В 1988 году учеными была открыта международная программа по расшифровке генома человека. Проект “геном человека” официально начался в 1990 году в котором опубликованы планы на первые пять лет и последующие 15 лет проекта в котором приняла участие и Россия. Ученые России описывали 3-ю, 13-ю и 19-ю из 46 хромосом человека.
1990 – международная программа геном человека начинается
Значение исследования генетического кода человека
Многие медицинские сообщества многих стран уже давно проявляли интерес и считают, что расшифровка генома человека важна ради прогресса медицины и выявления мутаций при ядерном облучении.
Целями проекта стало:
- составление карты человеческого генома и определение всего 3,2 миллиарда букв
- картирование и секвенирование геномов других организмов, если это будет полезным для изучения биологии
- разработка технологий для анализа ДНК и изучения социальных, этических и правовых последствий геномных исследований.
Начало клонирования организмов
Первый секвенированный геном
В 1995 году, чтобы продемонстрировать новые стратегии последовательности американский биолог Дж. Крейг Вентер опубликовал первый полностью секвенированный геном самовоспроизводящегося свободного живого организма – Гемофильной палочки.
Известный как грипп гемофильная палочка – это бактерия, которая может вызвать менингит уха и респираторные инфекции у детей. До этого прорыва, ученым только удалось секвенировать участок ДНК некоторых вирусов, которые примерно в десять раз короче, чем грипп гемофильная палочка.
Реализация проекта заняла около года и имела выдающееся достижение. Его успех доказал, что метод может быть применен быстро и качественно для определения генома в целом, подготавливая почву для будущих открытий.
1995 – гемофильная инфекция -это первый секвенированный геном бактерии
В марте 2000 года, ученые из ряда лабораторий успешно расшифровали генетический состав фруктовой мухи. Совместные усилия будут иметь серьезные последствия для секвенирования генома человека, как молекулярная биология и развитие имеет много общего с млекопитающими.
В ходе своих исследований ученые обнаружили, что каждый ячейка дрозофилы содержит 13 601 участков ДНК, что делает её самым большим и сложным организмом декодируемым в то время. Однако, напротив, человеческие клетки содержат 70 000 участков ДНК. В то время как проект “геном человека” еще двигался, чтобы достичь своей конечной цели, это стало важной вехой на этом пути.
2000 – генетический код дрозофилы декодируется
В 2002 году ученые реализовали следующий большой шаг и расшифровали геном первого млекопитающего – мыши. Достижение позволило им сравнить, в первый раз, геном человека с другим млекопитающим.
Удивительно, выяснилось, что 90% кода мыши могут соответствовать с соответствующим местом на расшифровке генома человека. Как мышь и геном человека содержится около 30 000 белок-кодирующих участков ДНК. Эти открытия выведены впервые, насколько тесно млекопитающих были генетически связаны.
Первое клонирование животных
Всемирно известная овечка Долли была первым млекопитающим, клонированным из взрослой клетки. Подвиг был новаторским в то время как животные, такие как коровы были ранее клонированы из клеток эмбриона. Долли показала, что даже ДНК все еще может быть использован для создания всего организма.
Долли была создана учеными Рослинского института в Шотландии, из вымени клетки шестилетней белой овцы. Ученые нашли способ перепрограммировать клетки, которые затем вводили в яйцеклетку из которой её родные ядра были удалены. Затем яйцо было культивировано до стадии, прежде чем быть имплантировано в суррогатную мать.
Клонирование животных из взрослых клеток – это сложный процесс, и из 277 попыток только Долли была единственным ягненком, чтобы выжить. Она продолжала жить в безмятежном существовании в Рослинском институте и была способна производить нормальное потомство. После ее смерти (её усыпили), стала чучелом и выставлена на показ.
1996 – клонирование животных: овечка Долли
История создания генофонда человека
Расшифровка генома человека не была бы успешной и её невозможно было бы осуществить в рамках отдельной страны и без общей координации ученых. Поэтому в 1996 году руководители проекта “геном человека” встретились на Бермудских островах, и решили, что данные о последовательности генома должны находиться в свободном открытом доступе.
Известное соглашение как “Бермудские принципы”, было разработано, чтобы гарантировать, что информационные последовательности приведут как можно быстрее к достижениям в области здравоохранения и научных исследований.
Для того, чтобы координировать процесс, было также решено, что крупные центры секвенирования информируют организацию генома человека о каких-либо намерениях о последовательности расшифровки генома человека.
1996 – Бермудские принципы проекта «геном человека» упорядочили составление отдельных частей.
Декодирование первой хромосомы человека
В 1999 году Международная команда исследователей достигла важной вехи, когда они изучали в первый раз полный генетический код хромосом у человека. Хромосома содержит 33,5 миллиона “букв” или химических компонентов.
В то время непрерывный участок ДНК не был расшифрована и собран. Однако, это была только первая глава расшифровки генетического кода человека – остальное было еще впереди.
1999 – первая хромосома человека декодируется
Генофонд определен
История расшифровки генома человека завершилась в 2003 году, когда проект был завершен. Международный научно-исследовательский проект может быть описан как величайшее путешествие когда-либо сделанное – хоть и вовнутрь человека.
Ученые добились высокого качества последовательность всего генома человека. В 2001 году проект “геном человека” был опубликован в ‘черновике’, который включал последовательности 90% всех трех миллиардов пар оснований.
После этого ученые проводили второй этап проекта – завершающий этап. В течение этого времени, исследователи заполнили пробелы и устранили особенности ДНК в неоднозначных местах, пока они не завершили 99% описания ДНК в окончательной форме. Длина молекулы ДНК составляет 340 нанометров.
Эта окончательная форма содержит 2,85 миллиарда нуклеотидов, с прогнозируемыми темпами погрешность всего в 1 случае из 100 000 виртуализированных баз. Неоднозначности включают относительно небольшое количество белок-кодирующих генов (между 20 000 и 25 000) и там были похожие структуры с теми же функциями, представленные в разных видах.
Если учесть, что меньше чем за 200 лет назад, первооткрыватели, такие как Чарльз Дарвин только начинают подозревать, что характеристики могут передаваться по наследству, это же уму непостижимо, что ученым удалось найти методы .
Принципы наследственности были обозначены впервые в 1900-х годах, когда естественные получили развитие и ввели в обиход (с полным определением) понятия геном человека и ген, в частности. Их исследование дало возможность ученым открыть секрет наследственности, и стало толчком для изучения наследственных болезней и их природы.
Вконтакте
Геном человека: общие понятия
Чтобы разобраться, что такое гены и процессы наследования организмом определенных свойств и качеств, следует знать и понимать термины и основные положения. Краткое изложение основных понятий даст возможность более глубоко вникнуть в данную тему.
Гены человека – это части цепи (дезоксирибонуклеиновая кислота в виде макромолекул), которая задает последовательность определенных полипептидов (семейства аминокислот) и несет основную наследственную информацию от родителей к детям.
Говоря простым языком, определенный ген содержит информацию о строении белка и несет ее от родительского организма к детскому, повторяя строение полипептидов и передавая наследственность.
Геном человека – это обобщающее понятие, обозначающее некоторое количество определённых генов. Впервые его ввел Ганс Винклер в 1920-м, однако спустя время несколько изменилось его изначальное значение.
Вначале он обозначал определенное количество хромосом (непарных и одинарных), а спустя время выяснилось, что в геноме 23 парных хромосомы и митохондриальная дезоксирибонуклеиновая кислота.
Генетическая информация – это данные которые заключены в ДНК, и несущие порядок построения белков в виде кода из нуклеотидов. Стоит также упомянуть, что подобная информация находится внутри и вне границ .
Гены человека исследовались на протяжении многих лет, за которые было претворено в жизнь множество экспериментов
. До сих пор проводятся опыты, которые дают ученым новую информацию.
Благодаря последним исследованиям стало ясно, что не всегда четкая и последовательная структура наблюдается в дезоксирибонуклеиновых кислотах.
Существуют так называемые прерывистые гены, связи которых прерываются, что делает неверными все предыдущее теории о постоянстве этих частиц. В них время от времени происходят изменения, которые влекут за собой изменения и в структуре дезоксирибонуклеиновых кислот.
История открытия
Впервые научный термин был обозначен только в 1909 году ученым Вильгельмом Иогансеном, который был выдающимся ботаником в Дании.
Важно! В 1912 году появилось слово «генетика», которое стало названием целого отдела . Именно он занимается изучением генов человека.
Исследование частицы началось задолго до 20 века (данных в каком точно году нет), и складывалось из нескольких этапов:
- В 1868 году известный ученый Дарвин выдвинул гипотезу о пангенезе. В ней он описывал отделение геммулы. Дарвин считал, что геммула – это определенная часть клетки, из которой затем образовываются половые клетки.
- Через несколько лет Гуго де Фриз сформировал свою собственную теорию, отличную от дарвиновской, в которой описал процесс пангенеза внутри клеток. Он считал, что в каждой клетке есть частица, и она ответственна за некоторые свойства наследования вида. Он обозначил эти частицы как «пангены». Отличия двух гипотез заключается в том, что Дарвин считал геммулы частями тканей и внутренних органов, независимо от вида животного, а де Фриз представлял свои пангены как признаки наследования внутри конкретного вида.
- В. Иогансен в 1900 году определил наследственный фактор как ген, взяв вторую часть от термина, использованного де Фризом. Он использовал слово для определения «зачатка», той частицы, которая является наследственной. При этом ученый подчеркивал независимость термина от ранее выдвинутых теорий.
Изучением наследственного фактора уже достаточно давно занимались биологи и зоологи, но только с начала 20-го века генетика начала развиваться с огромной скоростью, открывая для людей тайны наследования.
Расшифровка генома человека
С того момента, как ученые открыли наличие в организме человека гена, они стали исследовать вопрос информации, заключенной в нем. Уже более 80 лет ученые пытаются расшифровать ее. На сегодняшний день они добились в этом значительных успехов, что дало возможность влиять на наследственные процессы и менять структуру клеток у следующего поколения.
История расшифровки ДНК состоит из нескольких определяющих моментов:
- 19 век – начало изучения нуклеиновых кислот.
- 1868 год – Ф. Мишер впервые выделяет из клеток нуклеин или ДНК.
- В середине 20 века О. Эвери и Ф. Гриффит выясняют при помощи опыта, проведенного на мышах, что за процесс трансформации бактерий отвечает именно нуклеиновая кислота.
- Первый человеком, кто показал миру ДНК стал Р. Франклин. Спустя несколько лет после открытия нуклеиновой кислоты он делает фотографию ДНК, случайным образом используя рентген при исследовании структуры кристаллов.
- В 1953 году дано точное определение принципу воспроизводства жизни у всех видов.
Внимание ! С того времени, как впервые общественности предоставили двойную спираль ДНК, произошло множество открытий, давших возможность понять природу ДНК и механизмы ее работы.
Человеком, который открыл ген
, принято считать Грегора Менделя, впервые обнаружившего определенные закономерности в наследственной цепи.
А вот расшифровка ДНК человека произошла на основе открытия другого ученого – Фредерика Сенгера, который разработал методы чтения последовательностей белковых аминокислот и последовательность построения самой ДНК.
Благодаря работе множества ученых за три последних века были выяснены процессы формирования, особенности, и сколько генов находится в геноме человека.
В 1990 году начался международный проект «Геном человека», которым руководил Джеймс Уотсон. Его целью было выяснить, в какой последовательности выстраиваются нуклеотиды в ДНК, и выявить около 25 000 генов в человеке. Благодаря этому проекту человек должен был получить полное представление о формировании ДНК и расположению всех его составляющих частей, а также механизм построения гена.
Стоит уточнить, что программа не ставила своей задачей определить всю последовательность нуклеиновой кислоты в клетках, а лишь только некоторых областей. Началась она в 1990 году, но только в 2000 был выпущен черновик работы, а полное исследование завершено — в 2003 году . Исследование последовательности длиться до сих пор и 8% гетерохроматиновых областей все еще не определены.
Цели и задачи
Как любой научный проект, «Геном человека» ставил перед собой конкретные цели и задачи. Изначально ученые собирались выявить последовательности 3 млрд нуклеотидов и более. Затем отдельные группы исследователей выразили желание попутно определить также последовательность биополимеров, которая бывает аминокислотной или нуклеотидной. В итоге главные цели проекта выглядели следующим образом:
- Создать карту генома;
- Создать карту человеческих хромосом;
- Выявить последовательность формирования полипептидов;
- Сформировать методологию хранения и анализа собранной информации;
- Создать технологию, которая поможет в достижении всех указанных выше целей.
Данный список задач упускает не менее важную, но не такую очевидную – это изучение этических, правовых и социальных последствий подобных исследований. Вопрос наследственности может вызывать разногласия среди людей и повлечь серьезные конфликты, поэтому ученые поставили за цель обнаружить решения этих конфликтов до их возникновения.
Достижения
Наследственные последовательности – это уникальное явление
, которое наблюдается в организме каждого человека в той или иной форме.
Проект достиг всех поставленных задач раньше, чем исследователи предполагали. К концу проекта они расшифровали около 99,99 % ДНК, хотя ученые ставили перед собой задачу секвенировать только 95% данных. Сегодня, несмотря на успех проекта, остаются все еще неисследованные участки дезоксирибонуклеиновых кислот.
В итоге исследовательской работы было определено сколько генов в организме человека (около 20-25 тыс. генов в геноме), и все они охарактеризованы:
- количество;
- расположение;
- структурно-функциональные особенности.
Геном человека — исследования, расшифровка
Расшифровка человеческого генома
Вывод
Все данные будут подробно изложены в генетической карте человеческого организма. Претворение в жизнь такого сложного научного проекта дало не только колоссальные теоретические знания для фундаментальных наук, но и оказало невероятное влияние на само понимание наследственности. Это в свою очередь, не могло не отразиться на процессах предупреждения и лечения наследственных болезней.
Данные, полученные учеными, помогли ускорить другие молекулярные исследования и способствовать эффективному поиску генетической основы в заболеваниях, передающихся по наследству, и предрасположенности к ним. Результаты смогут повлиять на обнаружение соответствующих лекарств для профилактики множества заболеваний: атеросклероза, сердечной ишемии, болезней психического и онкологического характера.
Исследования генома человека в той или иной степени занимается ученые всех развитых стран.
Первое место среди них, несомненно, принадлежит США (около 50% публикаций в этой области – работы американских авторов). Затем с большим отставанием следуют Великобритания, Франция и другие страны.
В нашей стране программа "Геном человека" получила статус Государственной научно-технической программы в 1988 году. Было даже Постановление Совета Министров СССР "О мерах по ускорению работ в области генома человека" №1060 от 31 августа 1988 года.
С 1992 года она стала Российской государственной программой. Государственное финансирование программы "Геном человека" при этом в России минимально.
В США из 70 млрд. долларов, отпускаемых на науку в год, 240 млн. уходит на изучение генома человека. В России в 1994 году было отпущено на изучение генома менее 1 млрд. рублей – в 800 раз меньше. Но, тем не менее, программа работает, главным образом, на энтузиазме тех исследователей, которые в ней участвуют.
Геном – это совокупность генов; считают, что у человека их 50 – 100 тыс. (точное число неизвестно). Наследственная информация, как и любая другая, имеет свой способ записи, хранения и реализации. Природа создала необычный для человеческой техники способ записи – химический. «Алфавит» наследственности состоит из четырех химических "букв" – нуклеотидов, обозначаемых в записях экспериментаторов символами A,T,GиC.
Физически наследственная запись представлена молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), образованными упомянутыми четырьмя нуклеотидами.
Каждая половая клетка человека содержит 23 молекулы ДНК, общая длина которых 1,5 м. Эти тонкие и длинные по сравнению с размерами клетки нити, упакованные очень плотно, содержат 3 млрд. "нуклеотидных букв".
Задача программы состоит в том, чтобы прочесть генетический текст, т. е. аналитически установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК (секвенирование) и затем определить местоположение генов в этом тексте (картирование). Параллельно ставится и другая, не менее трудная задача: установить, какую роль играют в организме все 100000 генов – пока мы знаем функцию примерно 5000.
Физический объем предстоящей работы очень велик. Сейчас секвенирование вручную и с помощью автоматов недостаточно производительно, и для 3 млрд. нуклеотидов потребуется разработать совершенно новые аналитические методы. Генетические тексты будут иметь такой вид: … ATGCAGAGGTCGCCTCTG…
В данном случае – это фрагмент гена наследственного заболевания – муковисцидоза.
Длина записи всего генома составит примерно 6000 км. Разумеется, для регистрации результатов и их обработки понадобится мощные компьютеры и специальные методы информатики. Программа рассчитана на 15 лет, и ее выполнение пройдет в несколько этапов.
Что будет получено в результате секвенирования генома человека на первом этапе? Длинная последовательность химических символов. Ее можно рассматривать только как модель генома человека, не принадлежащими ни одному индивидуальному человеческому существу прошлого, настоящего или будущего. "Деиндивидуализация" модели обусловлена тем способом секвенирования, который сложился сейчас в мировом сообществе исследователей. Материал для анализа получают не от одного человека, а от многих, анализ проводят различные исследователи, неизбежны аналитические ошибки. Поэтому последовательность нуклеотидов может быть определена моделью генома человека как вида Homosapiens.
Для характеристики конкретного человека (Homoindividualis) будет создан специальный метод. И затем познание генома, обогащенное функциональными знаниями позволит подойти к человеку, как он есть, со всеми его индивидуальными биологическими качествами в условиях его социального окружения (Homocivilis). Тем самым, можно будет получить его «генетический портрет».
Только на последнем этапе научные данные о геноме человека приобретут законченность, и появится возможность влиять на его социальный статус и личную судьбу. И тогда возникнет широкий выбор ситуаций. Нужно заметить, что программа претендует на более глубокое проникновенное знание природы человека, чем было возможно прежде. Это знание будет обладать предсказательной силой, способной охарактеризовать личность всесторонним образом. Вероятно, на первых порах «генетический портрет» будет состоять из немногих доступных генетических характеристик, но постепенно станет пополняться всё новыми деталями.
Нельзя не отметить, что у истоков проекта «Геном человека» стоял Джеймс Уотсон. Ему и Френсису Крику - оба они лауреаты Нобелевской премии – человечество уже обязано одним великим открытием: именно они раскрыли тайну двойной спирали, то есть установили форму молекулы ДНК. По словам Устсона, «никто из тех немногих, кто удостоился чести весной 1953 года первым увидеть двойную спираль, не мог вообразить, что мы доживем до того времени, когда она будет полностью расшифрована».
Если учесть, что сама генетическая азбука насчитывает всего четыре буквы, а их общее число в каждой молекуле ДНК составляет примерно 3,5 миллиарда, возникает вопрос: возможно ли рассчитать последовательную связь трех с половиной миллиардов первичных элементов ДНК?
Оказывается, возможно. Участники двух конкурировавших при решении этой проблемы групп – международного проекта «Геном человека», который возглавляет Френсис Коллинз, и частной американской компании «Селера джиномикс» Крэга Вентера - практически удалось с ней справиться.
Проект по сути завершен на три года раньше срока, - отмечает Джеймс Уотсон. То, что удалось совершить ученым, открывает перед человечеством поистине фантастические перспективы. Вполне реальной начинает представляться, в частности, возможность предотвращения болезней еще до их проявления и создания индивидуальных лекарств для каждого конкретного пациента на основе его «генетической карты».
На завершение нынешней генетической революции уйдет еще как минимум столетие, считают специалисты. Только для уточнения полученных результатов и ликвидации оставшихся «пробелов» потребуется около двух лет. А некоторые из ученых полагают, что, опираясь на нынешние технологии, эти «пробелы» вообще не удастся закрыть. Сейчас выявлено примерно 50 тысяч генов и считается, что предстоит обнаружить еще несколько тысяч. Однако, вслед за этим придется решать еще одну задачу, связанную с объяснением молекулярных основ жизни, - идентифицировать, охарактеризовать и понять значение многих тысяч белков, за выработку которых эти гены отвечают. Она не менее, а может быть, даже более сложна и масштабна, чем предыдущая.
В принципе, к решению этой задачи ученые приступили еще до того, как завершили составление «генетической карты» человека. Проблема эта, именуемая «протеомикой», заключается в каталогизации и анализе каждого белка, из которых состоит наш организм.
Хотя белки являются прямым результатом выполнения команд, закодированных в ДНК, они много разнообразнее ее молекул. В принципе, так и должно быть. Ведь каждая важная для жизни химическая реакция так или иначе зависит от белков. Удивительно, но то, что они делают, в значительной степени определяется их формой. Белки покрыты «карманами» и «выемками», в которые молекулы входят столь же точно и плотно, как ключ - в замок.
Чтобы полностью понять, как работает белок, надо знать каждый «уголок» на его поверхности. Вот почему Национальный институт общих медицинских наук (НИОМН США) затратит в ближайшее время 20 миллионов долларов на создание цепи исследовательских центров, которые будут заниматься той отраслью протеомики, которая получила название «структурная геномика». В последующее десятилетие эти центры займутся детализацией формы 10 тысяч белков. Это только малая часть всех белков, встречающихся в природе, но ученые НИОМН считают, что как раз эти десять тысяч охватывают основную часть структур, представляющих интерес для биологии и медицины.
Почему бы не изучить все белки? Может, когда-нибудь и изучат. Но их слишком много - от 50 тысяч до 2 миллионов, в зависимости от того, по какой методике вести подсчет. НИОМН надеется установить набор форм, именуемых весьма прозаично – «бочонки», «бублики», «сферы», молекулярные «застежки-молнии», которые при смешивании будут определять форму любого продукта генов. Около тысячи таких структур и кодирующих их генов уже внесены в каталог.
Причем, по словам ученых, структуры, на расшифровку которых два десятилетия назад нескольким исследователям потребовалось бы 10 лет, сейчас могут быть расшифрованы в течение всего нескольких недель. «К концу пятилетней экспериментальной фазы, - предсказывает Джон Норвел, директор программы НИОМН, - каждый из центров будет выдавать от 100 до 200 структур белков в год».
Ученым предстоит установить также, какие конкретные изменения и на каких конкретных участках ДНК определяют предрасположенность человека к тем или иным болезням. Эти вариации ничтожны и могут сводиться к перестановке всего нескольких «букв», но тем сложнее задача.
На нынешнем рубеже (2000 г.) завершилась хотя и важная, но только одна часть проекта «Геном человека». Однако, американцы уже относятся к нему весьма настороженно. Согласно опросу, проведенному авторитетным американским еженедельником «Тайм» и телекомпанией Си-эн-эн, 46 % респондентов считают, что результаты проекта скорее причинят вред; в том же, что они принесут пользу, убеждены на 6 % меньше. По мнению 41 % опрошенных, даже само создание технологии расшифровки генома неверно с моральной точки зрения. Однако 47 % ответивших придерживаются противоположной позиции.
Как показывают итоги исследования, американцев весьма тревожит и то, как будет использоваться генетическая информация; их совершенно не устраивает перспектива свободного распространения этих сведений. В частности, 84 % не желают, чтобы информация об их генетическом коде попала в руки правительства; не возражают против этого только 14 %. Кроме того, 75 % опрошенных выступают против предоставления такой информации компаниям, обеспечивающим их медицинскую страховку; 22 % не высказали возражений по этому поводу.
Интересно, что только 61 % участников опроса заявил, что хотели бы знать, к каким болезням они предрасположены, исходя из информации, содержащейся в их ДНК, а 35 % ответили отрицательно. По мнению 67 % американцев, генетической информацией о них должен располагать их врач, но 30 % не согласны и на это.
Это свидетельствует о том, что человечество находится на пороге возникновения новых нравственных постулатов: генетической этики, генетического права, генетической безопасности.
И еще один аспект. Расшифровка «генной карты» человека открывает более чем многообещающие перспективы для компаний, работающих в области фармацевтики и генной инженерии. Здесь может пролиться форменный «золотой дождь». Понимая это, участвующая в «генной гонке» компания «Селера джиномикс» намерена запатентовать полученные в ходе работ результаты. Вместе с тем, как отметил Джеймс Уотсон, характеризуя качество выполненных исследований, события последнего времени показали, что те, кто работает на общественное благо, вовсе не обязательно остаются позади тех, кто преследует личную выгоду.
В общем хоре восторженных откликов и оценок прозвучали и голоса ученых, напоминающих, что человек только подступает к «Книге жизни», как иногда называют молекулу ДНК. Умение разбирать буквы, складывать слоги и составлять самые простые слова - это только «азы», самое начало образования, а «библиотеки» новых знаний еще только ждут своих исследователей. Одна из главных задач в этой области создание «гененического портрета» человека.
Этот «портрет» может содержать указание на возможные болезни или предрасположенность к ним, на мутантные гены, грозящие наследственными нарушениями у потомства, предрасположенность к наркомании, психопатии. Кроме того, он может содержать данные, касающиеся поведения, эмоций, склонностей, интеллектуальных способностей личности и т. п.
В России можно отметить успехи в работе по функциональному картированию одной из хромосом человека – 19-й хромосомы. Создана «клонотека» фрагментов ДНК этой хромосомы, специфически взаимодействующих с так называемым «ядерным матриксом». Десять таких нуклеотидных последовательностей картированы на хромосоме.
Продвинулось изучение ДНК эндогенных проретровирусов человека, расположенных в 110 участках хромосомы 19. Определена структура 200 участков ДНК из уже существующей «клонотеки» фрагментов ДНК этой хромосомы. Общее число расшифрованных участков ДНК для этой хромосомы превысило 500.
Весьма успешно ведутся исследования по структурно-функциональному картированию хромосом 3 и 13. Получен ряд оригинальных и важных результатов.
В институте молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН продолжается разработка нового автоматизированного метода секвенирования (определения последовательности расположения нуклеотидов в ДНК) с использованием так называемых «микроматриц» (микрочипов). Этот метод должен существенно удешевить, упростить и ускорить процедуру секвенирования, но кроме того можно рассчитывать на его успешное использование в молекулярной диагностике, что очень важно для биологов и медицинских генетиков.
В рамках программы "Геном человека" совместно с английскими и американскими исследователями проведена работа по идентификации костных останков членов царской семьи Романовых. Метод геномной дактилоскопии оказался весьма плодотворным в этом очень сложном случае.
Разработан ряд оригинальных компьютерных программ для анализа генома, которые получили международное признание. Установлен прямой доступ к международным «банкам данных» по структурной информации, которые обновляются раз в неделю. Появилась возможность сопоставлять данные разных «банков» (EMBL,GenBank), что позволяет иметь наиболее полную информацию в этой бурно развивающейся области.
Установлен также доступ к «банкам данных» об отдельных хромосомах человека, а также к «банкам», собирающим структуры белков.
Продолжается идентификация и картирование "больных" генов, разрабатываются и внедряются в медицинскую практику оригинальные модификации методов ДНК – диагностики (генодиагностики). В медико-генетических центрах Москвы, Ст–Петербурга, Томска в настоящее время диагностируется около 30 наследственных болезней человека; например, можно назвать серповидноклеточную анемию, фенилкетонурию, миодистрофию Дюшенна и Беккера и др.
Продолжается расширение международной кооперации. Идут интенсивные и весьма продуктивные совместные исследования с Аргонской национальной лабораторией (США), Каролинским институтом (Швеция), Имперским фондом раковых исследований (Англия) и некоторыми другими.
22 сентября 1995 года состоялось расширенное заседание Научного совета Государственной научно-технической программы Российской Федерации "Геном человека", на котором выступил с докладом председатель Научного совета член – корр. РАН Л.Л. Киселев. В докладе "Стратегия ГНТП РФ "Геном человека" на 1996 – 2000 годы Л.Л. Киселев отметил, что наступило время столь радикальных изменений, что в какой-то мере можно говорить о новой программе. Она должна учитывать прежде всего разделение труда в области изучения генома человека между ведущими странами мира, тенденции мировой науки, а также национальные традиции России и нынешний уровень отечественных исследований.
Программа должна быть реалистичной, оригинальной, сбалансированной, масштабной, координированной, интегрированной, консервативной и динамичной при кажущейся противоречивости некоторых из этих требований.
На данном этапе можно выделить три основных направления исследования:
расшифровка структуры генома человека в целом и функциональной роли его отдельных элементов;
компьютерный анализ результатов структурных исследований;
генопатология, генодиагностика и генотерапия (идентификация "больных" генов).
В каждом из этих направлений разрабатываются новые методы исследования, включающие секвенирование, физическое картирование генов, получения «клонотек» и банков данных, программное обеспечения анализа генома.
При проведении структурно-функционального анализа важно определять приоритеты, вести жесткий отбор анализируемых генов. Основные задачи исследования по этому направлению: транскрипция генов и её регуляция; структурно-функциональная организация индивидуальных генов особенно важных практически и теоретически.
Геноинформатика – это создание «банков данных» и анализ информации. Основные требования здесь – усовершенствование структуры «банков» и доступа к ним, исправление ошибок, удаление повторов, ускорение анализа больших массивов информации, модернизация парка вычислительной техники.
В области медицинской генетики новые методы должны иметь очевидные преимущества по сравнению с уже существующими. Они должны концентрироваться на наиболее распространенных наследственных и онкологических заболеваниях, быть абсолютно надежными и достаточно удобными для широкого практического использования, экономичными и быстродействующими.
Конечная цель изучения "больных" генов – исправление генетических дефектов путем генотерапии. Это направление бурно развивается в мире, но, к сожалению, крайне медленно в России.
Важно привлечь гораздо больше внимания к биотическим и правовым аспектам изучения генома, к проблемам патентования информации о геноме человека и структуре ДНК и популяризации значения изучения генома человека для всего общества.
Изучением генома человека, как было сказано, занимаются во всех развитых странах. Формально научная кооперация в этой области отсутствует, несмотря на участие HUGO(HumanGenomeOrganization– организация "Геном человека") и ЮНЕСКО. Дело в том, что в этой области с каждым днем усиливается жёсткая конкуренция, связанная с научными амбициями исследовательских групп, особенно тех, кто занят «охотой» за генами наследственных болезней.
Возможности здесь день ото дня растут, а результаты лабораторных исследований становятся всё более реальными для коммерческого исследования. Однако, в тоже время неизбежно возникает и кооперация. Формы сотрудничества различны: совместные публикации, участие в конференциях, обмен визитами, организация совместных групп ученых из разных стран, создание «клонотек», доступных для общего пользования.
Кооперации способствует то обстоятельство, что большинство задач в этой области на самом деле не может быть решено усилиями одного или нескольких ученых – необходим большой коллектив.
Например, в недавнем открытии генов BRCA1 иBRCA2 (рак грудной железы и яичников) участвовало соответственно 45 и 32 человека. Авторами одной из публикаций были 108 ученых из разных институтов девяти стран. В международном сообществе достойное место занимают и работы российских ученных, осуществляющих программу "Геном человека".
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА
Сенсационное научное достижение - расшифровку генома человека - по значимости сравнивают с расщеплением атома или раскрытием строения молекулы ДНК. Одно ясно: это открытие подняло науку на принципиально новый уровень познания.
Может быть, впервые в современной науке сложилась необычная ситуация. В работу над исключительно дорогостоящим и важным проектом включились, с одной стороны, индивидуальные исследователи, нашедшие себе мощных спонсоров, с другой стороны, учреждения и университеты, финансируемые правительствами нескольких стран. Первоначально в 1988 году средства на изучение генома человека выделило Министерство энергетики США. Одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор. В 1990 году Джеймс Уотсон в результате лоббирования конгресса США - добился вскоре выделения сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. То была весомая добавка к бюджету Министерства здравоохранения. Оттуда деньги направлялись в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием - Национальные институты здоровья (МН). В составе МН появился новый институт - Национальный институт исследования генома человека, директором которого стал Фрэнсис Коллинз.
В мае 1992 года ведущий сотрудник МН Крэйг Вентер подал заявление об уходе. Он объявил о создании нового, частного исследовательского учреждения - Института геномных исследований, сокращенно ТИГР. Ученому удалось удивительно быстро развить и вырастить свое детище. Уже первоначальный капитал института составил семьдесят миллионов долларов, пожертвованных спонсорами. ТИГР объявили неприбыльным частным институтом, не использующим свои результаты для обогащения или торговли. Практически одновременно образовали компанию «Науки о геноме человека», которая должна была продвигать на рынок данные, получаемые сотрудниками ТИГРа.
В июне 1997 года Вентер начал новые преобразования. Он вывел ТИГР из связки с «Наукой» и в 1998 году организовал в Роквилле (штат Мэриленд) свою собственную коммерческую компанию, которую назвал «Силера джиномикс». Вентер стал ее президентом, оставшись главным научным руководителем ТИГРа. Последний возглавила его жена Клэйр Фрэйзер.
Как пишет В.Н. Сойфер, «Вентер оказался исключительно умельи руководителем. Он договорился с одной из крупных компаний m производству научного оборудования, что та предоставит в прокат ТИП 18–20 автоматических секвенаторов-роботов, которые в первый же год работы позволят довести размер секвенируемых последовательностей дс 60 миллионов оснований (одной пятой всего генома человека; такой же был важен и для компании - лучшей рекламы своей продукции представить трудно). Позже Вентер заключил аналогичный контракт поставке институту огромных систем усовершенствованных роботов для секвенирования протяженных кусков ДНК». В распоряжении Вентера оказался огромный парк компьютеров, который считают вторым по мощности в мире. Триста суперкомпьютеров стоимостью около 80 миллионов долларов круглосуточно обрабатывают огромные объемы данных.
В итоге работы по Проекту человеческого генотипа набрали небывалую скорость. Первоначально получить полную версию генотипа I обещали к 2010 году, потом предполагалось завершить работу в 2003 году. Результата удалось добиться уже в 2001-м!
Открывая независимый центр - Институт исследования генотипа, Вентер пообещал первым расшифровать человеческий генотип.
К 2001 году удалось получить последовательность двух миллиардов знаков генотипа. Причем на установление последовательности первого миллиарда ушло четыре года, а на второй миллиард - меньше четырех месяцев. Ускорение - результат применения высоких технологий, например роботов.
Команда Вентера использует метод, называемый пулеметная последовательность. Взрывным способом весь генотип разделяется на семьдесят миллионов фрагментов. Далее машиной выстраивается последовательность, а порядок генотипа обрабатывается суперкомпьютером, управляемым процессором мощностью в 1,3 триллиона операций в секунду.
Вентер доказал эффективность пулеметной последовательности, когда «Силера джиномикс» воспроизвела последовательность генотипа микроба ответственного за такие серьезные инфекции, как менингит, а также закончила расшифровку генотипа фруктовой мухи (120 миллионов знаков).
В 2001 году Международный консорциум, в который вошли помимо ведущего участника этого проекта - биотехнологической компании «Силера джиномикс», 16 организаций из Великобритании, США, Франции, Германии, Японии и Китая, обнародовали результаты колоссальной работы. Ученые определили, что генетическую программу молекулы ДНК составляют 3,2 миллиарда бесконечно повторяющихся четырех пар азотистых оснований аденина, тимина, цитозина и гуанина.
Самой большой неожиданностью стал тот факт, что количество генов в наследственной программе человека оказалось не 80-100 тысяч, как ожидалось, а лишь 30–40 тысяч.
Если сравнить с количеством генов дождевого червя (18 000) или плодовой мушки (13 000), то разница окажется не слишком велика! При этом у разных живых организмов выявлены сходные гены, что только подтверждает теорию молекулярной эвононии.
«Если кто-то думал, что основное отличие между биологическими видами определяется именно количеством генов, то он, скорее всего, ошибался», - подводит итог профессор Эрик Ландер, руководитель научных исследований по геному человека в Массачусетском технологическом институте США. А Вентер не без сарказма добавляет: «Всего нескольких сотен генов, которые есть в геноме человека, нет в геноме мыши». Таким образом, первоначальные представления о том, что человек является с биологической точки зрения сложнейшей структурой, ученые подтвердить не смогли.
«Работа человеческих генов, говорят они, оказалась намного сложнее, чем они предполагали, - пишет в журнале „Эхо планеты“ Елена Слепчук. - У нас за один и тот же признак, за одну и ту же болезнь отвечают не один, а несколько или даже группа генов. Впрочем, об этом генетики догадывались и раньше. Возможно, таким образом гены страхуют друг друга, а заодно и приобретают более широкое поле деятельности. Работу генов можно сравнить с действиями кукловодов, ведущих целый спектакль, виртуозно руководя послушными куклами и вводя по ходу действия все новые персонажи. Представим, что вместо ниточек идут генные команды на производство тех или иных пептидов, из которых впоследствии строится тело живого организма. По мнению молекулярных биологов, еще одна особенность человеческих генов состоит в том, что природа придала нам большее число так называемых генов-контролеров, которые следят за работой своих „собратьев“. Действительно, зачем без конца увеличивать штат работников, если поставленной цели можно достичь путем толкового менеджмента? Вот где пример для подражания нашим управленцам. Кстати, ученые Кембриджского университета уже запланировали специальное исследование, надеясь разобраться, каким образом такая сложная структура - человек - спокойно управляется столь небольшим количеством генов.
А вот чем мы кардинально отличаемся от всего живого мира, так это удивительным многообразием своих белков. Сколько их, не знает никто. Генетики полагают, что отдельные белковые компоненты могут смешиваться между собой, образуя различные сочетания, подобно тому, как смешения семи основных цветов создают мириады различных красок.
Биология вершится не на уровне генов, а на уровне белков, признают они. Из этого следует еще один важный вывод: не все в нашей жизни определяется генами, от окружения тоже многое зависит».
Другим сюрпризом, поставившим биологическую науку в тупик, стало наличие так называемой «молчащей» ДНК. И раньше было известно, что вдоль цепи ДНК есть участки, которые не выдают никакой информации для производства белков Генетики называли их «генетическим мусором». И вот оказалось, что такие участки занимают 95 процентов всей ДНК. Одни биологи выдвигают гипотезу, что именно в них скрыта эволюционная информация. Другие полагают, что на эти участки возложена важная роль управления генами.
Вентер считает, что расшифровка генома человека поможет лучше понять истинные причины многих заболеваний. Это открытие позволит в недалеком будущем устранять наследственные недуги, а также создавать новые лекарства. Новые средства лечения смогут «чинить» или заменять «плохие гены». При подобном индивидуальном подходе к каждому человеку удастся продлевать человеческую жизнь.
А вот мнение профессора Дэвида Альтшулера из Уайтхедского института биомедицинских исследований: «Нет двух одинаковых болезней и двух одинановых пациентов. Примерно половину этих различий можно объяснить именно особенностями генетического кода. И если мы поймем, что за информация в нем содержится, то сможем сравнить гены наших пациентов с генами идеального, „чистого“ гомо сапиенс и искать пути к лечению, что значительно повысит эффективность работы врача».
«Более скептически в этом отношении настроен Джон Сальстон из Кембриджа, - пишет в том же журнале Борис Зайцев, - считающий, что с определенными генами связано относительно немного заболеваний Подавляющее же их большинство, в том числе таких „главных убийц“, как сердечные, возникает при участии многих генов и белков, с одной стороны, и под влиянием окружающей среды - с другой. Из этого следует, что перспектива создания нового поколения лекарств, способных лечить болезни на генетическом уровне, отодвигается, считает ученый. Пока созданы препараты, воздействующие на 483 „биологические цели“ в организме. Необходимо значительно глубже проникнуть в основы жизни - понять, каким образом взаимодействуют гены для выработки почти 300 тысяч белков. Это, по прогнозам, потребует значительно больше времени, чем расшифровка самого генома…
…Наряду с блестящими возможностями, которые открывает новое достижение ученых, генетический прорыв может иметь серьезные правовые, этические и социальные последствия. Генетический тест, если его проводить, покажет все заболевания, к которым предрасположен человек. Не отразится ли это на отношениях больной - врач, если болезней все равно не избежать? А если такие данные попадут к страховым компаниям, не воспользуются ли они ими для „отлучения“ потенциальных больных от финансовой помощи? И получат ли работу люди, не имеющие „чистых“ генов? Тесты на эмбрионах могут привести к принудительным абортам у женщин, чей плод оказался с „плохими“ генами. Нельзя исключать и жестких попыток вообще запретить иметь потомство людям с генетическими аномалиями. Появление же у них детей сразу может поставить младенцев в разряд „генетических изгоев“».
Профессор генетики Дэвид Альтшулер категоричен: «Уже сейчас мы должны начать переговоры с правительствами и законодателями о принятии закона, защищающего граждан от „генной дискриминации“».
Международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать гены в человеческом геноме. Расшифровка генома человека – событие столь же важное в истории человечества, как открытие электричества, изобретение радио или создание компьютеров.
В 1988 году Национальный институт здоровья США начал проект «Геном человека» , возглавил который один из открывателей структуры ДНК нобелевский лауреат Джеймс Уотсон (рис. 10) . Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е. полностью картировать все гены человека.
Планировалось, что работа по определению нуклеотидной последовательности ДНК человека (секвенирование ДНК ) должна окончиться в 2005-м году . Однако после первого года работы стало ясно, что скорости секвенирования ДНК очень низкие и для полного завершения работы такими темпами потребуется около 100 лет . Стало очевидно, что необходим поиск новых технологий секвенирования, создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. Это было невыполнимо в рамках отдельно взятого государства , и к программе подключились другие страны. Широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации Human Genom Organisation (HUGO). С 1989 г. в проект включилась и Россия. Все хромосомы человека были поделены между странами-участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы . В проекте оказались задействованы несколько тысяч ученых из 20 стран .
В 1996 году были созданы всемирные банки данных по ДНК человека. Любая вновь определенная последовательность нуклеотидов размером более 1 тыс. оснований должна была быть обнародована через Интернет в течение суток после ее расшифровки, в противном случае статьи с этими данными в научные журналы не принимались. Любой специалист в мире мог воспользоваться этой информацией.
К началу 1998 г. было секвенировано всего около 3% генома . В это время к работе неожиданно подключилась частная американская компания «Celera Genomics» под руководством Крега Вентера , которая объявила, что закончит свою работу на 4 года раньше международного консорциума ($300-миллионный проект).
Началась беспримерная в науке гонка. Два коллектива работали независимо, не жалея сил, чтобы придти к финишу первыми. В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти методы анализа сейчас используются в медицине, криминалистике и т.д.
В июне 2000 года два конкурирующих коллектива объединили свои данные, официально объявив о завершении работ.
А в феврале 2001 года появились научные публикации чернового варианта структуры генома человека. Качество секвенирования достаточно высокое и предполагает всего 1 ошибку на 50 тыс.п.н .
В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен.
Согласно имеющимся данным, фирма Celera в основном ориентировалась на геном 1 человека, о котором известно лишь, что это белый мужчина среднего возраста. Скорее всего, это был сам глава корпорации Крег Вентер.
Международный консорциум использовал в своей работе материал не менее 7 людей различных рас .
Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах. Такие как, бактерии Escherichia coli, насекомые (дрозофила), и млекопитающие (мышь). Геном любого отдельно взятого организма (исключая однояйцовых близнецов и клонированных животных) уникален, поэтому определение последовательности человеческого генома в принципе должно включать в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена.
Почти все цели, которые ставил перед собой проект, были достигнуты быстрее, чем предполагалось. Проект по расшифровке генома человека был закончен на два года раньше, чем планировалось. Проект поставил разумную, достижимую цель секвенирования 95 % ДНК. Исследователи не только достигли её, но и превзошли собственные предсказания, и смогли секвенировать 99,99 % человеческой ДНК .
Геном был разбит на небольшие участки, примерно по 150 000 пар нуклеотидов в длину. Эти куски затем встраивали в вектор, известный как Искусственная бактериальная хромосома (англ.) или BAC. Эти векторы созданы из бактериальных хромосом, измененных методами генной инженерии. Векторы, содержащие гены, затем можно вставлять в бактерии, где они копируются бактериальными механизмами репликации. Каждый из кусочков генома потом секвенировали раздельно методом «фрагментирования », и затем все полученные последовательности собирали воедино уже в виде компьютерного текста. Размеры полученных больших кусков ДНК, собираемых для воссоздания структуры целой хромосомы, составляли около 150 000 пар нуклеотидов.
«Celera» было более быстрое и дешёвое секвенирование человеческого генома, чем в $3-миллиардном государственном проекте. «Геном человека» вошел в историю как один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов. В целом на моент окончания проекта на проект было потрачено в сумме более 6 миллиардов долларов.
«Celera» использовала более рискованную разновидность метода фрагментации генома, которую использовали ранее для секвенирования бактериальных геномов размером до шести миллионов пар нуклеотидов в длину, но никогда для чего-либо столь большого, как человеческий геном, состоящий из трёх миллиардов пар нуклеотидов.
Рис. 6.10. Джеймс Уотсон,один из группы ученых, открывших спираль ДНК, - основатель Международной программы по изучению генома человека
6.3.2. Результаты проекта «Геном человека»
1. В 2004 году исследователи из Международного Консорциума по Секвенированию Человеческого Генома (англ. International Human Genome Sequencing Consortium) (IHGSC) проекта «Геном человека» огласили новую оценку числа генов в человеческом геноме составившую от 20 до 25 тыс . Ранее предсказывалось от 3 до 40 тыс., а в начале проекта оценки доходили до 2 млн. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. Число генов человека не намного превосходит число генов у более простых организмов, например, круглого червя Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster. Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг, который позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Альтернативный сплайсинг
2. Анализ генома человека позволил выявить у него порядка в начале 40 тыс . генов, позже до 20-25 тыс. Самые короткие гены содержат всего 20 п.н. (гены эндорфинов , вызывающих ощущение удовольствия).
Самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц (миодистрофин), содержит порядка 2,5 млн. п.н.
3.В кодировании белков принимает участие не более 1,5 % хромосомной ДНК человека (т.е. генетические инструкции по формированию человеческого индивидуума занимают лишь 3 см на двухметровой молекуле ДНК человека).
4. Геном человека состоит из 24 хромосом и 3,2 млрд. п.н. В геноме женщин содержится лишь 23 хромосомы из 24-х , и все они представлены в соматических клетках двумя экземплярами.
У мужчин в клетках содержится полная Энциклопедия человека, все 24 хромосомы, но две из них (хромосомы X и Y) существуют в единичных экземплярах. Разные хромосомы сильно отличаются друг от друга по числу и свойствам генов (в первой, самой большой, хромосоме содержится 263 млн. п.н., составляющих 2237 гена, а в 21 хромосоме – 50 млн.п.н. и 82 гена).
5. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоныиинтроны, которые часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене. Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки (рис. 12).
Рис. 6.12. Экзон-интронная структура ДНК у эукариот
6. В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры).
7. Согласно последним подсчётам, эухроматин, богатый генами и активно экспрессирующихся участков хромосом, составляет примерно 93.5% от всего генома. Оставшиеся же 6.5% приходятся на гетерохроматин – эти участки хромосом бедны генами и содержат большое количество повторов, которые представляют серьезные трудности для ученых, пытающихся прочесть их последовательность.
8. Как у людей имеются семьи, так и гены объединяют всемейства по их схожести. В геноме человека присутствуют около 1,5 тыс. таких семейств. Причем только околосотни из нихспецифичны для человека и позвоночных животных. Основная же масса генных семейств имеется как у человека, так и у дождевого червя. Разные гены одного семейства возникали в ходе эволюции изодного гена-предшественника как следствие мутаций. «Родственные» гены чаще всего выполняют сходную функцию. Например, геном человека имеет около 1 000 генов-рецепторов обоняния.
9. Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома. Не учитывая известные регуляторные последовательности в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:
- повторы
- транспозоны (прыгающие гены)
Псевдогены - это гены, утратившие способность к экспрессии. Перед их названием ставят греческую букву y. He совсем ясно, зачем геному нужны такие гены, почему он сохранил их в эволюции и не избавился от них.
10. В геноме человека имеется около 20 000 таких псевдогенов . В частности, в огромной семействе генов обоняния около 60% являются псевдогенами . Считается, что массивная потеря функциональных генов произошла за последние 10 млн. лет в связи со снижением роли обоняния у человека по сравнению с другими млекопитающими.
11.Число генов, ассоциируемых с различными болезнями больше всего в Х хромосоме – 208; в 1 – 157; и в 11 – 135. Меньше всего таких генов в Y – всего 3. Тем не менее, только совокупность всех хромосом обеспечивает клетки полной информацией, позволяющей человеку нормально развиваться и жить. В отсутствие любой из пар хромосом жизнь конкретного индивидуума становится невозможной. При потере по каким-либо причинам только одной из пары хромосом состояние человека сильно отличается от нормы. Например, частичная моносомия 5-ой хромосомы приводит к синдрому кошачьего крика . У детей с этой аномалией отмечается необычный плач, что обусловлено изменением гортани, а также черепа и лица. В клетках человека также имеется ДНК , расположенная не в хромосомах, а в митохондриях. Это тоже часть генома человека, называемая М-хромосомой . В отличие от ядерного генома митохондриальные гены располагаются компактно, как в геноме бактерий, и имеют свой собственный генетический код (своеобразный «генетический жаргон»).
МитДНК ответственна в клетке за синтез всего лишь нескольких белков. Но эти белки очень важны для клетки, поскольку участвуют в обеспечении клетки энергией. Предполагают, что митохондрии появились в клетках эукариот в результате симбиоза высших организмов с аэробными бактериями. МитДНК передается из поколения в поколение только по женской линии . При оплодотворении в яйцо проникает сперматозоид с набором отцовских хромосом, но без отцовских митохондрий. Только яйцеклетка предоставляет зародышу свою митДНК. Поэтому митДНК удобно использовать для определения степени родства как внутри вида, так и между различными таксонами.
12. Одной из целей исследования генома человека являлось построение точной и подробной карты всех хромосом. Генетическая карта представляет собой схему, описывающую порядок расположения на хромосоме генов и других генетических элементов (снипсы-повторы-гены ).
13. Плотность расположения генов в хромосомах сильно различается. Средняя плотности составляет около 10 генов на 1 млн.п.н. Однако в хромосоме 19 плотность составляет 20 генов , а в Y-хромосоме - всего 1,5 гена на млн. Если сравнить плотность генов с плотностью расселения людей, то Y-хромосома напоминает нашу Сибирь, а хромосома 19 - Европейскую часть России. Плотность расположения генов падает по мере эволюционного усложнения организмов. Для сравнения: в геноме бактерий содержится свыше 1000 генов на 1,0 млн. и. н., у дрожжей около 450 генов на 1,0 млн. п. н., а у червя С. elegans - около 200 .
14. Около 20 % генов человека функционируют во всех типах клеток человека. Остальные же гены работают только в определенных тканях и органах. Например, глобиновые гены экспрессируются только в клетках крови, поскольку основная их функция – обеспечивать перенос кислорода. Примером высочайшей специализации генов служат обонятельные гены . В каждой клетке органа обоняния человека – обонятельной луковице - работает только 1 ген из 1000 возможных. Сильнейшее недоумение ученых вызвал тот факт, что некоторые из этих генов, кроме обонятельной луковицы, активизируются еще в одном типе клеток – сперматозоидах . Как это связано с восприятием запаха, пока не совсем ясно.
15. Оказалось, что более 1000 генов «родились» совсем недавно (по эволюционным меркам, конечно) – в процессе удвоения исходного гена и последующего независимого развития дочернего гена и гена-родителя. А чуть меньше 40 генов недавно «умерли», накопив мутации, сделавшие их совершенно неактивными.
