Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №14/2001

НОВОСТИ НАУКИ

Н.К. ЯНКОВСКИЙ

Геномика после 2000 г. 

Исследования по проекту «Геном человека» начались в 1988 г. На первом его этапе были получены физические и генетические карты генома. Конечной целью структурного исследования генома на данном этапе является определение последовательности всех 3,3 млрд пар нуклеотидов генома, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом, и идентификация всех генов человека.

Прочтение первого миллиарда пар нуклеотидов заняло у мирового научного сообщества 4 года, следующий миллиард был прочтен за 4 месяца. В 2000 г. завершена «черновая версия» текста последовательности нуклеотидов генома человека – около 90% его длины. Для этого каждый участок генома был трехкратно секвенирован. «Чистовую версию» (с уровнем ошибок не выше 1 на 10 000 нуклеотидов) предполагается закончить к 2003 г. Однако завершение секвенирования генома человека явится не завершением исследования генома, а «концом начала» геномных исследований.

В настоящее время все большее внимание уделяется популяционным и медицинским аспектам исследования генома, его вариабельности, экспрессии генов.

На примере Великобритании, Кипра и Пакистана исследованы пути контроля генетических заболеваний в обществах с различными культурными установками. За последние двадцать лет доля детей, больных талассемией (наследственной гемолитической анемией), снизилась в некоторых из этих стран более чем в 20 раз. Основную роль в этом сыграла возможность выявления наиболее широко распространенных мутаций, вызывающих талассемию, и проведение ДНК-диагностики родителей, плода, а также новорожденных. В упомянутых странах до 80–100% семей с предрасположенностью к талассемии охвачены дородовой диагностикой. Это позволяет прервать беременность либо вовремя начать необходимое лечение ребенка. Проведение такой работы в отношении других заболеваний будет одним из основных социальных последствий медико-генетических исследований, поскольку по данным Б.Моделл (Лондонский университетский колледж) 30% новорожденных детей на Земле появляется в популяциях, для которых характерны близкородственные браки, а 8% браков заключается между кровными родственниками.

Интересны в этой связи медико-генетические исследования, проводимые в Исландии. В этой стране в течение многих веков документировались брачные отношения всех жителей острова (270 тыс. ныне живущих исландцев и 330 тыс. их предков). Поэтому родословная каждой семьи может быть восстановлена на глубину десятков поколений. Популяция генетически гомогенная, и многие признаки прослеживаются от основателя рода. В Исландии создана база данных, в которой под кодовыми номерами хранится информация о состоянии здоровья нации, о типичных генетических признаках, в том числе связанных с наиболее распространенными для значительной части населения заболеваниями.

Такая информация – уникальная основа для выявления и клонирования генов всех тех болезней, которые встречаются у населения. Кроме того, Исландия является полигоном для выработки правил и законов, регулирующих этические и правовые аспекты получения, распространения и использования генетических данных. Пользу от тотальной ДНК-диагностики получают, с одной стороны, индивид, семья и общество (через бесплатное тестирование и медико-генетическое консультирование). С другой стороны, это выгодно науке, поскольку на исследования в этой области выделяются значительные средства, в том числе частными фирмами, заинтересованными в создании ДНК-диагностикумов и соответствующих лекарств.

Геномика находит практическое применение и в других странах. Так, в Финляндии созданы биочипы для определения различий в последовательности нуклеотидов в генах, отвечающих за наиболее распространенные в этой стране наследственные болезни. Стоимость анализа на основе минисеквенирования составляет всего 0,5$. Аналогичная работа в ближайшее время завершится в Эстонии, также на основе биочипов, созданных в этой стране. На научную и коммерческую сцену выходит новое направление в создании чипов. Это так называемые микрофлюидные чипы, или, иначе, «лаборатория в чипе», которые могут помещаться на ладони. Такие чипы совмещают в себе комплекс традиционных приборов, которые в обычном исполнении могут занимать целую комнату. Наиболее значительным достижением в этом направлении является создание системы, тестирующей наличие биологического оружия в полевых условиях за 30 мин.

В области медицинской геномики наблюдается переход от изучения генов, определяющих главным образом моногенные заболевания человека, к генам, которые определяют устойчивость к воздействиям среды или мультигенные заболевания.

Значительных успехов удалось достигнуть в изучении экспрессии генов – синтеза закодированных в них белков. Ведутся работы по характеристике экспрессии генов в различных тканях, созданию ДНК-библиотек. Группа японских исследователей завершает характеристику ДНК-библиотек для 300 типов тканей человека, т.е. практически всех имеющихся типов тканей.

Наиболее ярко демонстрирует экспрессию генов компьютерная трехмерная реконструкция серийных срезов эмбриона мыши, проведенная Д.Дэвидсоном (http://genex.hgu.mrc.ac.uk). Метод позволил скомбинировать анатомические, гистологические данные и данные по тканеспецифичной экспресии генов на каждом этапе эмбрионального развития мыши. Каждый сегмент или вид ткани может быть показан в любой ориентации, представлен изолированно или в комбинации с другими тканями или органами, любая часть изображения может быть сделана прозрачной и т.д. Возможно рассмотрение эмбриона в любой точке и получение срезов в любых направлениях. Выделив какую-либо точку изображения, можно получить описание соответствующего участка – списки экспрессирующихся генов, литературные ссылки и другую информацию.

Предполагается, что в этой базе данных будут представлены все стадии эмбриогенеза мыши от оплодотворения до рождения, что позволит проследить на трехмерной модели динамические изменения морфогенеза, экспрессии генов и т.д. Это совершенно новый этап сопоставления, обобщения и представления данных как в геномике, так и в эмбриологии.

Комбинация транскрипции и трансляции дает огромное разнообразие продуктов, которые мы не можем вывести из известной нам структуры генома. Но структура ДНК, конечно, нужна как единственная надежная основа для осмысления данных, получаемых в научных направлениях, рожденных геномикой. Это транскриптомика, изучающая РНК, протеомика, исследующая белки, метаболомика, изучающая продукты, синтезированные с помощью белков-ферментов, сравнительная геномика.

Разрабатываемые в России программы распознавания генов вполне конкурентоспособны, а имеющиеся заделы позволяют надеяться на дальнейшее продвижение. Однако то, что в России не проводятся работы по массовому секвенированию и анализу экспрессии генов, практически закрывает ряд областей, требующих быстрого и непосредственного доступа к данным и возможность влиять на постановку эксперимента. Взаимодействие биоинформатиков и экспериментаторов особо эффективным могло бы быть в области сравнительной геномики и анализа регуляции экспрессии генов. При этом экспериментальные усилия могут быть существенно сокращены при проведении предварительного компьютерного анализа последовательности изучаемого гена и его ортологов в других геномах.

Френсис Коллинз, руководитель программы «Геном человека» в США, директор Национального института исследований генома человека (National Human Genome Research Institute), дает такой прогноз результатов геномных исследований до 2040 г.

2010 г.

  • Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний.

  • Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры.

  • Широкодоступна предимплантационная диагностика.

  • В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности

  • Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.

2020 г.

  • На рынке появляются лекарства от сахарного диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.

  • Терапия онкологических заболеваний, прицельно направленная на свойства раковых клеток.

  • Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств.

  • Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям.

  • Демонстрация безопасности генной терапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

2030 г.

  • Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой.

  • Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения.

  • Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

  • Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.

  • Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.

2040 г.

  • Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике.

  • Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при или до рождения).

  • Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида.

  • Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

  • Для большинства заболеваний доступна генная терапия.

  • Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемых организмом при ответе на терапию.

  • Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет.

  • Серьезные дебаты о возможности для человека контролировать свою собственную эволюцию.

Техническая информация о состоянии геномных исследований находится в Интернете на сайтах http://www.ornl.gov/hgmis/project/progress.html.

 

Рейтинг@Mail.ru