5710 0

Существует точка зрения, которую разделяет немалое число специалистов, что все заболевания человека за исключением травм связаны с генетическими дефектами. Очевидно, это крайняя точка зрения, тем не менее она отражает важность генетических факторов в определении состоянии здоровья людей. Генетические дефекты бывают разной значимости и состояния.

Хотя обычно считают диабет и мышечную дистрофию заболеванием, а расщепление неба или цветовую слепоту - наследственными дефектами - все это является результатом мутаций в генетическом материале. Показано также, что предрасположенность к заболеванию также зависит от генетической конституции.

Генетические дефекты или мутации в последовательности ДНК выражаются в замене одного нуклеотида другим, потере целого фрагмента или его переносе на другое положение в геноме и пр. Такие изменения могут привести к изменениям структуры (и функции) белка, который кодируется данным фрагментом ДНК или к изменению регуляторных участков генов, гибельным для клеток. Говоря о наследственных заболеваниях, мы имеем в виду мутации, которые появляются в половых клетках и передаются потомству.

В соматических клетках на протяжении жизни также накапливаются мутации, которые могут стать причиной заболевания, но они по наследству не передаются. Ранее считалось, что все мутации вредны. Это связано с тем, что именно с таких мутаций, вызывающих заболевания, было начато изучение генетических характеристик человека. Но сейчас, когда прочитан практически весь нуклеотидный текст человека, стало ясно, что большая часть мутаций является нейтральной. Вредные мутации, приводящие к грубому нарушению развития организма, отсеиваются отбором - их носители не выживают или не дают потомства.

Огромный прорыв в понимании, как унаследованные гены влияют на физические и психологические особенности человека, произошел за последние десятилетия благодаря открытиям, сделанным при исследовании генома человека. Установлены и диагностируются как целый ряд генетических заболеваний, так и предрасположенность к ним, причем на самых ранних этапах развития эмбриона. Большие надежды на расширение возможностей современной медицины связаны с реализацией проекта «Геном человека».

Реализация научного проекта «Геном человека»

На реализацию этого проекта Конгресс выделил 3 млрд дол. (по одному доллару за каждый нуклеотид человеческого генома). Директором проекта был назначен лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон. К проекту присоединились другие страны - Англия, Франция, Япония и др.

В 1989 г. по инициативе академика А.А. Баева в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д. Мирза-беков. Независимо от вклада и государственной принадлежности отдельных участников программы с самого ее начала вся получаемая ими в ходе работ информация была открыта и доступна для всех его участников.

Двадцать три хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуры 3-й и 19-й хромосом. Однако вскоре финансирование работ по этому проекту было сильно сокращено, и реального участия в секвенировании наша страна не принимала. Тем не менее работы по геномному проекту в нашей стране не прекратились: программа была пересмотрена и сконцентрирована на развитии биоинформатики -математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствовании способов описания и храненеия геномной информации, которые бы помогли понять и осмыслить расшифрованную информацию.

На расшифровку генома человека было отведено 15 лет. Однако постоянное развитие технологии секвенирования позволило завершить проект на 2 года раньше. Немалую роль в интенсификации работ сыграла частная американская компания Celera, возглавляемая Дж. Вентером (в прошлом - биолог Национального института здоровья США). Если в начальные годы осуществления проекта по всему миру секвенировали несколько миллионов нуклеотидных пар в год, то в конце 1999 г. Celera расшифровывала не менее 10 млн нуклеотидных пар в сутки. Для этого работы велись круглосуточно в автоматическом режиме 250 роботизированными установками, информация сразу же передавалась в банки данных, где систематизировалась, аннотировалась и выкладывалась в Интернет.

При проведении работ в 1995 г. Вентер с соавторами разработал и опубликовал совершенно новый подход к секвенированию генома, названный методом произвольного секвенирования полного генома (более известный как произвольное секвенирование методом дробления), который позволял собрать полный геном из частично секвенированных фрагментов ДНК при помощи компьютерной модели.

Этим методом впервые был полностью секвенирован геном самореплицирующегося свободно живущего организма - бактерии Haemophilus in-fluenzae Rd. Копии ДНК бактерии были разрезаны на куски произвольной длины от 200 до 1 600 п.о. Эти фрагменты секвенировали по несколько сот с каждого конца. Кроме того, были секвенированы и более длинные фрагменты по 15-20 тыс. п.о. Полученные последовательности были внесены в компьютер, который их сравнивал, распределял по группам и по сходству.

Первыми идентифицировались неповторяющиеся последовательности, затем -повторяющиеся последовательности фрагментов. Длинные фрагменты помогали установить порядок часто повторяющихся, почти идентичных последовательностей. Затем заполнялись пробелы между полученными основными кусками ДНК. Секвенирование генома Haemophilus influenzae заняло один год и при этом была определена последовательность 1 830 137 п.о. и 1 749 генов, расположенных на 24 304 фрагментах.

Это был несомненный успех, который доказал, что новая технология может быть применима для быстрого и точного секвенирования целых геномов. В 1996 г. картировали геном первой эукариотической клетки - дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма - круглого земляного червя Caenorhabolits elegans.

В феврале 2001 г. рабочий вариант генома человека (выполненный на 90 %) был одновременно опубликован в журналах «Nature» - результаты HUGO и «Science» - результаты исследований компании Celera. Анализ полученного варианта генома человека выявил около 25 тыс. генов. Ранее предполагалось, что это количество должно достигать 140 тыс. (если исходить из постулата «один ген кодирует один белок»). В настоящее время представляется возможным, что один ген может кодировать 5-6 белков. Многообразие белков, кодируемых одним и тем же геном, обеспечивается несколькими механизмами: с помощью альтернативного сплайсинга, посттрансляционных превращений белков - фосфорилирования, ацетилирования, метилирования, гликозилирования и многих других.

В 2003 г. был опубликован окончательный вариант полной последовательности генома человека. Вся эта информация является доступной и находится в Интернете на нескольких сайтах. Однако до сих пор некоторые элементы генома не поддаются секвенированию современными технологиями, а наши знания о геноме остаются неполными. Оказалось, что лишь 30 % генома кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов.

Каковы функции остальных участков генома и есть ли они вообще, остается совершенно неясным. Около 10 % генома составляют так называемые Alu-элементы длиной около 300 п.о. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции только у приматов. Попав к человеку, они размножились до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом.

Что касается кодирующих участков ДНК, то при чисто молекулярно-компьютерном анализе они были названы генами по сугубо формальным критериям: наличию знаков пунктуации, необходимых для прочтения информации и синтеза конкретного генного продукта. При этом время и действие большинства потенциальных генов пока неясны, и для определения их функций может потребоваться не меньше ста лет.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДНК

1. Для выделения ДНК из гомогената тканей уда­ляют фрагменты клеточных органелл и мембран с помощью центрифугирования. Белки, разрушенные
протеазами (чаще всего применяют протеиназу К), экстрагируют из раствора. Затем ДНК осаждают, на­пример, этанолом и после удаления надосадочной
жидкости ДНК растворяют в буферном растворе.

2. Молекула ДНК среднего размера содержит 150 000 000 нуклеотидных пар и имеет длину 4 см.
Поэтому молекулы ДНК чувствительны к сдвиго­вым усилиям, возникающим в растворе, и в процессе выделения ДНК из тканей она фрагменти-руется. Получаются молекулы ДНК значительно меньше исходных, но все равно очень большие - тысячи или десятки тысяч пар нуклеотидов. Такие молекулы неудобны для исследований, и их при­ходится дополнительно фрагментировать.

Для фрагментирования используют рестриктазы - ферменты, выделяемые из бактерий. У бак­терий эти ферменты участвуют в уничтожении чужеродных для них ДНК. Рестриктазы «узнают» специфические последовательности из 4-6 нук­леотидов (сайты рестрикции), которые встреча­ются в ДНК человека. Известно множество раз­личных рестриктаз, причем каждая из них «узнает» свой сайт рестрикции (рис. 3.3).

С помощью набора рестриктаз можно разрезать молекулу ДНК на фрагменты желаемой длины. На­пример, для изучения первичной структуры удобны фрагменты размером около 300 нуклеотидных пар н.п. Следовательно, цельную молекулу ДНК в 150 000 000 н.п. нужно разрезать на 500 000 фраг­ментов и каждый из фрагментов изучать отдельно.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для прове­дения некоторых исследований необходимо боль­шое количество хорошо очищенной высокомоле­кулярной ДНК. Метод ПЦР дает возможность избирательно синтезировать in vitro небольшие уча­стки ДНК и получить за 3-4 ч несколько миллио­нов копий исследуемого фрагмента. Объектами для выделения ДНК могут быть кровь, биоптат ткани, слюна, моча, околоплодные воды и т.д. Подробно этот метод и его применение в ДНК-диагностике будут рассмотрены в теме 3.10.

Гибридизация. Для изучения видовой специфично­сти нуклеиновых кислот применяют метод гибриди­зации. Он основан на способности ДНК к денатура­ции при нагревании (80-90 °С) и ренативации при последующем охлаждении. Возможно использова­ние метода для проведения гибридизации ДНК-ДНК и ДНК-РНК. Методом гибридизации можно установить сход­ство и различия первичной структуры разных об­разцов нуклеиновых кислот.

Секвенирование генома.

Секвенирование генома здорового человека в большинстве случаев не способно предсказать развитие у него в будущем тех или иных заболеваний. Результаты этой работы были представлены на Ежегодной встрече Американской Ассоциации по исследованию рака (Association for Cancer Research), а также опубликованы в журнале Science Translational Medicine .

Полное секвенирование генома представляет собой «каталогизирование» всех генов, полученных человеком от обоих родителей, и их проверку на наличие повреждений ДНК, которые могли бы повысить восприимчивость человека к раку и иным заболеваниям. Поскольку стоимость секвенирования генома постоянно снижается (в настоящее время цена процедуры составляет 1-3 тысячи долларов США), многие здоровые люди начали задумываться над тем, чтобы пройти такое обследование и определить для себя риск развития того или иного заболевания. Однако исследователи из Центра по изучению рака Johns Hopkins Kimmel призывают их не торопиться.

Выводы ученых вовсе не означают, что секвенирование генома не имеет никакой медицинской ценности. «Во-первых, секвенирование генома остается лучшим средством для предсказания „семейных“ заболеваний, таких как рак и некоторые другие, - говорит профессор онкологии Берт Фогельштайн (Bert Vogelstein). - Во-вторых, детальное изучение генома индивидуума помогает лучше понять механизм уже протекающего у него заболевания и точнее подобрать для него индивидуальную терапию. Однако в случае со здоровым человеком геном перестает быть надежным предсказателем».

Исследователи проследили развитие 24 заболеваний у более чем 50 тысяч близнецов из 5 стран, прошедших процедуру секвенирования генома. Результаты показали, что в случае 23 заболеваний анализ генома дал отрицательный результат и отнес риск их развития к разряду «низкий». Однако, по словам профессора Фогельштайна, это вовсе не означает, что данное заболевание у данного человека не разовьется. «Это означает всего лишь, что его персональный риск немного ниже, чем средний риск по популяции, который может быть очень существенным, - говорит исследователь. - Таким образом, даже негативный результат не гарантирует отсутствия заболевания в будущем». При этом риск 4 из 24 заболеваний- заболевания сердца у мужчин, аутоиммунный тиреоидит, диабет I типа и болезнь Альцгеймера - устойчиво определялся в ¾ случаев, что позволяет назвать секвенирование генома достаточно надежным средством определения предрасположенности к этим болезням.

Современная геномика.

Длительное время геномом называли гаплоидный набор хромосом. Накопление сведений об информационной роли внехромосомной ДНК изменило определение термина «геном». В настоящее время он означает полный состав ДНК клетки, т.е. совокупность всех генов и межгенных участков. Можно считать, что геном - полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида.

Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Методы геномики направлены на расшифровку новых закономерностей биологических систем и процессов. Геномика человека является основой молекулярной медицины и имеет важнейшее значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных болезней. Для медицины первостепенное значение имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов, поскольку они проливают свет на природу инфекционного процесса и создание лекарств, направленных на специфические мишени бактерий.

Геномика, несмотря на её «молодой возраст», подразделяется на несколько почти самостоятельных направлений: структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику.

Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет границы и строение генов, межгенных участков и других структурных генетических элементов (промоторов, энхансеров и т.д.), т.е. составляет генетические, физические и транскриптные карты организма.

Функциональная геномика. Исследования в области функциональной гено-мики направлены на идентификацию функций каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Очевидно, это будет осуществляться путём изучения белковых ансамблей в разных клетках. Эту область исследований называют протеомикой.

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их строения и функционирования.

Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. Эволюционный подход к изучению генома человека позволяет проследить за длительностью формирования комплексов генов, отдельных хромосом, стабильностью его частей, недавно обнаруженными элементами «непостоянства» генома, процессом расообразования, эволюцией наследственной патологии.

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов и т.д.).

Все шаги эволюции живой природы, несомненно, должны были закрепляться в информационной системе ДНК (а для некоторых существ - в РНК), а также в организации её в клетке для выполнения консервативной функции сохранения наследственности и противоположной функции - поддержания изменчивости. Такое представление о формировании генома каждого вида наиболее обоснованно. Применительно к геному человека можно сказать, что эволюция человека - это эволюция генома. Такое представление подтверждается теперь многочисленными молекулярно-генетическими исследованиями, поскольку стало возможным сопоставление геномов разных видов млекопитающих, в том числе человекообразных обезьян, а также в пределах вида Homo sapiens геномов разных рас, этносов, популяций человека и отдельных индивидов.

Организация генома каждого эукариотического вида представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, кодонов, доменов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внехромосомной и внеядерной ДНК. В эволюционном преобразовании генома каждый из этих иерархических уровней мог вести себя совершенно дискретно (изменяясь, комбинируясь с другими и т.д.).

Наши представления о геноме человека - обширная область генетики человека, включающая по меньшей мере понятия «инвентаризации» генов, групп сцепления, картирования генов (локализация), секвенирования всей ДНК (генов, их мутаций и хромосом в целом), мейотических преобразований, функционирования отдельных генов и их взаимодействий, интеграции структуры и функции генома в целом. На решении всех этих вопросов была сосредоточена обширная многолетняя международная программа «Геном человека» (с 1990 по 2000 г.). Главным направлением работ были последовательное секвенирование участков генома и их «состыковка». Успешные разработки в этой области придали программе клинико-генетический аспект.

Клинические приложения сведений о геноме человека

Систематическое изучение генома человека фактически началось с применения менделевского анализа наследственных признаков человека (начало XX века). Генеалогический метод вошел тогда в широкую практику, и шаг за шагом стал накапливаться материал по «инвентаризации» дискретных наследственных признаков человека, но этот процесс постепенно замедлялся (за 50 лет было открыто не более 400 менделирующих признаков и 4 группы сцепления), возможности клинико-генеалогического метода в чистом виде были исчерпаны.

Бурный прогресс цитогенетики человека, биохимической генетики и особенно генетики соматических клеток в 60-х годах в комплексе с генеалогическим подходом поставил изучение генома человека на новые теоретические основы и высокий методический уровень. Обнаружение новых менделирующих признаков человека стало быстро продвигаться, особенно на биохимическом и иммунологическом уровне, появились возможности изучения сцепления и локализации генов.

Особый импульс изучению генома человека придали молекулярно-генетические методы, или технология генной инженерии (70-е годы). Процесс познания генома углубился до выделения гена в чистом виде и его секвенирования.

В отличие от классической, в новой генетике изменился подход к анализу генов. В классической генетике последовательность была следующей: идентификация менделирующего признака -> локализация гена в хромосоме (или группе сцепления) -> первичный продукт гена -> ген. В современной генетике стал возможным и обратный подход: выделение гена -> секвенирование -> первичный продукт, в связи с чем был введён новый термин для определения такого направления исследований: «обратная генетика» или «генетика наоборот».

Продолжаются совершенствование молекулярно-генетических методов и, что не менее важно, их автоматизация. В США и Великобритании были разработаны и внедрены автоматические приборы по секвенированию геномов. Их назвали геномотронами. В них осуществляется до 100 000 полимеразных реакций в час. Это означает, что в течение недели может быть просеквенирован участок (или участки) длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов.

Большую роль в расшифровке генома человека играют вычислительная техника и информационные системы. Благодаря им решаются вопросы накопления информации (базы данных) из разных источников, хранения её и оперативного использования исследователями из разных стран.

Генетика человека – наука, объединяющая в себе генетику и медицину. Она посвящена закономерностям наследования, изменения, эволюции человека. Генетика расс...

От Masterweb

Генетика человека – наука, объединяющая в себе генетику и медицину. Она посвящена закономерностям наследования, изменения, эволюции человека. Данная наука рассматривает как индивидуумов, состояние которых полностью соответствует норме, так и имеющих различные индивидуальные признаки физиологии, психологии, доставшиеся с рождения, а также патологические состояния. Генетика рассматривает и поведенческие аспекты. Основная задача ученых – определить, что формируется под влиянием среды, а что представляет собой проявления генотипа.

Общее представление

Генетика человека основана на общих закономерностях – таковые универсальны, их можно применять к самым разным видам и особям, и человек не является исключением. В настоящее время выявлено более 3 000 признаков, присущих человеку. Они затрагивают морфологию, биохимию, физиологию. 120 из них имеют связь с половой принадлежностью. Ученые смогли выявить и исследовать 23 типа генетического сцепления. Удалось составить карту хромосом, на которой зафиксированы многие гены.

Особенного внимания заслуживают исследования, проведенные в рамках уточнения генетики человека, посвященные малочисленным популяциям, то есть таким социумам, в которых не более полутора тысяч человек. Ученые установили, что для подобной группы людей частота заключения браков внутри превышает 90 %, следовательно, всего лишь за один век все участники становятся друг другу троюродными родственниками. Исследования показали, что в таких условиях повышается риск рецессивных мутаций. Порядка восьми процентов из них летальны, некоторые связаны со строением глаз или скелета. Мутации зачастую наблюдаются уже на этапе формирования плода, что приводит к его преждевременной гибели – еще до родов или сразу после появления на свет.

Особенности и цифры

Исследуя генетику человека, удалось выявить, что гаплоидный набор представляет собой комбинацию генов в количестве не менее 100000, но у некоторых это число достигает миллиона. Один геном – источник мутаций от одной до десятка. Рост вероятности мутаций на 0,001 % для конкретного индивидуума не значит практически ничего, но при оценке здоровья популяции картина меняется – количество больных измеряется сотнями и тысячами. Анализируя полученную информацию, ученые смогли оценить, насколько важно мутагенное влияние мира вокруг нас. Именно исследуя его в масштабах популяции, можно осознать величину проблемы.

Изучая геном человека в генетике, удалось установить, что человеку присущи некоторые специфические особенности, из-за которых научный прогресс замедляется. В частности, кариотип обладает огромным количеством хромосом, кроме того, в браке обычно рождается мало детей. А во время беременности преимущественно женщина вынашивает только одного ребенка. Исключения возможны, но встречаются редко. Сложность исследования генетики человека связана с продолжительностью взросления и медленной сменой поколений, а также невозможностью сформировать брачную базу, организовать подопытное скрещивание, применять искусственные технологии для активизации мутаций.

Исследование генетики человека – это не только вынужденная борьба со сложностями и проблемами, но и ряд специфических достоинств. Для человека свойственны мутации, в настоящее время их разнообразие только растет. Кроме того, подробно изучены физиология, анатомия вида. Популяция в целом многочисленная, а значит, ученые могут подобрать среди существующих такие брачные схемы, которые максимально соответствуют целям проводимой научной работы.

Не стоять на месте

Задачи генетики человека – изучить, как происходит наследование, в каких формах проявляются генетические признаки у различных особей. В настоящее время ученые точно знают, что от человека к человеку набор признаков меняется достаточно существенно. Это объясняется актуальностью всех типов наследования: по доминанте, рецессивному гену, аутосомно, кодоминантно, в сцеплении с половой хромосомой. Чтобы добиться максимальной точности исследований, необходимо использовать специфические методы – таковые разработаны специально для изучения человека. Не останавливается работа над новыми методами и способами, которые позволят получить больше информации по этой теме.

Вот уже не первое десятилетие ученые не только лишь собирают новые сведения. В генетике человека используют аналитические подходы, предполагающие анализ уже известных данных с учетом новой полученной информации. Такой непрекращающийся аналитический процесс позволяет расширять каталог человеческих признаков, передающихся между поколениями.

Человек и наука

Изучение генетики человека предполагает исследование механизмов наследования и особенностей изменчивости, присущей человеку как виду. Альтернативный термин, которым обозначают науку – антропогенетика. Наука посвящена различиям и общностям людей, объясняемым наследственным фактором. В настоящее время принято в отдельную категорию выносить медицинскую генетику. Эта область посвящена передающимся по наследству болезням, методам их лечения и предупреждения. Актуальность исследований тесно связана с большой наработанной базой информации по этому вопросу. Удалось получить довольно четкие сведения о морфологии и физиологии, биохимии человека. Вся эта информация актуальна при изучении генетической специфики представителей популяции.

Особенности изучения наследственности, генетика человека – наука, тесно связанная с особенностями социума, этики, биологии человека. При этом учитывают, что человек имеет возможность мыслить абстрактно, воспринимать данные. Эти черты считаются неоспоримыми преимуществами, которые не присущи иным объектам, исследуемым генетикой.

Исследования: как организованы?

В генетике человека используют методы: цитогенетика, статистика, исследование популяций, онтогенетика, генеалогия, моделирование. Распространен близнецовый подход к изучению человека. Интересный и дающий немало полезной информации способ – дерматоглифика. В генетике человека используют метод гибридизации, в качестве материала для работы применяя соматические клетки. Актуальны также подходы, позволяющие работать на уровне молекул.

Кроме основных используют вспомогательные методики – они предназначены для получения дополнительной информации. Таковые предполагают применение методов микробиологии, биохимии, иммунологии и других смежных дисциплин.

Генеалогия

Этот метод генетики человека основан на исследовании признаков, свойств, передающихся от человека к человеку по наследству. Для изучения необходимо иметь доступ к родословной индивидуума. Впервые такой подход разработан Гальтоном, а для упрощения его применения впоследствии Юст предложил применять условную символику. Генеалогия предполагает формирование родословной и последующий анализ информации.

В рамках такого метода генетики человека необходимо сперва собрать исчерпывающе данные о семье. Далее информацию фиксируют графически, применяя стандартную символику. В рамках аналитического исследования собранной базы данных оценивают, можно ли конкретный признак назвать семейным, а также определяют, по какому механизму он передается. Ученые исследуют, каковы генотипы близких родственников, вычисляют риски появления анализируемого признака в будущих поколениях. Для разных механизмов наследования свойственны индивидуальные особенности, и их черты видны при анализе родословной.

О деталях

Для аналитической работы в этом методе изучения генетики человека необходимо сперва сформировать представление о правилах моногенной передачи свойств по наследству. Менделирующие признаки, исследуемые таким образом, дискретны, детерминированы, расщепляемы. Для оценки дискретности необходимо проанализировать морфологию, физиологию, биохимию, иммунологию, клинические критерии.

Особенно подробную информацию о систематизации признаков можно найти в работах Кьюсика, опубликовавшего каталог менделирующих человеческих признаков. Генеалогия как способ исследования сравнима с гибридологическим методом, а отличия объясняются социальными особенностями и человеческой биологией. В настоящее время такой подход широко применяется в исследованиях мутаций, наследования, сцепленного с полом, а также в рамках медицинского генетического консультирования.

Близнецовый способ

Такой метод изучения генетики человека предполагает наличие пар близнецов. Объекты исследуются, ученые выявляют, каковы сходства между ними, в чем заключаются различия. Близнецами считают только таких детей, которые были выношены и одновременно появились на свет у одной матери. Различают моно- и дизиготные формы. В первом случае исходный материал – одна зигота, при этом генотипы совпадают, пол – тоже. При двух зиготах генотипы близнецов отличны, а пол может совпадать или нет.

Когда для изучения генетики человека используют метод близнецов, сперва выявляют зиготность полисимптомным подходом. Оценивают людей на сходство по признакам, для которых установлено наследование, а влияние среды на них минимально. Когда удается определить точно зиготность, производят сопоставление индивидуумов по конкретному признаку.

Конкордантная пара выявляется, если некоторый признак присутствует у обоих близнецов. При его отсутствии у одного из близнецов говорят о дискордантной паре. Если для изучения генетики человека используют метод близнецов, учитывают, что полученная информация наиболее точно позволяет оценить, какова роль наследования, насколько сильно влияет среда на коррекцию определенного признака. Ученые могут установить, какие признаки передаются по наследству, почему гены отличаются по пенетрантности. В рамках изучения можно оценить, насколько эффективно влияют на особь внешние факторы – от медикаментозных до подходов к воспитанию.

Цитогенетика

Медицинская генетика человека предполагает изучение клеточных структур под микроскопом. В рамках такого исследования внимание уделяется хромосомам. Основная задача специалиста – выявить половой хроматин, провести кариотипирование. Этот процесс необходим, чтобы выявить метафазные хромосомы.

Кариотипом называется диплоидный хромосомный набор, свойственный конкретному виду. Идиограмма – кариотип, зафиксированный в форме диаграммы. Кариотипирование эффективно проводить, если есть лимфоциты особи. Сперва извлекают определенное число способных к делению клеток, получают метафазные пластинки, гипотонический раствор. Систематизация производится одним из двух методов – Парижский либо Денверский.

Денверский вариант предполагает учитывать форму, размер хромосомы, а в работе применяют метод сплошного окрашивания. Существует семь категорий хромосом. Сложность применения подхода в том, что непросто идентифицировать внутри группы отдельные хромосомы.

Парижский метод классификации предполагает окрашивание метафазных хромосом. Каждая из них отличается уникальным рисунком, а диски позволяют провести четкую дифференциацию.

Пренатальная диагностика

Тесно связаны между собой генетика и здоровье человека. Чтобы предупредить рождение страдающего патологическими отклонениями ребенка, применяется пренатальная диагностика. Эта мера считается первичным способом предупреждения заболеваний, передающихся по наследству. Подходов к диагностике известно несколько, выбор в пользу конкретного зависит от специфики семьи и состояния будущей матери.

Непрямой метод исследования генетики человека с основами медицинской генетики предполагает изучение беременных для определения групп риска. Кровь проверяют на альфа-фетопротеин, выявляют параметры ХГЧ, эстриола. Известно, к примеру, что болезнь Дауна нередко наблюдается при повышенном ХГЧ и пониженном эстриоле. Из показателей альфа-фетопротеина можно заключить, насколько высока вероятность патологий нервной трубки, кожных покровов, риски хромосомных заболеваний.

Альтернативный вариант

В рамках основ генетики человека были разработаны прямые подходы к пренатальной диагностике. Таковыми бывают инвазивные и не предполагающие хирургических операций. Неинвазивные – изучение состояния плода с помощью ультразвука. Так можно определить многоплодную беременность, некоторые заболевания и дефекты.

К прямым инвазивным способам относятся хорионбиопсия, плацентобиопсия, амниоцентез, кордоцентез, фетоскопия. Для изучения состояния могут взять образцы кожных покровов плода. Материалы и образцы, полученные для последующей работы, изучают посредством подходов цитогенетики, биохимии, проверяют молекулярный состав и генетические особенности. Полученные выводы используют, консультируя будущих родителей по вопросам наследственности. Генетика человека на этапе дородовой диагностики позволяет выявить риск хромосомных заболеваний и молекулярных отклонений. Кроме того, именно эти методы применяются, чтобы выявить пол будущего ребенка и оценить вероятность пороков развития плода.

Моделирование и генетика

Если генеалогический метод изучения генетики человека позволяет оценить вероятность наследования признаков исходя из наблюдения их у предыдущих поколений, то моделирование – это такой подход, в рамках которого наследственная изменчивость используется для формирования модели объекта. Применяют законы Вавилова, указывающие, что близкие генетически виды, роды имеют подобные ряды изменчивости, передающейся по наследству. Филогенетически близкие индивидуумы дают однозначный ответ на внешние факторы, в том числе провоцирующие мутации.

Прибегая к мутантным линиям, свойственным животным, можно сформировать модели передачи по наследству ряда болезней, свойственных и животным, и человеку. Ученые получают новые методы исследования путей формирования заболеваний, методов их передачи по наследству. В настоящее время появляются новые походы к диагностированию, основанные на достижениях генетики. Данные, получаемые при изучении животных, к человеку применяются после внесения определенных поправок.

Биохимия и статистика

Онтогенетический метод, актуальный для исследования генетики человека, предполагает изучение с применением подходов биохимии для выявления проблем метаболизма и сбоев, индивидуальных для конкретного объекта, если таковые объясняются мутацией. В организме объекта можно наблюдать промежуточные продукты обменных реакций, и их выявление в органических жидкостях получило широкое применение в подходах к диагностике патологических состояний.

Статистика и исследование популяций – это такой подход в современной генетике, который предполагает изучение генетического популяционного состава. Собрав достаточно объемную базу данных, можно оценить, насколько высок шанс появления особи, имеющей заданный фенотип, в изучаемой группе людей. Можно вычислить частоту генных аллелей, генотипов.

Еще один подход, применимый в наши дни – молекулярная генетика. Это та самая генная инженерия, о которой слышали многие, хотя далеко не всякий человек представляет себе, в чем заключается суть работы ученых. Инженерия заключается в выделении генов и создании их клонов, формировании рекомбинантных молекул и помещении их в живую клетку. Матрицы, полученные при синтезировании новых нуклеиновых кислотных цепей, используются для репликации. Молекулярная генетика активно использует подход секвенирования и некоторые другие высокотехнологичные способы.

Генетика и особенности человека

Наследственность обеспечивается наличием генов, чьи носители – хромосомы. Объект получает набор генов от матери, отца. Между поколениями передача реализована через половые клетки. В организме ген представлен дважды, переданный матерью и отцом. Гены могут быть тождественными, могут разниться. В первом случае говорят о гомозиготности, во втором – гетерозиготности. Вероятность первого варианта исключительно низка, поскольку генов слишком много. При наличии общей линии предков шанс гомозиготности выше, поскольку отец и мать передают ребенку идентичные гены. На практике такое встречается нечасто в силу института брачных отношений и действующих законов. Филологический фундамент уникальности личности, ее неповторимости объясняется разнообразием генетического набора в каждом конкретном случае.

Популяционная человеческая генетика – один из важнейших разделов науки. Человеческая популяция существенно отличается от прочих видов, так как это продукт истории, естественного отбора, развития общества. Генетическое воспроизводство – это и биологический процесс, и социальный, связанный с демографией и неотделимый от него и воспроизводства населения. Передача данных между поколениями и распределение генетических наборов, миграции и взаимные связи со средой, окружающей человека, обеспечивают движение генетического материала. Можно с уверенностью говорить, что генетика и демография – тесно связанные между собой аспекты; популяционная генетика фактически представляет собой демографическую, а ученые, занимающиеся ею, изучают результаты процессов, свойственных демографии.

Нюансы и особенности

Продолжительное исследование генетики и демографических изменений позволяет с уверенностью заключить, что генофонд во времени постоянен, хотя и представлен в каждом конкретном поколении обилием уникальных генотипов. Постоянство обеспечивается рождаемостью и смертностью, перемещением носителей генетической информации. Популяционный генофонд может меняться, поскольку разные носители материала участвуют в процессе воспроизводства с разной степенью активности. Эта особенность – элемент естественного отбора, под влиянием которого структура фонда генов меняется, а общность в большей степени соответствует условиям среды, в которой обитает человек.

В человеческой популяции изменение генофонда в некоторой степени обусловлено мутациями, дрейфом генов и миграцией. Естественные мутации – процесс, скорость которого считается соответствующей нормальному изменению генофонда. Генотипы, формирующиеся в таком процессе, могут быть совершенно новыми, несвойственными ранее сообществу. Регулярная генная миграция сглаживает различия между популяциями, приводит к утере своеобразия, уникальности, объясняющейся локальной спецификой среды.

Генная миграция обусловлена миграцией носителей генетического материала. В настоящее время нет возможности однозначно оценить и описать роль миграции в развитии человечества. Ряд последствий миграции очевиден, основной процент населения мира – продукт смешанной популяции.

Стабильность и прогресс

Шанс на то, что мутаций, миграций, генетического отбора не будет, крайне мал, но даже если представить, что такое возможно, все равно остается возможность изменения генофонда. Это объясняется дрейфом генов, то есть процессом генетической корректировки на популяционном уровне. В частности, к дрейфу может привести малочисленность популяции. Как правило, дрейф свойственен эндогамным социумам, чья отличительная особенность – небольшое количество носителей генотипов, в то время как потенциальное разнообразие наборов признаков исключительно велико.

Малочисленность популяции позволяет в каждом новом поколении реализовываться только небольшому проценту возможных наборов особенностей. Следовательно, генофонд каждого нового поколения появляется как продукт случайного выбора некоторого числа генов, переданных от родителей.

В рамках демографической генетики дрейф генов считается независимым от среды процессом. Исследуя малочисленные человеческие популяции, можно заметить, как уровень развития культуры, общества, экономики влияет на численность населения, как это сказывается на характере взаимодействия с окружающей средой. Дрейф генов, определяемый количеством людей в социуме, зависит от специфики общества и среды, в которой оно существует.

Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255

1. Геном, клонирование, происхождение человека. – Под ред. Л.И. Корочкина. – Фрязино: «Век 2», 2004. – 224 с.

2. Вымершие звери и птицы, которых проще всего клонировать. – Электронный ресурс. – 2013.

3. Андреева, Л.Е., В.З. Тарантул. Трансгенные животные: фундаментальные и прикладные аспекты / Л.Е. Андреева, В.З. Тарантул // Проблемы и перспективы молекулярной генетики. Том 1 / Отв. ред. Е.Д.Свердлов. – М.: Наука, 2003. – С. 184 – 217.

4. Клонирование человека. Вопросы этики. – Париж, Изд-во ЮНЕСКО, 2004. – 21 с.

Тема № 4. Современные методы исследования генома

Краткое содержание:

1. Классический подход к расшифровке последовательностей ДНК

2. Принцип высокопроизводительного пиросеквенирования ДНК

3. Достижения и перспективы секвенирования

4. Использование методов биоинформатики в секвенировании

5. История прочтения генома человека

Невозможно представить себе современную биологию (не только молекулярную биологию и биохимию, но и систематику, теорию эволюции, антропологию, медицину) без мегабайтов прочитанных последовательностей ДНК, этой плоти и крови биоинформатики , самой динамично развивающейся области биологической науки. Успех в этой области был достигнут в конце ХХ в. благодаря прорыву в создании технических устройств и технологий расшифровки геномов. Определение последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК получило название секвенирования (от англ. sequence – последовательность), а приборы, предназначенные для этой цели, именуются секвенаторами .

1. Классический подход к расшифровке последовательностей днк

Самый распространенный на сегодняшний день способ секвенирования ДНК - «метод терминации цепи », или «дидезокси метод », разработанный в 70-х гг. прошлого века Фредериком Сэнгером (дважды лауреат Нобелевской премии по химии: за определение аминокислотной последовательности инсулина (1955 г.) и за разработку метода секвенирования ДНК (1980 г.)). Дешевизна, точность, а также сравнительная простота автоматизации делает этот метод своеобразным «золотым стандартом » среди всех существующих способов определения последовательности нуклеотидных остатков ДНК. Так был расшифрован весь геном человека, и именно метод Сэнгера до сих пор является рутинным в повседневной лабораторной практике.

амплифицируются

Вначале фрагменты ДНК, последовательность которых предстоит определить, многократно копируются (амплифицируются ), затем нарезаются на короткие куски, которые служат матрицей для синтеза комплементарных цепей ДНК. Синтез в общих чертах напоминает процесс копирования ДНК в живой клетке.

Особенность метода заключается в использовании химически модифицированных разновидностей четырех дезоксирибонуклеотидов , составляющих цепи ДНК. Каждая разновидность «помечена» флуоресцентной молекулой-маркером, на жаргоне «краской». Короткий фрагмент ДНК, называемый затравкой, или праймером , инициирует синтез ДНК в определённой точке цепи ДНК-матрицы. Синтезирует комплементарную цепь особый фермент - ДНК-полимераза . При этом флуоресцентно меченные разновидности нуклеотидов, которые присутствуют в реакционной смеси в значительно меньших количествах, чем обычные нуклеотиды, обрывают синтез, когда один из них оказывается на конце растущей ДНК-цепи. (Все дело в том, что видоизмененные нуклеотиды не имеют той самой химической группы, к которой должен присоединяться следующий нуклеотид для продолжения цепи.) В результате получается смесь, содержащая полный набор ново-синтезированных фрагментов ДНК, каждый из которых начинается в одном и том же месте, но заканчивается во всех возможных положениях вдоль цепи ДНК-матрицы.

Современные автоматизированные секвенаторы разделяют эти фрагменты, пропуская всю смесь через тончайшие капилляры, наполненные гелем. Чем короче фрагмент, тем быстрее он движется в геле по капилляру под действием электрического поля. (Фрагменты ДНК - по сути, ионы, движущиеся в электрическом поле от «минуса» к «плюсу».) Процесс, называемый капиллярным электрофорезом , настолько эффективен, что фрагмент, только что вышедший из капилляра, оказывается ровно на один нуклеотид длиннее, чем предшествующий ему. По мере того как фрагмент появляется, он освещается лазером, что заставляет светиться меченый нуклеотид на его конце. Компьютер определяет разновидность этих нуклеотидов по цвету вспышки и регистрирует последовательность их появления, складывая «буквы» (нуклеотиды) в «текст» (последовательность ДНК). В случае расшифровки целого генома так нарабатываются миллиарды коротких «текстов», которые поступают в специальную программу, запускаемую на суперкомпьютерах. Программа находит места перекрывания «текстов» и, располагая их в нужном порядке, выстраивает полную последовательность генома.

Большинство новых технологических разработок направлено на миниатюризацию , мультиплексирование (в данном случае, параллельное соединение низкопроизводительных блоков системы для повышения общей производительности) и автоматизацию процесса секвенирования. Все они могут быть разделены на два класса. Первый объединяет методы «секвенирования синтезом», в которых основания определяются по мере того, как они встраиваются в растущую цепь ДНК.

Ко второму классу относятся технологии расшифровки последовательности оснований единичной молекулы ДНК. Некоторые из них достаточно экзотичны - как, например, чтение нуклеотидных остатков ДНК электронным или оптическим способом по мере того, как молекула «протискивается» через нанопору . Длинный перечень улучшений системы капиллярного электрофореза в сочетании с возрастающей автоматизацией и усовершенствованием программного обеспечения позволили снизить стоимость секвенирования в 13 раз с тех пор, как первые автоматические секвенаторы появились в 90-е годы.

Но все это выглядит несколько бледно на фоне возможностей нового метода секвенирования синтезом - изощрённого варианта пиросеквенирования, разрабатываемого и внедряемого компанией 454 Life Sciences.

2. Принцип высокопроизводительного пиросеквенирования ДНК

Технология, разработанная компанией 454 Life Sciences, называется пирофосфатным секвенированием, или пиросеквенированием . Сама идея пиросеквенирования, надо сказать, не нова: она возникла ещё в начале 90-х годов прошлого века, но опубликованный тогда метод не сумел вытеснить традиционный дидезокси метод Сэнгера. Однако разработчики из 454 Life Sciences дополнили его возможностями современных нанотехнологий, и количество перешло в качество. Поэтому, точнее будет назвать метод «пиросеквенированием ДНК в плотно упакованных пиколитровых реакторах».

Скорость является одним из главных преимуществ нового метода секвенирования. Название метода заимствовано у знаменитого на Западе автомобиля Chevrolet Chevelle SS 454 1970-го года с двигателем мощностью 360 лошадиных сил.

Весь геном, все его молекулы ДНК, случайным образом фрагментируются на кусочки по 300–500 пар оснований. Затем комплементарные цепи фрагмента разделяются, к каждой цепи фрагментов пришивается одинаковый для всех олигонуклеотид-«адаптер », который позволяет отдельным цепям налипать на пластиковые бусинки . (Последовательность этого олигонуклеотида позволяет позднее в процессе секвенирования распознавать ДНК-матрицу.) При этом смесь разъединённых на комплементарные цепи фрагментов разбавляют таким образом, что каждая бусинка получает лишь по одной (!) индивидуальной цепи.

Каждая бусинка оказывается заключённой в капельку, окруженную маслом и содержащую смесь для осуществления полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая и проходит отдельно в каждой капельке эмульсии (так называемая эмульсионная ПЦР , эПЦР). Это приводит к «клональной амплификации» цепей ДНК, а говоря по-русски, к тому, что на поверхности бусинки удерживается уже не одна, а около 10 млн копий («клонов») уникальной ДНК-матрицы.

Далее эмульсия разрушается, вновь двуцепочечные фрагменты ДНК (образовавшиеся в ходе ПЦР) разделяются, и бусинки, несущие одноцепочечные копии ДНК-матрицы, помещаются в лунки «предметного стекла » - слайда особой конструкции. Каждая лунка такого слайда образует отдельный пиколитровый «реактор» , в котором и будет происходить реакция секвенирования.

Слайд представляет собой срез блока , полученного путём нескольких циклов вытягивания и сплавления оптических волокон. В результате каждого цикла диаметр индивидуальных волокон уменьшается по мере того, как волокна формируют пучки шестигранной упаковки увеличивающегося поперечного диаметра. Каждое волокно имеет сердечник диаметром 44 мкм, окружённый 2–3 мкм слоем оболочки. Затем сердечники вытравливаются, и в результате получаются лунки ≈55 мкм глубиной, с расстоянием ≈50 мкм между центрами соседних лунок. Объём таких «реакторов» - 75 пиколитров; плотность размещения на поверхности слайда - 480 лунок на квадратный миллиметр. Каждый слайд несёт около 1,6 миллионов лунок, в каждую из которых попадает одна (!) бусинка с ДНК-матрицей. Слайд помещается в проточную камеру таким образом, что над отверстиями лунок создаётся канал высотой 300 мкм, по которому в лунки поступают необходимые реактивы.

Доставляемые в проточную камеру реактивы текут в слое, перпендикулярном оси лунок. Такая конфигурация позволяет одновременно осуществлять реакции на бусинках, несущих ДНК-матрицы, внутри отдельных лунок. Добавление и удаление реагентов и продуктов реакции происходит за счёт конвекционного и диффузионного переноса. Время диффузии между потоком и лунками составляет около 10 секунд и зависит от высоты проточной камеры и глубины лунок. Глубина лунок тщательным образом рассчитана исходя из следующих соображений:

1. Лунки должны быть достаточно глубокими, чтобы бусинки, несущие ДНК-матрицу, не выскакивали из них под действием конвекции.

2. Они должны быть достаточно глубокими, чтобы исключить диффузию продуктов реакции из лунок, где имело место включение нуклеотида, в лунки, где включения не произошло.

3. Лунки должны быть мелкими настолько, сколько требуется для осуществления быстрой диффузии нуклеотидов в лунку и быстрого вымывания оставшихся нуклеотидов и продуктов реакции в конце каждого цикла, что, в свою очередь, необходимо для обеспечения высокой продуктивности секвенирования и снижения расходов реактивов.

Помимо бусинок с ДНК-матрицей, в каждую лунку «насыпают» ещё бусинок помельче - каждая с «сидящими» на её поверхности (иммобилизованными ) ферментами , необходимыми для пирофосфатного секвенирования. Нуклеотиды (одного вида за раз) и другие реактивы, необходимые для реакции секвенирования, подаются последовательно в проточную камеру, куда помещается слайд.

Каждый раз, когда определённый нуклеотид встраивается в растущую цепь ДНК в какой-нибудь из лунок, в ней высвобождается молекула пирофосфата , которая, в свою очередь, является необходимым предшественником компонента другой ферментативной реакции. Её катализирует особый фермент, люцифераза светлячка Photinus pyralis. Но для её осуществления необходим аденозинтрифосфат (АТФ). Новообразованный пирофосфат превращается в лунке в АТФ под действием ещё одного фермента - АТФ-сульфурилазы . И тогда люцифераза окисляет люциферин до оксилюциферина, а эта реакция сопровождается хемилюминесценцией - по-простому, маленькой вспышкой света. Дно слайда находится в оптическом контакте с оптико-волоконным световодом, подключённым к прибору с зарядовой связью (CCD-сенсор, charge coupled device ). Это позволяет регистрировать излучаемые фотоны со дна каждой индивидуальной лунки, в которой произошло встраивание известного нуклеотида. Общая схема пиросеквенирования дана на рис. 1.

Связывая зарегистрированные от каждой лунки вспышки с типом нуклеотида, присутствующего в проточной камере в данный момент времени, компьютер последовательно отслеживает рост цепочек ДНК в сотнях тысяч лунок одновременно. Время, необходимое для протекания ферментативной реакции, производящей детектируемую «вспышку», составляет порядка 0,02–1,5 секунд. Таким образом, скорость реакции определяется скоростью массопереноса, что оставляет место для улучшений за счёт ускорения доставки реактивов. После поступления в проточную камеру каждого нуклеотида, она промывается раствором, содержащим фермент апиразу . Таким образом, перед тем как «запустить» в камеру следующий нуклеотид, из всех лунок удаляются любые нуклеотиды, остававшиеся там от предыдущего раунда.

Включение того или иного нуклеотида детектируется в результате высвобождения неорганического пирофосфата и последующего излучения света. Определить лунки, содержащие бусинки с матричной цепью ДНК, можно, прочитав «последовательность - ключ» адаптерного олигонуклеотида, пришитого к началу каждой ДНК-матрицы. Из регистрируемого сигнала вычитается уровень фона, затем сигнал нормализуется и корректируется.

Интенсивность нормализованного сигнала для каждой конкретной лунки во время поступления в проточную камеру определённого нуклеотида пропорциональна числу встроенных нуклеотидов. Линейность зависимости сохраняется для гомополимеров длиной как минимум в восемь нуклеотидов. При таком секвенировании синтезом очень небольшое число ДНК-матриц на каждой бусинке теряет синхронизм , т. е. вырываются вперёд или начинают отставать от других матриц. Исправление таких сдвигов необходимо, поскольку потеря синхронизма создаёт кумулятивный эффект , сильно снижающий качество прочтения при увеличении его длины. С учетом этого, сотрудники компании 454 разработали особый алгоритм, позволяющий оценивать и вносить поправки на «перелёт» и неполную достройку цепи, происходящие в отдельных лунках. Высокая точность расшифровки последовательности достигается тем, что система осуществляет многочисленное прочтение одного и того же фрагмента, что позволяет построить единую обобщённую (так называемую консенсусную ) последовательность.

Отдельные прочтения (риды – от англ. reаd, читать) одного и того же участка ДНК выравниваются относительно друг друга исходя из интенсивности сигналов в момент протекания через камеру того или иного нуклеотида, а не на основе последовательности этих прочтений. Затем соответствующие сигналы усредняют, и только тогда записывают полученную последовательность. Такой подход значительно улучшает качество расшифровки последовательности и предоставляет возможность оценки её качества.

В 2005 г. учёные из 454 Life Sciences, используя свою технологию, сумели расшифровать состоящий из 600 тысяч нуклеотидов геном бактерии Mycoplasma genitalium с точностью 99,4%, а также состоящий из 2,1 млн нуклеотидов геном Streptococcus pneumoniae .

Рисунок 1 - Схема пиросеквенирования. А - ДНК фрагментируется, к фрагментам пришиваются олигонуклеотиды-«адаптеры»; полученные двуцепочечные молекулы ДНК разделяются на две комплементарные цепи. Б - Одноцепочечные молекулы ДНК прикрепляются к бусинкам в условиях, стимулирующих попадание лишь одной молекулы на бусинку. Отдельные бусинки заключаются в капли реакционной смеси, окруженные маслом. Количество молекул на бусинке увеличивается в миллионы раз в результате эмульсионной полимеразной цепной реакции (эПЦР). В - Эмульсия разбивается, и цепи ДНК-фрагментов, образовавшиеся в результате эПЦР, разделяются. Бусинки, несущие на своей поверхности миллионы одноцепочечных копий первоначального фрагмента ДНК, помещаются в лунки оптико-волоконного слайда, по одной в каждую лунку. Г - В каждую лунку добавляются бусинки поменьше, несущие на своей поверхности ферменты, необходимые для пиросеквенирования. Д - Микрофотография эмульсии, изображающая «пустые» капли и капли, содержащие бусинки с ДНК-матрицей. Толстая стрелка указывает на 100-мкм каплю, тонкая - на 28-мкм бусинку. Е - Микрофотография фрагмента оптико-волоконного слайда, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа. Видны оболочки оптических волокон и пустые лунки

В статье, в которой впервые был представлен и опробован новый метод, сообщается, что весь геном Mycoplasma genitalium был прочтён за один раз! Сначала весь геном был фрагментирован и превращён в библиотеку кусочков ДНК, как описано выше (труд одного человека на протяжении 4-х часов). После проведения эмульсионной ПЦР и помещения полученных бусинок с ДНК-матрицами на 60 мм 2 слайд (на что одному сотруднику потребовалось 6 часов), процесс завершился 4-х часовой автоматической работой инструмента, состоящей из 42 циклов.

В результате сборки прочитанных последовательностей (каждый около 108 пар оснований) было получено 25 отдельных непрерывных фрагментов, так называемых контигов (от англ. contigious –соприкасающийся), средней длиной в 22,4 тысяч пар оснований. Эти фрагменты покрыли около 96,54% всего генома микоплазмы. Из оставшихся непрочтёнными 4,6% генома, 3% приходились на неразрешимые повторы . Таким образом, за один раз было отсеквенировано 99,5% уникальной последовательности генома.

3. Достижения и перспективы секвенирования

Хотя первая версия инструмента от компании 454 Life Sciences легко могла заменить более 50 капиллярных секвенаторов Applied Biosystem 3730XL по цене в шесть раз меньшей, реакция научного сообщества была на удивление прохладной. Вместо того чтобы принять новую технологию и начать использовать её неисчерпаемый потенциал, многие учёные, привыкшие к использованию метода Сэнгера, заговорили о таких проблемах, как точность расшифровки, длина отдельных прочтений, стоимость инфраструктуры... А кто-то просто восставал против необходимости работать с большими массивами информации, производимыми с использованием новой технологии.

Большинство критиков, однако, не заметили, что множество препятствий, стоящих на пути метода секвенирования следующего поколения, преграждали на первых порах путь и методу Сэнгера. Тогда длина прочтений составляла всего 25 пар оснований, и достигла 80 только после появления терминирующих дидезокси-нуклеотидов Фреда Сэнгера. Технология «секвенирования синтезом», основанная на выделении пирофосфата, изначально позволяла прочитывать отрезки длиной не более 100 нуклеотидов. Спустя 16 месяцев на биотехнологическом рынке, этот показатель был улучшен до 250 пар оснований. Последние разработки позволяют считывать уже около 500 пар оснований, приближая новый метод к методу Сэнгера с его ≈1000 нуклеотидами.

Другим важным фактором, помимо длины отдельных прочтений, является число прочтений , производимое в результате одного «прогона » секвенатора, нормированное на стоимость такого «прогона». Этот вопрос хорошо решается конкурентами 454 Life Sciences, системы которых производят в десять раз больше прочтений, платя за это укорочением их длины, составляющей всего 35 (или меньше) нуклеотидов. Сегодня на рынке существует три коммерческих системы нового поколения для секвенирования ДНК:

Roche (454) GS FLX Genome Analyzer, распространяемый Roche Applied Sciences. (Компания 454 LIfe Sciences выкуплена гигантом Roche Diagnostics в марте 2007 г. за 154,9 млн. долларов, но продолжает оставаться независимым подразделением);

Секвенатор Illumina Solexa 1G и

Наиболее свежая система SOLiD от Applied Biosystems.

Другие системы для расшифровки ДНК, которые уже появились на рынке, относятся к «третьему поколению » и основываются на анализе одиночных молекул. Они разрабатывались компаниями VisiGen и Helicos.

И хотя прочтение бактериального генома за раз было впечатляющим достижением, поначалу не было ясно, какие биологические задачи , недоступные старому доброму методу Сэнгера, можно будет решать, взяв на вооружение новый метод пиросеквенирования. И действительно, первые проекты с участием инструмента Roche 454 GS20 заключались лишь в «перечитывании» уже расшифрованных бактериальных геномов и подкреплении дополнительными данными уже идущих больших «Сэнгеровских проектов». В то же время исследования в области метагеномики , помимо работы с огромными массивами данных, порою бóльшими, чем геном человека, страдали от искажений, вносимых на стадиях конструирования библиотек и клонирования фрагментов для секвенирования.

В этом смысле технология 454, сочетающая эПЦР и пиросеквенирование, обладает неоспоримым преимуществом перед методом Сэнгера. Эмульсионная ПЦР позволяет амплифицировать без всяких предпочтений единичные молекулы ДНК, заключая их в капельку эмульсии и устраняя конкуренцию со стороны других ДНК-матриц за ограниченное число ДНК-полимераз. Пиросеквенирование, в свою очередь, осуществляет параллельное прочтение этих матриц со световым сигналом на выходе, который может считываться компьютером. Первые подобные исследования, опубликованные в 2006 году, показали необыкновенную гибкость метода нового поколения, использованного при изучении микробного многообразия подземных экосистем глубокой шахты, глубоководных морских экосистем, морских вирусных «сообществ» («виромов ») в нескольких океанах.

Интересное исследование, сочетающее в себе метагеномный анализ и «ДНК-палеонтологию », было проведено в конце 2005 г. Одного запуска инструмента Roche (454) GS20 было достаточно для анализа 13 млн. пар оснований последовательности генома 28 000-летнего мамонта . Эта работа проложила дорогу для технически более трудного проекта расшифровки генома неандертальца . Трудность такого проекта состоит в том, что количество выделяемой из образцов костей древней ДНК неандертальца составляет всего лишь 5% от количества, получаемого из «свежего материала». Следовательно, секвенировать приходится в 20 раз дольше, чем это необходимо для генома современного человека. Кроме того, вклад разрушения ДНК в образцах, сохраняемых при умеренных температурах, в сочетании с ошибками, присущими новому методу пиросеквенирования, часто превосходит уровень различия, установленный для геномов неандертальца и современного человека. Поэтому утверждать, что полученная последовательность действительно древняя, а не случайно попавшая в препарат современная ДНК, значительно легче в случае с мамонтом - современные слоны, в отличие от людей, не часто встречаются в лабораториях. Для того чтобы получить настоящую последовательность древнего генома млекопитающего, необходимо провести множество раундов прочтения каждого участка генома, а также удостовериться в происхождении прочитанных участков.

Вместе с прорывом в области секвенирования сложных смесей ДНК, такие проекты сделают возможным изучение любой экосистемы на планете на уровне последовательностей ДНК. Это откроет доступ к флоре и фауне 100-тысячелетней давности - возможности, превосходящие самые смелые ожидания совсем недалекого прошлого.

На клеточном уровне секвенирование нового поколения (здесь и далее речь идёт не только о пиросеквенировании, но и о других новых методах секвенирования синтезом) впервые позволяет учёным идентифицировать мутации в любом организме для всего генома. Так были найдены аллели, отвечающие за устойчивость к антибиотику у Mycobacterium tuberculosis , а также идентифицированы все мутации в геноме размером в 9 млн пар оснований у штамма бактерии, эволюционировавшей на протяжении 1000 поколений. Эти ранние попытки не только продемонстрировали способность новой технологии обнаруживать мутации и ошибки в опубликованных научных статьях, но и связанные с её использованием трудности, такие как ошибки прочтения гомополимерных последовательностей при пиросеквенировании (454) или быстрое уменьшение качества прочтения ближе к 3’-концу последовательности в системах с короткой длиной индивидуальных прочтений (Solexa или SOLiD от Applied Biosystem).

Раньше для преодоления этих трудностей данные, полученные пиросеквенированием, дополняли информацией, полученной классическим сэнгеровским путём. Но поскольку стоимость и затраты, требуемые сэнгеровской составляющей эксперимента, остаются отталкивающе высокими, многие лаборатории сегодня полагаются только на методы нового поколения, обычно сочетая относительно длинные прочтения пиросеквенирования с короткими, но дешевыми (а значит, и многочисленными) прочтениями, осуществляемыми системами Solexa и SOLiD. Такое сочетание различных платформ позволяет производить независимую оценку качества их работы, а также проверять эталонные последовательности, хранящиеся в общественных базах данных.

Получение большого количества последовательностей ДНК из различных близкородственных организмов движет вперед и развивает подход, названный повторным секвенированием (resequencing), в котором работа с последовательностями ведётся иначе, чем при сборке свежесеквенированного генома. При повторном секвенировании сборка направляется уже имеющейся под рукой эталонной последовательностью, и поэтому требует значительно меньшего покрытия (8–12-ти кратного), чем при сборке генома de novo (25–70-ти кратного). Этот подход был применён в работе по расшифровке 10 митохондриальных геномов млекопитающих, которая сделала возможными исследования в области генетики популяций, основанные не на коротких отрезках последовательности, а на полных геномах митохондрий. В настоящий момент многочисленные проекты по расшифровке микробных геномов ведутся не только для расширения списка доступных геномов, но и для проведения будущих сравнительных исследований, сопоставляющих генотип и фенотип организма на геномном уровне.

Далеко может продвинуться также и работа по изучению организмов, которые не стоят в планах по геномному секвенированию - благодаря возможностям новых методов секвенирования напрямую расшифровывать последовательности транскриптов (точнее, кДНК - ДНК-копий матричных РНК) в клетке. Изучение транскриптов посредством прямого секвенирования обладает рядом преимуществ перед методом гибридизации на ДНК-микрочипах. Главное здесь то, что секвенирование не требует никаких знаний о геномной последовательности организма a priori , поскольку последовательность транскрипта может быть немедленно сравнена с эталонной последовательностью близкородственного вида из базы данных, используя стандартные алгоритмы биоинформатики. Знание последовательностей транскриптов может в корне изменить исследования организмов, геномы которых сегодня не стоят в очереди на расшифровку, а в некоторых случаях никогда там и не окажутся. Первые работы в этой области показали, что существует возможность сопоставлять последовательности (кДНК и геномные, соответственно) двух таких далёких друг от друга видов, как бобовое Meticago truncatula и растение-эталон Arabidopsis thaliana . Также было обнаружено множество не описанных ранее транскриптов кукурузы Zea mays .

Прямой анализ транскриптов поможет обойти проблему, которую ставят перед учёными организмы с непомерно большими геномами. Несмотря на успешно проведённые проекты по расшифровке вирусных, бактериальных и больших геномов млекопитающих, метод Сэнгера оставил задачу по расшифровке геномов полиплоидных растений своим преемникам. Эти гигантские геномы, частенько принадлежащие важным хозяйственным растениям (например, геном пшеницы составляет 16 млрд пар оснований), делали все предыдущие попытки по расшифровке бесплодными. Однако перспектива дешёвого секвенирования экспрессируемых участков генома (то есть транскриптов) позволяет надеяться на успешное изучение геномов таких растений хотя бы на функциональном уровне.

И наконец, новые методы секвенирования имеют практическое применение и в медицине. Например, в генетике раковых заболеваний, специфические раковые аллели могут быть отслежены в тканях посредством высокопроизводительного секвенирования геномной ДНК в тех случаях, когда метод Сэнгера терпит поражение. И здесь большим преимуществом нового метода оборачивается многократное прочтение последовательности.

Несмотря на то, что новые методы секвенирования ДНК уже стимулировали большое количество всевозможных исследований, осуществление которых было невозможно ещё в недалёком прошлом, учёным и инженерам, занимающимися разработкой этих технологий - а равно как и компаниям, продвигающим эти технологии на рынке, - предстоит многое сделать для её улучшения. Прежде всего, снизить стоимость . Уменьшение цены на один-два порядка необходимо для осуществления надежд на персональную геномику , цель которой - повторное секвенирование индивидуальных геномов по цене, не превышающей 1000 долларов. В дополнение к этому, снижение процента ошибок будет также горячо приветствоваться - не только для методов следующего поколения, но и для метода Сэнгера, который будет продолжать вносить вклад и в обозримом будущем. Возможно, появятся искусственно изменённые специализированные ДНК -полимеразы , предоставляющие информацию о последовательности ДНК в виде испускаемого светового сигнала. По мере того, как стоимость технологий будет снижаться, количество накапливаемой информации будет расти лавинообразно, что может создать «узкое место» в исследованиях. Поэтому часть усилий по разработке новых технологий секвенирования необходимо направить на развитие биоинформатики .

Как наука генетика возникла на рубеже XIX и XX веков. Многие официальной датой ее рождения считают 1900 год, когда Корренс, Чермак и де Фриз независимо друг от друга обнаружили определенные закономерности в передаче наследственных признаков. Открытие законов наследственности состоялось, по существу, вторично - еще в 1865 году чешский ученый-естествоиспытатель Грегор Мендель получил те же результаты, экспериментируя с садовым горохом. После 1900 года открытия в области генетики следовали одно за другим, исследования, посвященные строению клетки, функциям белков, строению нуклеиновых кислот, открытых Мишером в 1869 году, шаг за шагом приближали человека к разгадке тайн природы, создавались новые научные направления, совершенствовались новые методы. И, наконец, в конце XX века генетика вплотную подошла к решению одного из фундаментальных вопросов биологической науки - вопроса о полной расшифровке наследственной информации о человеке.

В реализации грандиозного проекта по расшифровке генетического кода ДНК, получившего название HUGO (Human Genome Organization) приняли участие 220 ученых из разных стран, в том числе и пять советских биологов. В нашей стране была создана собственная программа «Геном человека», руководителем которой стал академик Александр Александрович Баев.

Впервые идея организации подобной программы была выдвинута в 1986 году. Тогда идея показалась неприемлемой: геном человека, то есть совокупность всех его генов содержит около трех миллиардов нуклеотидов, а в конце 80-х годов затраты на определение одного нуклеотида составляли около 5 долларов США. Кроме того технологии 80-х позволяли одному человеку определять не более 100 000 нуклеотидов в год. Тем не менее, уже в 1988 году Конгресс США одобрил создание американского проекта исследований в этой области, руководитель программы Дж. Уотсон так определил ее перспективы: «Я вижу исключительную возможность для улучшения человечества в ближайшем будущем». Осуществление российской программы началось в 1989 году.

Сейчас определение одного нуклеотида обходится всего в один доллар, созданы аппараты, способные секвенировать (от лат. sequi - следовать) до 35 млн. последовательностей нуклеотидов в год. Одним из важных достижений стало открытие так называемой полимеразной цепной реакции, позволяющей из микроскопических количеств ДНК за несколько часов получить объем ДНК, достаточный для генетического анализа. По оценкам специалистов существует возможность завершения проекта через 15 лет, и уже сейчас программа приносит полезные результаты. Суть работ заключается в следующем: сначала проводится картирование генома (определение положения гена в хромосоме), локализация некоторых генов, а после этого секвенирование (определение точной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК). Первым геном, который удалось локализовать, стал ген дальтонизма, картированный в половой хромосоме в 1911 году. К 1990 году число идентифицированных генов достигло 5000, из них картированных 1825, секвенированных - 460. Удалось локализовать гены, связанные с тяжелейшими наследственными болезнями, такими, как хорея Гентингтона, болезнь Альцгеймера, мышечная дистрофия Дюшена, кистозный фиброз и др.

Таким образом, проект исследования генома человека имеет колоссальное значение для изучения молекулярных основ наследственных болезней, их диагностики, профилактики и лечения. Следует обратить внимание на то, что за последние десятилетия в индустриально развитых странах доля наследственных болезней в общем объеме заболеваний значительно увеличилась. Именно наследственностью обусловлена предрасположенность к раковым и сердечно-сосудистым заболеваниям. В значительной степени это связано с экологической ситуацией, с загрязнением окружающей среды, так как многие отходы промышленности и сельского хозяйства являются мутагенами, то есть изменяют человеческий генофонд. Учитывая современный уровень развития генетики можно предположить, что научные открытия будущего позволят путем изменения генома адаптировать человека к неблагоприятным условиям внешней среды. Что же касается борьбы с наследственными заболеваниями, то их лечение путем замены больных генов на здоровые кажется реальным уже сейчас. Все это означает, что человек получит возможность не только изменять живые организмы, но и конструировать новые формы жизни. В связи с этим возникает целый ряд серьезных вопросов.

На мой взгляд одним из наиболее важных вопросов является вопрос об использовании генетической информации в коммерческих целях. Несмотря на то, что и участники проекта HUGO, и представители международных организаций, в частности ЮНЕСКО, единодушны в том, что любые результаты исследований по картированию и секвенированию генома должны быть доступны всем странам и не могут служить источником прибыли, частный капитал начинает играть все большую роль в генетических исследованиях. Когда появилась программа HUGO, возникли так называемые геномные компании, которые занялись самостоятельно занялись расшифровкой генома. В качестве примера можно привести американскую организацию под названием Institute of Genomic Research (TIGR) или компанию Human Genome Sciences Inc. (HGS). Между крупными фирмами идет ожесточенная борьба за патенты. Так в октябре 1994 Крэк Вентер, глава вышеупомянутой компании TIGR, о том, что в распоряжении его корпорации находится библиотека из 35000 фрагментов ДНК, синтезированных с помощью РНК на генах, полученных лабораторным путем. Эти фрагменты сравнили с 32 известными генами наследственных заболеваний. Оказалось, что 8 из них полностью идентичны, а 19 гомологичны. TIGR оказался обладателем ценнейшей научной информации, но его руководители заявили, что химическое строение всех последовательностей из этой библиотеки засекречено и будет сделано достоянием гласности только в том случае, если за компанией будет признано право собственности на все 35000 фрагментов. Это не единственный случай, а между тем, развитие генетики намного опережает развитие соответствующей законодательной базы. Хотя шаги в этом направлении предпринимаются (в России, например, в конце 1996 года был принят закон "О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности", в1995 был принят закон о биоэтике во Франции, в США Акт о гражданских правах запрещает дискриминацию при найме на работу по расовым, половым, религиозным и национальным признакам, при этом ген серповидноклеточной анемии, в частности у негров, может считаться расовым признаком, другой закон запрещает дискриминацию при найме на работу лиц с пониженной трудоспособностью, а таковыми могут считаться и лица с отягощенной наследственностью, большое значение имеет так называемый принцип Тарасовой, обязывающий врачей нарушать конфиденциальность врачебных сведений с целью предотвращения возможного вреда обществу), международных актов, регулирующих все стороны деятельности, связанной с генетикой, пока не существует.