Міжнародний проект Геном людини

Международный проект «Геном людини «.

" …Але спочатку прибери у кімнатах, вимий вікна, натри підлогу, выбели кухню, выполи грядки, посади під вікнами сім рожевих кущів, розбери сім мішків квасолі: білу відбери від коричневої, пізнай самому собі… «.

Е.Л. Шварц. «Попелюшка «.

Наверное, найважчим для Попелюшки в завданнях навчити злий й підступною мачухи було: «Пізнай самому собі! «Решта важко, але зрозуміло — дії звичні, вигадувати не треба, лише поспівай… Хіба отже: «Пізнай самому собі «? Дізнатися, як ти рухаєшся, думаєш чи дихаєш, коли перебираєш квасоля? Можливо, перший крок справжньому розумінню людини — дізнатися, як і відтворює собі подобных?

Когда кілька американських вчених у 1986−1987 роках заходилися нечувано зухвало умовляти керівників Міністерства енергетики США виділити декілька мільярдами доларів на фантастичний проект: дізнатися будова всіх генів людини — це був правильний крок пізнання самих себе. Дізнавшись будова генів, можна було зазіхнути і сподіваюся, щоб вторгнутися реально розуміння процесів мислення та реагування на стимули, які приходять із довкілля та т.д. Щойно проект, під назвою «Геном людини », оголосили, почалися нові борошна: безліч людей в усьому світі, причому непросто обивателі, а професора й керівники інститутів, стали його різку критику, називаючи його «завиральным », нереальним і просто дурним. Вкладених коштів не виправдає, зусиль зажадає стільки, що це вчені, закинувши решта справ, впоратися з нею не зможуть побачити й т.п. Гроші затія поглине, але з цього однаково нічого очікувати. Зарано ще до цього приступати, стверджували ці знавці, наука абсолютно не визріла до вирішення цих завдань, технічних можливостей досі не створено, краще — припинити від початку безглузду вигадку, а гроші пустити на справді реальні проекти. Якби цьому наполягали фахівці з ядерній фізиці чи фізичної хімії, було зрозуміло, адже через «Геному людини «призупинили інші дорогі проекти, насамперед у галузі фізики. Однак у хорі протестів виділялися й біологів, особливо Західної Європи та СРСР. Щоправда, у СРСР були інші вчені, зокрема академік А.А. Баєв, що ж постаралися включитися у міжнародний проект і отримати від нього максимальну пользу.

И ось минуло десять років після офіційного старту проекту. Чого ж удалося досягнути? Наприкінці 1999 р. розшифровано понад двох десятків геномів. Але ось наскільки близькі ми до розуміння будівлі всіх генів людини? І що дані можуть дати самому человеку?

СКОЛЬКО ГЕНІВ У ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ?.

В будь-якій соматичній клітині людини 23 пари хромосом. У кожній із них за однією молекулі ДНК. Довжина всіх 46 молекул майже 2 м.

У дорослої людини приблизно 5×10¹³ клітин, отже загальна довжина молекул ДНК в організмі 1011 км (майже тисячу разів більше відстані від Землі до Сонця). У молекулах ДНК однієї клітини людини 3,2 млрд пар нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з вуглеводу, фосфату і азотистого підстави. Вуглеводи і фосфати однакові переважають у всіх нуклеотидах, а азотистих підстав — чотири. Отже, мову генетичних записів чотирилітерний, і якщо підставу — його «літера », то «слова «— це порядок амінокислот в кодованих генами білках. Крім складу білків в геномі (сукупності генів у одинарном наборі хромосом) записані й інші цікаві відомості. Можна сміливо сказати, що Природа (внаслідок еволюції чи Божого промислу) закодувала в ДНК інструкції у тому, як клітинам виживати, реагувати на зовнішні впливи, запобігати «поломки », іншими словами, — як розвиватись агресивно та старіти организму.

Любое порушення цих інструкцій веде до мутацій, і якщо вони у статевих клітинах (сперматозоидах чи яйцеклетках), мутації передаються наступним поколінням, погрожуючи існуванню даного вида.

Как уявити 3 млрд підстав зримо? Щоб відтворити інформацію, що є в ДНК єдиною клітини, навіть найдрібнішим шрифтом (як і телефонних довідниках), знадобиться тисяча 1000-страничных книг!

Сколько ж тільки генів, тобто послідовностей нуклеотидів, які кодують білки, в ДНК людини? Року три тому вважали, що близько 100 тис., потім вирішили, що ні більш 80 тис. Наприкінці 1998 р. дійшли висновку, що у геномі людини 50−60 тис. генів. На частку яких припадає лише 3% загальної довжини ДНК. Роль інших 97% доки ясна.

ЧТО ТАКЕ «ГЕНОМ ЛЮДИНИ » ?.

Цель проекту — з’ясувати послідовності азотистих підстав й положення генів (картування) у кожному молекулі ДНК кожної клітини людини, що відкрило причини спадкових захворювань, і шляху до лікуванню. У проекті зайняті тисячі фахівців із усього світу: біологів, хіміків, математиків, фізиків і техніків. Це з найдорожчих наукових проектів, у історії. У 1990 р. нею витрачено 60 млн дол., 1991 р. — 135 млн, в 1992—1995 рр. — від 165 до 187 млн на рік, а 1996−1998 рр. лише США витратили 200, 225 і 253 млн Интерес до отриманих результатів величезний: самі цитовані 1998 р. автори (у генетиці чи біології, а й у всіх галузях науки) Марк Адамс і Крейг Вентер з американського Інституту досліджень геному у штаті Меріленд (США) — приватної компанії, що займається лише упорядкуванням «генних карт » .

ВЕХИ ПРОЕКТА.

Проект складається з п’ятьох основних этапов:

составление карти, де позначені гени, віддалені друг від друга трохи більше, ніж 2 млн підстав, мовою фахівців, з дозволом 2 МБ (Мегабаза — від англійського слова «base «— підставу);

завершение фізичних карт кожної хромосоми з дозволом 0,1 МБ;

получение карти всього геному як набору описаних окремо клонів (0,005 МБ);

к 2004 р. повне секвенування ДНК (дозвіл 1 підставу);

нанесение карті з дозволом один підставу всіх генів людини (до 2005 р.). Коли цих етапів буде завершено, дослідники визначать всі функції генів, і навіть біологічні і медичні застосування результатов.

ТРИ КАРТЫ.

В ході проекту створюють три типу карт хромосом: генетичні, фізичні і секвенсовые (від анг. sequence — послідовність). Виявити все гени, наявні у геномі, і можливість установити відстані з-поміж них — отже локалізувати кожен ген в хромосомах. Такі генетичні карти крім інвентаризації генів і зазначення їх положень у відповідь на виключно важливе запитання у тому, як гени визначають ті чи інші ознаки організму. Адже чимало ознаки залежить від кількох генів, часто розміщених у різних хромосомах, і чітке знання становища кожної їх дозволить зрозуміти, як відбувається диференціювання (спеціалізація) клітин, органів прокуратури та тканин, і навіть як успішніше лікувати генетичні захворювання. У 20-ті і 30-ті роки, коли створювали хромосомная теорія спадковості, з’ясування становища кожної гена призвела до того, що у генетичних картах спочатку дрозофіли, та був кукурудзи та інших видів вдалося відзначити особливі точки, як тоді говорили, «генетичні маркери «хромосом. Аналіз їх положення у хромосомах допоміг забезпечити генетичні карти хромосом людини новими даними. Перші даних про становищі окремих генів з’явилися ще 60-ті роки. З того часу вони множилися лавиноподібно, й у час відомо становище вже десятків тисяч генів. Три роки тому дозвіл генетичної карти становила 10 МБ (декому ділянок — навіть 5 Мб).

Другое напрям досліджень — складання фізичних карт хромосом. Ще у 60-х роки цитогенетики стали офарблювати хромосоми, щоб виявити ними особливі поперечні смуги. Після фарбування смуги бачили під мікроскопом. Між смугами і генами встановили відповідність, що дозволило вивчати хромосоми по-новому. Пізніше навчилися «мітити «молекули ДНК (радіоактивними чи флуоресцентными знаками) і ознайомитися з приєднанням цих міток до хромосомам, значно підвищило дозвіл їх структури: до 2 МБ, і потім і по 0,1 МБ (під час ділення клітин). У роки навчилися «розрізати «ДНК до дільниць спеціальними (рестрикционными) ферментами, распознающими короткі відтинки ДНК, у яких інформація записана як палиндромов — поєднань, читаються однаково з початку до кінця і зажадав від кінця до початку. Так виникли рестрикционные карти хромосом. Використання сучасних фізичних і хімічних методів і коштів поліпшило дозвіл фізичних карток у сотні раз.

Наконец, розробляються методи секвенування (вивчення послідовностей нуклеотидів в ДНК) відкрила шлях до створення секвенсовых карт з рекордним сьогодні дозволом (цих картах буде зазначено становище всіх нуклеотидів в ДНК).

ДВА ПОДХОДА.

Число хромосом та його довжина різні в різних біологічних видів. У клітинах бактерій одне хромосома. Так, розмір геному бактерії Mycoplasma genita-lium 0,58 МБ (у ньому 470 генів), у бактерії кишкової палички (Escherichia coli) в геномі 4200 генів (4,2 МБ), у рослини Arabi-dopsis thaliana — 25 тис. генів (100 МБ), у плодової мушки Droso-phila melanogaster — 10 тис. генів (120 МБ). У ДНК миші і авторитетної людини 50−60 тис. генів (3000 МБ). Звісно, упорядкування карт дуже різних об'єктів одні й тих самих методів неприйнятні, тому використовують дві різні за методологією підходу. У першому ділять ДНК на невеликі шматки і, вивчивши їх за окремішності, відтворюють всю структуру, Такий підхід увінчався успіхом під час упорядкування порівняно простих карт. Для складних геномів ефективніше другий підхід. У таких випадках нерозумно ділити молекулу ДНК на короткі шматки, зручні для детального вивчення. Їх була б дуже багато, що плутанина в послідовностях було б нерозв’язною. Тому, приймаючи за розшифровку, молекулу ділять, навпаки, на максимально довгі шматки і порівнюють їх у надії знайти кінцеві ділянки. Якщо вдається, шматки об'єднують, після чого процедуру повторюють. З удосконаленням комп’ютерів, і математичних методів обробки інформації об'єднані за таким принципом шматки стають все крупніша, поступово наближаючись до цілої молекулі. Такий підхід, зокрема, дозволив скласти генетичну карту 3-й хромосоми дрозофилы.

КЛАДЕЗЬ НОВИХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Важный аспект проекту «Геном людини «— розробка методів досліджень. Ще старту проекту було розвинений ряд дуже ефективних методів цитогенетичних досліджень (тепер їх називають методами першого покоління). У тому числі: створення і застосування згаданих рестрикционных ферментів; отримання гібридних молекул, їх клонування і перенесення ділянок ДНК з допомогою векторів в клетки-доноры (найчастіше — кишкової палички чи дріжджів); синтез ДНК на матрицях інформаційної РНК; секвенування генів; копіювання генів з допомогою спеціальних пристроїв; способи аналізу та класифікації молекул ДНК за щільністю, масі, структуре.

В останні 4−5 років завдяки проекту «Геном людини «розроблено нові методи (методи другого покоління), у яких майже всі процеси повністю автоматизовані. Чому так напрям стало центральним? Найменша хромосома клітин людини містить ДНК довжиною 50 МБ, найбільша (хромосома 1) — 250 МБ. До 1996 р. найбільший ділянку ДНК, що виділяється з хромосом з допомогою реактивів, мав довжину 0,35 МБ, а на кращому устаткуванні їх структура расшифровывалась зі швидкістю 0,05−0,1 МБ на рік при вартості 1−2 дол. за підставу. Інакше кажучи, лише з роботу довелося б приблизно 30 тис. днів (майже століття) і трьох млрд долл.

Совершенствование технології до 1998 р. підвищило продуктивність до 0,1 МБ щодня (36,5 МБ на рік) і знизило вартість до 0,5 дол. за підставу. Використання нових електромеханічних пристроїв, які до того ж споживають менше реактивів, дозволить вже у 1999 р. прискорити роботи ще 5 раз (до 2003 р. планується довести швидкість розшифровки до 500 МБ на рік) і применшити вартість до 0,25 дол. за підставу (для людської ДНК ще дешевле).

ГЕНЫ У БАНКЕ.

За останні шість років створено міжнародні банки даних про послідовностях нуклеотидів в ДНК різних організмів (GenBank / EMBL / pBJ) і послідовностях амінокислот в білках (PIR / SwissPot). Будь-який фахівець може скористатися зібраної там інформацією в дослідницькою метою. Рішення про вільний доступ до інформації далося нелегко. Вчені, юристи, законодавці чимало потрудилися, щоб перешкодити намірам комерційних фірм патентувати усі результати проекту й перетворити цю галузь науки в бизнес.

РЕЗУЛЬТАТЫ.

Расшифрованные геноми. 1995 р. — бактерія Hemophilus influenza;. 1996 р. — клітина дріжджів (6 тис. генів, 12,5 МБ); 1998 р. — круглий хробак Caenorhabditis elegans (19 тис. генів, 97 МБ). Основні результати завершених етапів проекту викладені у журналі «Science «(1998. Vol. 282, № 5396,. Р. 2012−2042).

Изученные гени людини. За 1995 р. довжина ділянок ДНК людини із порушенням установленої послідовністю підстав збільшилася майже 10 раз. Але хоч прогрес був наявний, результат протягом року становив менше 0,001% від цього, що потрібно було зробити. Але вже до липня 1998 р. було розшифровано майже 9% геному, та був щомісяця з’являлися нові значні результати. Вивчивши велика кількість копій генів у вигляді сДНК та порівнявши їх послідовності з ділянками хромосомної ДНК, до листопада 1998 р. розшифрували 30 261 ген (близько половини генома).

Функции генів. Результати завершеною частини проекту дозволяють будувати висновки про ролі дві третини генів у освіті та функціонуванні органів прокуратури та тканин організму людини. Виявилося, що найбільше генів треба задля формування мозку й підтримки його активності, а найменше до створення еритроцитів — лише 8.

Другие організми. Коли створювалася програма досліджень з проекту, вирішили спочатку відпрацювати методи більш простих моделях. Тому на згадуваній першому етапі реалізації проекту вивчили 8 різних представників світу мікроорганізмів, а до кінця 1998 р. — вже 18 організмів з розмірами геному від 1 до 20 МБ. У тому числі представники багатьох пологів бактерій: архебактерии, спирохеты, хламидобактерии, кишкова паличка, збудники пневмоній, сифілісу, гемофілії, метанобразующие бактерії, мікоплазми, риккетсии, ціанобактерії. Як згадувалося, завершено генетичний аналіз одноклітинного эукариота — дріжджів Saccharomy-ces cerevisae і першого багатоклітинного тваринного — хробака З. elegans.

Повреждения генів і спадкові хвороби. З 10 тис. відомих захворювань людини близько 3 тис. — спадкові хвороби. Вони необов’язково успадковуються (передаються нащадкам). Просто викликані вони порушеннями спадкового апарату, тобто генів (зокрема в соматичних клітинах, Не тільки в статевих). Виявлення молекулярних причин «поломки «генів — найважливіший результат проекту. Кількість вивчених хвороботворних генів швидко зростає, і крізь 3−4 роки ми пізнаємо все 3 тис. генів, відповідальних свої чи інші патології. Це дати раду генетичних програмах розвитку та функціонування організму людини, зокрема, зрозуміти причини раку й старіння. Знання молекулярних основ захворювань допоможе їх ранній діагностиці, отже, і більше успішному лікуванню. Адресне постачання ліками уражених клітин, заміна хворих генів здоровими, управління обміном речовин і ще мрії фантастів очах перетворюються на реальні методи сучасної медицины.

Молекулярные механізми еволюції. Знаючи будова геномів, вчені наблизяться до розгадки механізмів еволюції. Зокрема, такого її етапу, як розподіл живих істот на прокаріоти і еукаріоти. До того до прокариотам відносили архебактерии, за багатьма ознаками відмінні з інших представників цієї групи мікроорганізмів, але й котрі перебувають лише з однієї клітини без відособленого ядра, але з молекулою ДНК як подвійний спіралі. Коли минулого року геном архебактерий розшифрували, зрозуміли, що це окрема гілка на еволюційному древе.

ЗАДАЧИ НА БУДУЩЕЕ.

С урахуванням постійного нарощування темпів робіт керівники проекту заявили наприкінці 1998 р., що проект буде виконано набагато раніше, що розвиваються, і сформулювали завдання на найближчу перспективу:

2001 р. — попередній аналіз геному людини; 2002 р. — розшифровка геному плодової мухи Drosophila melanogaster; 2003 р. — створення повних карт геному людини; 2005 р. — розшифровка геному миші з методів сДНК і штучних хромосом дрожжей.

Помимо цього, офіційно включених у міжнародний проект, підтримуваний навіть низку інших країн на рівні, деякі дослідницькі центри оголосили про завданнях, які вирішуватися переважно з допомогою грантів і пожертвувань. Так, вчені Каліфорнійського університету (Берклі), Орегонського університету та Центру Ф. Хатчинсона дослідження раку почали розшифровку геному собаки.

ЧТО ДАЛЬШЕ?.

Главная стратегічним завданням у майбутнє — вивчити варіації ДНК (лише на рівні окремих нуклеотидів) у різних органах і клітинах окремих індивідуумів виявити ці відмінності. Зазвичай одиночні мутації в ДНК людини зустрічаються загалом на тисячу неизмененных підстав. Аналіз таких варіацій дозволить як створювати індивідуальні генні портрети і тим самим лікувати будь-які хвороби, а й визначати різницю між популяціями і регіони підвищений ризик, робити висновки необхідність першочерговою очищення територій від чи інших забруднень і виявляти виробництва, небезпечні для геномів персоналу. Втім, поруч із райдужними очікуваннями спільне добро ця грандіозна мета викликає і геть усвідомлену тривогу юристів й борців за прав людини. Зокрема, висловлюються заперечення проти поширення генетичної інформації без розв’язання тих, кого вона стосується. Адже кому як відомо, що сьогодні страхові компанії хто прагне роздобути такі дані усіма що і неправдами, маючи намір використовувати ці дані проти тих, кому вони страхують. Компанії не бажають страхувати клієнтів із потенційно хвороботворними генами чи заламують право їх страховки скажені суми. Тому конгрес США вже прийняв низку законів, вкладених у суворий заборона поширення індивідуальної генетичної информации.

Какие прогнози збудуться: оптимістичні чи песимістичні — покаже найближче будущее.

Список використаної литературы:

Журнал «Екологія життя й ». Стаття В. М. Сойфера, Професор, завідувач лабораторії молекулярної генетики Університету Дж. Мейсона, Фэйрфакс (Вірджинія), США.