 |
Программа «геном человека».
|
|
|
|
ПЛАН
1. ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………105
2. ПРОГРАММА «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»…………………….. 107
3. ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА И ГЕНЕТИКА ХХI ВЕКА………….. 118
ГЕНОМИКА - КЛЮЧЕВОЕ СЛОВО
НОВОЙ БИОЛОГИИ…………………………………………. 120
5. ПЕРСПЕКТИВЫ ГЕНОМИКИ……………………..………...124
6. ПРОТЕОМИКА………………………………………………… 129
7. МЕТОДЫ ГЕНОМИКИ И СОВРЕМЕННАЯ БИОЛОГИИ 134
8. ПРОГРАММА «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА» И ЭТИЧЕСКИЕ
ПРОБЛЕМЫ ……………………………………………………. 136
ЗАЯВЛЕНИЕ РОССИЙСКИХ УЧАСТИНКОВ
ПРОГРАММЫ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»…………………….. 147
10. СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ……………………………..….… 150
ВВЕДЕНИЕ
Генетика – наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов.
Наследственностью называется свойство одного поколения передавать другому признаки строения, физиологические свойства и специфический характер индивидуального развития.
Изменчивость – это явление, противоположное наследственности. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков, а также в вариабельности их проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой.
Наследственность и изменчивость тесно связаны с эволюцией. Новые свойства организмов появляются только благодаря изменчивости, но она лишь тогда может играть роль в эволюции, когда появившиеся изменения сохраняются в последующих поколениях, т.е. наследуются.
Термины
Секвенирование – аналитически устанавливаемая последовательность пуплендов в молекуле ДНК.
Картирование – определение местоположения генов в ДНК.
Нуклеотид – «алфавит» наследственности состоит из четырех химических элементов, обозначаемых буквами (символами) А, Т, G, С. Их называют «нуклеотидными буквами».
|
|
|
Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, специализированные половые – при половом размножении – и неспециализированные клетки тела (соматические) – при бесполом – несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития. Эти задатки получили название «генов».
Ген есть участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака (например, синтез одной белковой молекулы).
Становление генетики как науки включает в себя несколько этапов:
1-й этап: открытие Г. Менделем (1865г.) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкай гибридологического метода изучения наследственности. Его исследования долгое время не были правильно оценены. Лишь почти 50 лет спустя, вначале XX века, законы Менделя были переоткрыты тремя биологами независимо друг от друга: де Фриз (Голландия), К. Корренц (Германия), О.Герман (Австрия).
2 этап: изучение явлений наследственности на клеточном уровне. Была установлена взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления и созревания половых клеток. Стало ясно, что гены, контролирующие те или иные признаки – ничто иное, как участки хромосом. Т.Г. Морган и его сотрудники создали хромосомную теорию наследственности (1910-1911гг.). Ими установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления.
3 этап: связан с развитием молекулярной биологии. Основные достижения этого этапа:
- сформулирована теория "один ген – один фермент": каждый ген контролирует синтез одного фермента; фермент, в свою очередь, контролирует одну реакцию из целого ряда биохимических превращений, лежащих в основе проявления внешнего или внутреннего признака организма;
|
|
|
- в 1953 году Ф.Крик и Дж. Уотсон создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали.
Программа «геном человека».
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, G и C.
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 Homo sapiens.
Для характеристики конкретного человека (Homo individualis) 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 (Homo civilis). 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, Gen Bank), 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 (Human Genome Organization – 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 и BRCA2 (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".
|
|
|
