта методы (их назвали методами
    разработаны другие физические и химические ме-          первого поколения) включали применение рест-
    тоды, приведшие к увеличению степени разреше-           рикционных ферментов; создание гибридных мо-
    ния физических карт в сотни раз.                        лекул, их клонирование и перенос участков ДНК с
                                                            помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего в
       Наконец, разработка методов изучения точных          клетки кишечной палочки, E. coli и дрожжевые клет-
    последовательностей нуклеотидов в ДНК, или ме-          ки; иногда этот процесс называют амплификацией
    тодов секвенирования, открыла путь к созданию           генов in vivo); синтез ДНК на матрицах информаци-
    секвенсовых карт, на которых степень разрешения         онной РНК (сДНК-синтез); методы секвенирова-
    доведена до своего максимального значения: на           ния генов; получение практически неограниченно-
    этих картах должно быть указано положение всех          го количества копий генов с помощью PCR-машин
    нуклеотидов в ДНК.                                      (амплификация участков ДНК in vitro); методы,
                                                            предназначенные для разделения молекул ДНК по
    СЗД ийСпйСД д дДкнакйЗДзаы ЙЦзйейЗ                      плотности, массе, различной вторичной структуре.
        Число хромосом и их длина различны у разных            В последние 4–5 лет, исключительно благодаря
    биологических видов. В бактериальных клетках есть       проекту “Геном человека”, были развиты новые ме-
    одна хромосома, например: у бактерии Mycoplasma         тоды (так называемого второго поколения), кото-
    genitalium геном имеет размер 580 Кб (в нем закоди-     рые включают как главный компонент автоматиза-
    ровано 470 генов), у бактерии кишечной палочки          цию большинства процессов (табл. 1). Почему это
    (Escherichia coli) геном состоит из 4,2 Мб (4200 ге-    направление стало центральным? Самая маленькая
    нов), у растения Arabidopsis thaliana – соответствен-   хромосома клеток человека содержит ДНК дли-
    но 100 Мб и 25 тыс. генов, у плодовой мушки Droso-      ной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) – длиной
    phila melanogaster – 120 Мб и 10 тыс. генов. У мыши     250 Мб. При существовавших до 1996 года методах
    и человека ДНК несет примерно по 3 млрд основа-         самый большой участок ДНК, выделяемый препа-
    ний и содержит предположительно 50–60 тыс. ге-          ративно из хромосом, имел длину 350 тыс. основа-
    нов. Конечно, для картирования столь разных гено-       ний, и на самом лучшем оборудовании можно было
    мов нельзя в принципе применить одни и те же            секвенировать от 50 до 100 Кб в год при стоимости
    методы. Поэтому были предложены два кардиналь-          1–2 доллара за основание. С такой скоростью мож-
    но различающихся по методологии подхода, их ус-         но было ожидать завершения работы по полному
    ловно назвали “сверху вниз” и “снизу вверх”. Пер-       секвенированию ДНК человека за 30 тыс. дней


6                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1998


Таблица 1. Автоматизированные методы анализа последовательностей ДНК (методы секвенсового анализа), разработан-
ные в рамках проекта “Геном человека”

 Секвенсовые технологии второго поколения               Секвенсовые технологии третьего поколения
Высоковольтный капиллярный электрофорез Ускоренное флуоресцентное детектирование отдельных меченых основа-
                                          ний в проточных цитофотометрах
Ультратонкий высоковольтный электрофорез Прямое чтение оснований в последовательностях ДНК с использованием
                                          сканирующих туннельных микроскопов или микроскопов, работающих
                                          на уровне атомного и субатомного разрешений
Резонансная ионизационная спектроскопия, Улучшенные методы прямого масс-спектрометрического анализа ДНК-
предназначенная для детектирования меток, овых последовательностей
созданных с помощью стабильных изотопов   Секвенирование путем гибридизации изучаемых высокомолекулярных
                                          отрезков ДНК с панелями (ДНК-чипами) коротких отрезков нуклеотидов


непрерывной работы при стоимости только секве-            таким был путь исследователей, приступивших к
нирования (без учета всех остальных операций по           разработке проблемы генома человека. Первой круп-
выделению и обработке ДНК до секвенирования)              ной вехой стало полное картирование в 1995 году ге-
3 млрд долларов.                                          нома бактерии Hemophilus influenzae. В 1996 году бы-
    Улучшение к началу 1998 года технологии позво-        ло закончено картирование ДНК дрожжевой клетки
лило аккуратно секвенировать 100 Кб в день при            (12,5 Мб, 6 тыс. генов), в середине декабря 1998 года
стоимости около полудоллара за основание. Таким           был полностью картирован геном круглого червя
образом, за год, если работать без выходных, можно        Caenorhabditis elegans (97 Мб и 19 099 генов, что со-
узнавать последовательности ДНК длиной 36,5 Мб.           ставляет от 1/3 до 1/4 общего числа генов человека).
Ожидается, что разработка новых электромехани-            Основные результаты, полученные международ-
ческих устройств, которые к тому же требовали             ным коллективом ученых, опубликованы в журнале
бы меньше реактивов, позволит уже к середине              “Science” (1998. Vol. 282, № 5396. Рp. 2012–2042).
1999 года достичь пятикратного ускорения работы,              Изученные гены человека. С января 1995 до янва-
а к 2003 году можно будет секвенировать по 500 Мб         ря 1996 года длина участков ДНК человека, для ко-
в год при стоимости 25 центов за основание (для че-       торых была установлена полная последователь-
ловеческой ДНК эта стоимость будет значительно            ность оснований, увеличилась почти в 10 раз. Но
меньше).                                                  хотя прогресс был налицо, однако все, что было
                                                          сделано за год, составляло менее одной тысячной
ЕДзда СДззхп й ЙЦзйеЦ уЦгйЗЦдД                            процента человеческого генома. Но уже к июлю
                                                          1998 года было секвенировано почти 9% всего ге-
   В результате проведенной работы за последние           нома (рис. 1), а затем каждый месяц приносил но-
шесть лет были созданы мощнейшие международ-              вые замечательные результаты. Параллельно изу-
ные банки данных о последовательностях нуклео-            чили большое числе копий генов в виде сДНК, их
тидов в ДНК разных организмов (такие, как
GenBank/EMBL/DDBJ) и о последовательностях                                                    30
                                                          Число секвенированных генов, Ч103




аминокислот в белках (PIR/SwissPot). Любой спе-
циалист в мире может практически беспрепятст-                                                 25
венно войти в эти банки данных и воспользоваться
для исследовательских целей собранной там ин-
                                                                                              20
формацией. Решение о доступности информации
не было принято сразу, и потребовалась значитель-
ная работа как ученых, так юристов и законода-                                                15
телей, чтобы воспрепятствовать первоначальному
желанию многих фирм, особенно коммерческих,                                                   10
патентовать все получаемые последовательности
генов, закрыть их для доступа и коммерциализиро-
вать эту научную область.                                                                     5


дкДндДь пДкДднЦкалнадД кЦбмгънДнйЗ                                                            0
                                                                                               1972
                                                                                                      1974
                                                                                                             1976
                                                                                                                    1978
                                                                                                                           1980
                                                                                                                                  1982
                                                                                                                                         1984
                                                                                                                                                1986
                                                                                                                                                       1988
                                                                                                                                                              1990
                                                                                                                                                                     1992
                                                                                                                                                                            1994
                                                                                                                                                                                   1996
                                                                                                                                                                                          1998




ЗхийгзЦзаь икйЙкДеех
   Организмы с полностью секвенированными гено-                                                                                           Годы
мами. Решение сначала более простых задач с по-
степенным их усложнением, обучением персонала,                                                Рис. 1. Нарастание числа секвенированных генов
разработкой все более совершенных технологий –                                                человека по годам



лйвоЦк З.з. еЦЬСмзДкйСзхв икйЦдн “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”                                                                                                                                                7


    последовательности сопоставили с участками хро-                                                               Лимфатические клетки 374     Мозг 3195
    мосомной ДНК, и стало ясно, что к 23 октября                                                                     Эндотелиальные (под-
                                                                                                                                                Глаз 547
    1998 года установлены последовательности 30 181 ге-                                                           стилающие) клетки 1031
                                                                                                                                                Кость 904
    на человека. К 11 ноября того же года число секве-                                                                  Слюнная железа 17
                                                                                                                  Щитовидная железа 584         Жировая ткань 581
    нированных генов достигло 30 261. Тем самым по-                                                                                             Тимус 261
                                                                                                               Околощитовидная железа 46
    лучена информация примерно для половины всех                                                               Гладкая мускулатура 127            Пищевод 76
    генов человека.                                                                                             Молочная железа 696                   Легкие 1887
                                                                                                                       Поджелудочная                   Сердце 1195
       Сведения о функциях генов в организмах. Благо-                                                                     железа 1094                  Печень 2091
    даря достигнутым успехам эти данные позволили                                                                     Селезенка 1094                   Эритроцит 8
    впервые реально оценить функции генов в организ-                                                              Надпочечники 658                     Тромбоцит 22
    ме человека. Хотя более чем для четверти генов ин-                                                         Желчный пузырь 788                       Толстый
    формация пока недоступна (рис. 2), для двух третей                                                            Большой сальник                       кишечник 879
    генов она или полностью установлена, или может                                                             (покрывает желудок                      Почка 712
                                                                                                                   и кишечник) 163                     Яичник 504
    быть примерно указана.                                                                                                                            Семенник 370
                                                                                                               Тонкий кишечник 297
                                                                                                                                                      Матка 1859
                                                                                                                   Плацента 1290
     25                                                                                                                                              Кожа 620
                                                                                                                   Простата 1283                     Эмбрион 1989
                                                                                                               Скелетная мышца 735                 Яичко 1232
     20                                                                                                             Белая кровяная                 Синовиальная
                                                                                                                        клетка 2164                оболочка 813
     15
                                                                                                                  Рис. 3 Количество генов, вовлеченных в развитие
     10                                                                                                           и функционирование органов и тканей человека

      5                                                                                                        точного организма – дрожжей Saccharomyces cerevi-
                                                                                                               sae и первого многоклеточного животного организ-
      0                                                                                                        ма – нематоды C. elegans.
                                                        и повреждений
                         использование
                                         Коммуникации


                                                        Защита клеток
          Производство


                         Производство




                                                                                                                   Изучение последовательностей нуклеотидов в ге-
                                                                                                 не выяснены
                         энергии и ее




                                                        от инфекций
                                         внутри и вне
          материалов




                                                                        и движение
                                                                        Клеточные


                                                                                     Воспроиз-
          клеточных




                                                                        структуры




                                                                                                               нах, повреждение которых вызывает наследственные
                                                                                                 Функции
                                                                                     водство




                                                                                                               болезни человека. В настоящее время описано при-
                                         клеток




                                                                                     клеток




                                                                                                               мерно 10 тыс. различных заболеваний человека. Из
                                                                                                               этого числа около 3 тыс. – наследственные болезни.
                                                                                                               Они необязательно должны быть наследуемыми, то
       Рис. 2. Примерное распределение генов челове-                                                           есть передаваться от поколения к поколению. Слово
       ка по их функциям                                                                                       “наследственный” означает, что причина болезни
                                                                                                               заключается в поломке наследственного аппарата,
       Была получена исключительно интересная ин-                                                              то есть генов (в том числе в соматических клетках, а
    формация о вовлеченности генов в образование и                                                             не только в генеративных). Выявление молекуляр-
    функционирование отдельных органов и тканей че-                                                            ной причины поломки генов прямо вытекает из ре-
    ловеческого тела (рис. 3). Оказалось, что самое боль-                                                      зультатов исследования генома. В табл. 2 представле-
    шое число генов необходимо для формирования                                                                ны гены, повреждения которых вызывают болезни
    мозга и поддержания его активности, а самое                                                                человека и которые к концу 1997 года были полно-
    маленькое для создания эритроцитов – всего 8 генов.                                                        стью секвенированы. Можно видеть, как год от года
                                                                                                               растет число изученных болезнетворных генов.
       Изучение геномов других организмов. Когда про-                                                          Ожидается, что в течение трех-четырех лет будут
    грамма еще только планировалась, было решено,                                                              изучены все 3 тыс. генов, вовлеченных в развитие
    что на первых порах надо отработать методы на бо-                                                          патологических процессов у человека. Эти сведения
    лее простых моделях. Сначала изучили 8 разных                                                              помогут разобраться в генетических программах
    представителей мира микроорганизмов, затем спи-                                                            развития и функционирования организма челове-
    сок расширяли, и в настоящее время секвенсовые                                                             ка, в причинах возникновения раковых заболева-
    карты составлены уже для 18 организмов, имеющих                                                            ний и старения. Выявление молекулярных основ
    малый размер генома (от 1 до 20 Мб). В их числе                                                            заболеваний поможет перевести на новый уровень
    представители многих родов бактерий: архебактерии,                                                         методы их ранней диагностики, а значит, вести бо-
    спирохеты, хламидобактерии, кишечная палочка,                                                              лее утонченно и успешно борьбу с заболеваниями.
    возбудители пневмоний, сифилиса, гемофилии, ме-                                                            Такие методы, как, например, адресная доставка ле-
    танобразующие бактерии, микоплазмы, риккетсии,                                                             карств в пораженные клетки, замещение больных
    цианобактерии. Как уже упоминалось, закончен                                                               генов здоровыми, включение/выключение боковых
    анализ генома первого эукариотического однокле-                                                            путей метаболизма за счет включения/выключения


8                                                                                                                лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1998


соответствующих генов, и многие другие перестали                  ленность (по оценкам экономистов, она вошла в
быть предметом нездорового прожектерства фанта-                   лидирующую группу по объему купли-продажи ак-
стов, а становятся частью арсенала современной                    ций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой
медицины.                                                         стало и то, что фармацевтические компании вклю-
                                                                  чили в свою сферу выведение новых сортов сель-
   Лучшее понимание эволюции органического мира.                  скохозяйственных растений и животных и тратят на
Благодаря геномным исследованиям ученым удает-                    это десятки миллиардов долларов в год, они же мо-
ся по-новому взглянуть на эволюцию живого мира.                   нополизировали выпуск химических веществ для
В первую очередь это касается таких крупных кате-                 быта, добавок к продукции строительной индустрии
горий, как деление живых существ на прокариотов                   и т.п. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько
(безъядерных организмов) и эукариотов (организ-                   сот тысяч высококвалифицированных специалис-
мов, в клетках которых имеется ядро с двухслойной                 тов заняты в исследовательских и промышленных
оболочкой). До последнего времени к прокариотам                   секторах фарминдустрии, и именно в этих областях
относили древние бактерии, так называемые архе-                   интерес к геномным и генно-инженерным исследо-
бактерии, по многим признакам отличающиеся от                     ваниям исключительно высок.
настоящих бактерий, но представленные также од-
ноклеточными организмами без обособленного яд-                    бДСДуа ЕмСмфап аллгЦСйЗДзав
ра и несущими одиночные двунитевые молекулы                           Рассмотрев темпы ускорения работы в рамках
ДНК. Когда год назад секвенирование ДНК архе-                     проекта “Геном человека”, руководители проекта
бактерий было завершено, стало ясно, что эти орга-                объявили 23 октября 1998 года, что программа будет
низмы представляют собой отдельную ветвь на эво-                  полностью завершена гораздо раньше, чем это пер-
люционном древе живых существ на Земле (рис. 4).                  воначально планировалось, и сформулировали
                                                                  «Новые задачи проекта “Геном человека”»:
     Бактерии                                                         1) полностью завершить в декабре 1998 года
                           H. pylori                              работу по секвенированию генома круглого червя
       B. burgdorleri
                                                                  C. elegans (это было сделано в срок);
                              B. subtilis                             2) закончить предварительный анализ последо-
    H. influenzae
                                            Synechocystis         вательностей ДНК человека к 2001 году, а полную
                                                                  последовательность к 2003 году;
      E. coli
                                                                      3) картировать к 2002 году геном плодовой мухи
                                                A. aeolicus       Drosophila melanogaster ;
M. pneumoniae                                                         4) начать секвенирование генома мыши с ис-
                                                                  пользованием методов сДНК и искусственных хро-
   M. genitalium
                                                 Археи            мосом дрожжей; завершить этот проект к 2005 году.
                                                                      Помимо этих целей, официально включенных в
                                                 M. thermoauto-   поддерживаемый правительством США и рядом
                                                 trophicum
                                                                  других правительств проект, некоторые исследова-
                                                                  тельские центры объявили о задачах, которые будут
                                                                  решаться в основном за счет частных фондов и по-
                                                   A. fulgidus    жертвователей. Так, ученые Калифорнийского уни-
                                   M. jannaschii                  верситета (Беркли), Орегонского университета и
            Эукариоты
                                                                  Ракового исследовательского центра им. Фреда Хат-
           S. cerevisiae
                                                                  чинсона начали программу “Геном собаки”.
                                                                      Международное общество секвенирования в фев-
   Рис. 4. Схема эволюции живых существ, уточнен-
   ная с помощью геномных исследований                            рале 1996 года приняло решение о том, что любая
                                                                  последовательность нуклеотидов размером 1–2 Кб
                                                                  должна быть обнародована (через Интернет) в тече-
икаеЦзЦзаЦ ЙЦззй-азЬЦзЦкзхп                                       ние 24 ч после ее установления.
икйСмднйЗ З еЦСасазЦ

   Значительный прогресс достигнут в практиче-                    унй ЕмСЦн лСЦгДзй ийлгЦ бДЗЦктЦзаь
ской области создания новых продуктов для меди-                   ДзДгабД ЙЦзйеД уЦгйЗЦдД
цинской промышленности и лечения болезней                            Главная стратегическая задача будущего сформу-
человека (табл. 3). В настоящее время фармацев-                   лирована следующим образом: изучить однонуклео-
тическая промышленность завоевала лидирующие                      тидные вариации ДНК в разных органах и клетках от-
позиции в мире, что нашло отражение не только в                   дельных индивидуумов и выявить различия между
объемах промышленного производства, но и в фи-                    индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возмож-
нансовых средствах, вкладываемых в эту промыш-                    ность не только подойти к созданию индивидуальных


лйвоЦк З.з. еЦЬСмзДкйСзхв икйЦдн “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”                                                                      9


     Таблица 2. Болезнетворные гены, идентифицированные с помощью позиционного клоннирования
     1986                                1994                                  1996
     Хронический грануломатоз            Синдром Мак Леода                     Сцепленное с Х-хромосомой вырождение
     Мышечная дистрофия Дюшенна          Почечный полицистит 1-го типа         сетчатки (RP3)
                                         Дентаторубральная атрофия             Поликистозная болезнь почек II типа
     1989
                                         Тип “Е” ломкости Х-хромосом           Синдром базальных клеток родимого пятна
     Кистозный фиброз
                                         Ахондроплазия                         Сцепленная с Х-хромосомой миотубулярная
     1990                                                                      миопатия
                                         Синдром Вискотта-Олдрича
     Опухоль Вилмса                      Ранний рак груди/яичника (BRCA1)      Эктодермальная дисплазия потовых желез
     Нейрофиброматоз I                   Диастрофическая дисплазия             Гемохроматоз
     Фактор дифференцировки семенников Синдром Аарскога-Скотта                 Синдром Чедиака-Хигаши
     Хороидермия (воспаление сосудистой Спинномозговая атаксия 3               Наследственные множественные экзостозы
     оболочки глаза)                     Врожденная гипоплазия надпочечников   (EXT2)
     1991                                Мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса     Анемия Фанкони А
     Синдром ломкости Х-хромосомы        Болезнь Мачадо-Джозефа                Синдром Хермански-Пудляка
     Семейный полипоз                    1995                                  Спинномозговая атаксия 2
     Синдром Кальманна                   Атрофия мышц позвоночника             CADASIL (Наследственный паралич)
     Аниридия                            Точечная хондродисплазия              Диабет взрослого типа у молодых людей
     1992                                Мышечная дистрофия Лимба-Гирдля       (хромосома 12)
     Миотоническая дистрофия             Альбинизм глаза                       1997
     Синдром Лауэ                        Атаксия телеангиэктазия               Синдром Хольта-Орам
     Синдром Норри                       Болезнь Альцхаймера (хромосома 14)    Синдром Энгельмана
                                         Болезнь Альцхаймера (хромосома 1)     Ювенильная глаукома
     1993
                                         Гипофосфатемичный рахит
     Болезнь Менкеса                                                           Болезнь Штаргардта
                                         Наследственные множественные экзо-
     Агаммаглобулинемия, сцепленная                                            Множественная эндокринная неоплазия
                                         стозы (костные выросты)
     с Х-хромосомой                                                            1-го типа
                                         Синдром Блума
     Недостаточность глицеринкиназы                                            Болезнь Нимана-Пика, тип С
                                         Ранний рак груди/яичника (BRCA2)
     Аденолейкодистрофия                                                       Синдром Алагилля
                                         1996
     Нейрофиброматоз 2-го типа                                                 Семейная средиземноморская лихорадка
                                         Атаксия Фридрихса
     Болезнь Хантингтона                                                       Бугристый склероз I
                                         Прогрессирующая миоклональная эпи-
     Болезнь фон Хиппеля-Ландау          лепсия                                Дистония
     Спинномозговая атаксия 1            Синдром Тричера-Коллинза              Спинномозговая атаксия типа 7
     Энцефалит гладкой поверхности боль- Синдром Лонга QT (хромосома 11)       Синдром Оптца
     ших полушарий мозга                 Синдром Барта                         Situs inversus
     Болезнь Вильсона                    Синдром Симпсона-Голаби-Бемеля        Наследственная глухота (DFNA1)
     Клубочковый склероз                 Синдром Вернера                       Наследственная автоиммунная болезнь


     генных портретов людей, что, в частности, даст воз-        против тех, кого они страхуют. Например, если по-
     можность лучше лечить болезни, но и определить             дающий на страховку несет потенциально болез-
     различия между популяциями, выявлять географи-             нетворный ген, компании не хотят страховать таких
     ческие районы повышенного риска, что поможет да-           людей вовсе или же пытаются заломить бешеные
     вать четкие рекомендации о необходимости очистки           суммы за их страховки. Исходя из этого, Конгресс
     территорий от загрязнения и выявлять производст-           США уже принял ряд законов, направленных на
     ва, на которых есть большая опасность поражения            строгий запрет распространения генетической ин-
     геномов персонала.                                         формации относительно отдельных людей, и юрис-
                                                                ты всего мира интенсивно работают в данном на-
        Эта грандиозная задача рождает не одни ра-              правлении.
     дужные ожидания всеобщего блага, но и вполне
     осознанную тревогу юристов и борцов за индиви-             санакйЗДззДь ганЦкДнмкД
     дуальные права человека. Так, в частности, вы-
     сказываются возражения против распространения                 1. Кнорре Д.Г. Биохимия нуклеиновых кислот // Соро-
                                                                   совский Образовательный Журнал. 1996. № 3. С. 11–16;
     персональной информации без разрешения тех, ко-               1998. № 8. С. 30–35.
     го она касается. Один пример помогает понять эти              2. Сойфер В.Н. Репарация генетических повреждений
     тревоги: уже сейчас страховые компании нацели-                // Там же. 1997. № 8. С. 4–13.
     лись на добывание таких сведений правдами и не-               3. Лещинская И.Б. Генетическая инженерия // Там же.
     правдами, они намереваются использовать данные                1996. № 1. С. 32–39.


10                                                                 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1998


Таблица 3. Использование генно-инженерных продуктов в медицине

    Продукт                      Природные продукты и сфера применения генно-инженерных продуктов
Антикоагулянты   Активатор тканевого плазминогена (АТП), активирует плазмин. Фермент, вовлеченный в рассасыва-
                 ние тромбов; эффективен при лечении больных с инфарктами миокарда
Факторы крови    Фактор VIII ускоряет образование сгустков; дефицитен у гемофиликов. Использование фактора VIII,
                 полученного генно-инженерными методами, устраняет риск, связанный с переливанием крови
Факторы, стиму- Ростовые факторы иммунной системы, которые стимулируют образование лейкоцитов. Применяют
лирующие образо- для лечения иммунодефицита и борьбы с инфекциями
вание колоний
Эритропоэтин     Стимулирует образование эритроцитов. Применяют для лечения анемии у больных с почечной недо-
                 статочностью
Ростовые факторы Стимулируют дифференциацию и рост различных типов клеток. Применяют для ускорения лече-
                 ния ран
Гормон роста     Применяют при лечении карликовости
человека
Человеческий     Используют для лечения диабета
инсулин
Интерфероны      Препятствуют размножению вирусов. Также используются для лечения некоторых форм раковых за-
                 болеваний
Интерлейкины     Активируют и стимулируют работу различных типов лейкоцитов. Возможно применение при залечи-
                 вании ран, при заражении ВИЧ, раковых заболеваниях, иммунодефиците
Моноклональные Высочайшая специфичность связывания с антителами используется в диагностических целях. При-
антитела         меняют также для адресной доставки лекарств, токсинов, радиоактивных и изотопных соединений к
                 раковым опухолям при терапии раков, имеется много других сфер применения
Супероксид       Предотвращает поражение тканей реактивными оксипроизводными в условиях кратковременной не-
дисмутаза        хватки кислорода, особенно в ходе хирургических операций, когда нужно внезапно восстановить ток
                 крови
Вакцины          Искусственно полученные вакцины (первой была получена вакцина против гепатита В) по многим
                 показателям лучше обычных вакцин


                         * * *                             седатель Правления и генеральный директор Меж-
                                                           дународной Соросовской Программы Образования
   Валерий Николаевич Сойфер, доктор физико-               в Области Точных наук, награжден Международной
математических наук, профессор Университета
                                                           медалью Грегора Менделя за выдающиеся до-
им. Джорджа Мейсона и директор Лаборатории
                                                           стижения в области биологических наук. Области
молекулярной генетики этого университета, акаде-
мик Российской академии естественных наук,                 научных интересов – изучение структуры и функ-
Академии педагогических и социальных наук, Нью-            ционирования ДНК, репарации, молекулярных
Йоркской академии наук, иностранный член Нацио-            последствий загрязнения окружающей среды, ис-
нальной академии наук Украины, почетный доктор             тория и философия науки. Автор 19 книг и более
Казанского и Иерусалимского университетов, пред-           200 научных работ.


                   д‡Н    ‡Б˚ТН‡Ъ¸ ЛМЩУ П‡ˆЛ˛ У „ВМУПВ ˜ВОУ‚ВН‡ ‚ ТВЪЛ аМЪВ МВЪ
В сети Интернет сейчас можно найти большое число           http://cos.gdb.org/best.html
адресов, содержащих разнообразную информацию,              http://www.med.jhu.edu/tfgtelsi
касающуюся генома человека. Вот некоторые из               http://modimes.org/
полезных адресов:                                          http://www.hslib.washington.edu/helix
http://www.nhgri.nih.gov                                   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim
http://genlink.wustl.edu                                   http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~macer/index.html
http://www.geneletter.org                                  http://www.bioethics.gov
http://www.hhmi.org                                        http://www.ornl.gov/hgmis/resource/elsi.html
http://www.mpimg-berlin-dahlem.mpg.de/~cytogen/            http://www.ornl.gov/hgmis
http://ftp.tigr.org                                        http://www.NORD-rdb.com/~orphan
http://cancernet.nci.nih.gov/ord/index                     http://www.ncgr.org
http://www.wiley.co.uk/genetherapy                         http://bioserver.uniba.it/fish/Cytogenetics/welcome.html



лйвоЦк З.з. еЦЬСмзДкйСзхв икйЦдн “ЙЦзйе уЦгйЗЦдД”                                                                     11



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика