WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
INTERNATIONAL HUMAN МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПРОЕКТ GENOME PROJECT “ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА” V. N. SOYFER..

The International Human ‚. ‰‡ ‡, ‡, Genome Project is one of „fl, the most ambitious, costly and potentially useful projects in the history of …Не нужно быть беспочвенным оптимистом, чтобы верить, что через пятьдесят лет “биологичесscience. The progress in кий код” – химическая зашифровка наследственthe fulfillment of this ных свойств – будет расшифрован и прочитан.

С этого момента человек станет полным властеproject was so quick that in лином живой материи...

October 1998 it was realВ.А. Энгельгардт. «Комсомольская правда», ized that the primary draft 9 июня 1957 года of the whole DNA sequence will be completed by 2001.

This project will help to understand the principles В ядре каждой соматической клетки человека соof development of human держится 23 пары хромосом. На каждую из них приorganisms, genetic basis of ходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул в одной клетке тела человека равна почти 2 м, many hereditary diseases, а если учесть, что тело взрослого человека составand mechanisms of aging.

лено примерно из 5 1013 клеток, то общая длина молекул ДНК в организме достигнет 1 1014 м, или ‰‡‰ 1 1011 км, что в тысячи раз превышает расстояние от “ ‚‡” – ‰ Земли до Солнца.

‡· ‰‚Но вернемся к одной клетке. Во всех молеку, ‰„fl лах ДНК одиночной клетки человека содержится 3,2 млрд пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид со‡ ‚‡ стоит из пятиуглеродного сахара, фосфатной груп‚ ‚ ‡.

пы и азотистого основания. Сахара и фосфаты оди ‚ ‚ наковы во всех нуклеотидах, а смысл нуклеотидам ‡ ‡‡ ‚‡ придают основания, которых в ДНК четыре типа.

‡, ‚ - Таким образом, язык генетических записей четырехбуквенный, и если одно основание представляет fl· 1998 „‰‡ · собой одну букву наследственной записи, то от·fl‚, ‚ дельными словами можно назвать генетическую „· ‚‡‡ информацию о порядке аминокислот в кодируемых ‰‚‡ генами белках. Кроме кодировки состава белков в геноме записаны, конечно, другие разнообразные ‰‚ ‚ ‚‡ сведения. Можно сказать, что Природа (либо в ре·‰ 2001 „зультате эволюции, либо в согласии с Божьим про‰. ‚ мыслом) закодировала в ДНК инструкции о том, fl ‡‚как клеткам выживать, как реагировать на внешние воздействия, как должно происходить развитие теfl „‡‡ ‚‡, ла, как стареет организм, предотвращает поломки „ различных частей клеток и множество других сведе„ ‡‰‚ ний. Любая поломка генных инструкций ведет к му· ‡ тациям, и если они случаются в генеративных клет‡fl. ках – сперматозоидах или яйцеклетках, то мутации передаются следующим поколениям. Это может, ‹12, ©.., поставить в рискованное положение само сущест- вания генома человека, а второй – директор этого вование данного вида1. института.

За словами о 3 млрд пар оснований зримо не видно, что же это такое. Гигантский объем инфор“ ” мации, содержащейся в геноме человека, лучше всего иллюстрирует следующий пример: если напе- Чтобы последовательно приближаться к решечатать мельчайшим шрифтом телефонные книги, нию проблемы картирования генов человека, было то чтобы внести в них все знаки из ДНК одной- сформулировано пять основных целей: 1) заверединственной клетки, понадобится отпечатать ты- шить составление детальной генетической карты, сячу тысячестраничных телефонных книг! на которой были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии, не превышающем в Сколько же всего генов, то есть последовательсреднем 2 млн оснований (1 млн оснований приняностей, кодирующих белки, имеется в составе чето называть 1 мегабаза, сокращенно Мб, от англ.

ловеческой ДНК Года три назад называли цифру слова base – основание), 2) составить физические 100 тыс., затем 80 тыс. В конце 1998 года специаликарты каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб), сты по биоинформатике начали склоняться к мыс3) получить карту всего генома в виде охарактеризоли, что на самом деле нужны более осторожные ванных по отдельности клонов (5 тыс. оснований в оценки и что в геноме человека может оказаться клоне, или 5 килобаз, Кб), 4) завершить к 2004 году 50–60 тыс. генов. Важно подчеркнуть, что на их дополное секвенирование ДНК (разрешение 1 оснолю приходится только 3% общей длины ДНК челование) и 5) нанести на полностью завершенную века. Функциональная роль остальных 97% остаетсеквенсовую карту все гены человека (к 2005 году).

ся пока непонятной.

Ожидалось, что, когда все указанные цели будут достигнуты, исследователи определят все функции ге “ ” нов и разработают методы биологического и медицинского применения полученных данных.

Цель проекта заключается в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно должна быть устаВ ходе проекта создают последовательно три тиновлена локализация всех генов, что помогло бы па карт хромосом: генетические, физические и секвыяснить причины наследственных заболеваний и венсовые (от англ. слова sequence – последовательэтим открыть пути к их лечению. В выполнении ность). Выявление всех генов, присутствующих в проекта задействовано несколько тысяч ученых, специализирующихся в биологии, химии, мате- геноме человека, и установление хотя бы примерматике, физике и технике. Это один из самых до- ного расстояния между ними позволят локализорогостоящих научных проектов в истории циви- вать каждый ген в хромосомах. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов и указания лизации. В 1990 году на изучение геномов было места их расположения ответят на исключительно потрачено 60 млн долларов, в 1991 году – 135 млн, важный вопрос о вовлеченности генов в образовав 1992–1995 годах ежегодно выделялось от 165 до ние отдельных признаков организма. Ведь многие 187 млн долларов, а в 1996–1998 годах только США признаки формируются под контролем нескольких расходовали 200, 225 и 253 млн долларов ежегодно.



генов, часто расположенных в разных хромосомах, Об интересе к полученным в ходе реализации и знание локализации каждого из них будет способпроекта результатам говорит такой факт: на сегоствовать лучшему распознаванию законов диффедняшний день самыми цитируемыми авторами во ренцировки клеток, органов и тканей, а также лучвсех областях науки стали Марк Адамс и Крэйг Веншему лечению болезней.

тер. Первый – ведущий сотрудник Института геВ 20-е и 30-е годы XX столетия, когда создавали номных исследований в штате Мэриленд (США), хромосомную теорию наследственности, выяснечастной исследовательской компании, занимаюние положения каждого гена помогло нанести на щейся исключительно работами в области картирогенетические карты сначала дрозофилы, затем кукурузы, а после этого и других видов новые точки, Среди систем, обеспечивающих нормальное функциокак тогда говорили, “генетические маркеры” хронирование генома, важнейшая роль принадлежит системосом. Чисто генетический анализ локализации ме генов так называемой репарации ДНК [2]. Однако эта система не может вылечить собственную ДНК, если чис- маркеров вдоль хромосом помогал насыщать генело возникающих в ДНК повреждений превысит некототические карты хромосом человека новыми сведерое пороговое значение. Поэтому среди внешних причин ниями. Первые данные о положении генов появивымирания тех или иных видов (динозавров, например) лись еще до 1968 года. Затем знания нарастали могла быть и такая причина, как возникновение запрелавинообразно, и в настоящее время примерное дельного числа мутаций, которые организмы были неположение найдено уже для нескольких десятков способны устранить из генома клеток, что привело к гибели динозавров и многие другие виды. тысяч генов. Три года назад степень изученности.. “ ” положения генов была такова, что в среднем рас- вый, когда начинали работу со всей ДНК сразу и стояние между двумя изученными генами состав- шли вниз (разрезали геномную ДНК на небольшое ляло около 10 Мб (говорят, что разрешение на этой число кусков и анализировали их по отдельности, а карте достигло 10 Мб). Для некоторых участков бы- затем воссоздавали всю начальную структуру), с усло достигнуто разрешение до 5 Мб. пехом применили для генетического картирования малых по размеру геномов. Второй подход стали исВторой тип карт – это физические карты хромопользовать для длинных геномов. В последнем слусом. Еще в 60-е годы цитогенетики использовали чае нельзя было надеяться взять всю ДНК и нареметоды окрашивания хромосом для выявления так зать ее на небольшое число кусков. Число их было называемых бэндов (поперечных полосок) на хробы столь большим, что путаница в последовательмосомах. Полосы можно было физически заметить ностях была бы неразрешимой. Поэтому шли снизу в микроскоп. Установление соответствия полос и вверх: сначала секвенировали как можно более генов дало возможность внести в изучение хромодлинные, произвольно выбранные куски, затем сом новые детали. Затем были разработаны методы, прикладывали их друг к другу в надежде найти перепозволившие физически следить за присоединеникрывающиеся концевые участки. Как только нахоем коротких отрезков радиоактивно-меченых или дили перекрытие, куски объединяли в один (его нафлуоресцентно-меченых ДНК к хромосомной ДНК.

зывали контиг). С применением компьютерных и Локализация этих меток повысила разрешение математических методов искали перекрытие все боструктуры хромосом. Использование метода так налее крупных контигов и постепенно шли вверх вызываемой флуоресцентной in situ гибридизации ше и выше. Эту стратегию, в частности, успешно (FISH-метод) дало возможность достичь разрешеприменили для 3-й хромосомы дрозофилы.

ния от 2 до 5 Мб, а потом повысить его (при изучении хромосом делящихся клеток) до 100 Кб. В 70-х годах научились разрезать ДНК на участки фермен- тами, узнающими коротенькие отрезки, в которых информация записана в виде палиндромов (переВажная составляющая проекта “Геном человевертышей), читаемых одинаково в обоих направлека” – это разработка множества новых, как любят ниях: с начала до конца и с конца до начала. Эти говорить журналисты, революционизирующих меферменты были названы рестрикционными [3]. С тодов исследований. Развитые еще до начала выих помощью построили так называемые рестрикциполнения проекта методы (их назвали методами онные физические карты, в короткий срок были первого поколения) включали применение рестразработаны другие физические и химические мерикционных ферментов; создание гибридных мотоды, приведшие к увеличению степени разрешелекул, их клонирование и перенос участков ДНК с ния физических карт в сотни раз.

помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего в Наконец, разработка методов изучения точных клетки кишечной палочки, E. coli и дрожжевые клетпоследовательностей нуклеотидов в ДНК, или меки; иногда этот процесс называют амплификацией тодов секвенирования, открыла путь к созданию генов in vivo); синтез ДНК на матрицах информацисеквенсовых карт, на которых степень разрешения онной РНК (сДНК-синтез); методы секвенировадоведена до своего максимального значения: на ния генов; получение практически неограниченноэтих картах должно быть указано положение всех го количества копий генов с помощью PCR-машин нуклеотидов в ДНК.





(амплификация участков ДНК in vitro); методы, предназначенные для разделения молекул ДНК по плотности, массе, различной вторичной структуре.

Число хромосом и их длина различны у разных В последние 4–5 лет, исключительно благодаря биологических видов. В бактериальных клетках есть проекту “Геном человека”, были развиты новые меодна хромосома, например: у бактерии Mycoplasma тоды (так называемого второго поколения), котоgenitalium геном имеет размер 580 Кб (в нем закоди- рые включают как главный компонент автоматизаровано 470 генов), у бактерии кишечной палочки цию большинства процессов (табл. 1). Почему это (Escherichia coli) геном состоит из 4,2 Мб (4200 ге- направление стало центральным Самая маленькая нов), у растения Arabidopsis thaliana – соответствен- хромосома клеток человека содержит ДНК длино 100 Мб и 25 тыс. генов, у плодовой мушки Droso- ной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) – длиной phila melanogaster – 120 Мб и 10 тыс. генов. У мыши 250 Мб. При существовавших до 1996 года методах и человека ДНК несет примерно по 3 млрд основа- самый большой участок ДНК, выделяемый препаний и содержит предположительно 50–60 тыс. ге- ративно из хромосом, имел длину 350 тыс. основанов. Конечно, для картирования столь разных гено- ний, и на самом лучшем оборудовании можно было мов нельзя в принципе применить одни и те же секвенировать от 50 до 100 Кб в год при стоимости методы. Поэтому были предложены два кардиналь- 1–2 доллара за основание. С такой скоростью можно различающихся по методологии подхода, их ус- но было ожидать завершения работы по полному ловно назвали “сверху вниз” и “снизу вверх”. Пер- секвенированию ДНК человека за 30 тыс. дней, ‹12, Таблица 1. Автоматизированные методы анализа последовательностей ДНК (методы секвенсового анализа), разработанные в рамках проекта “Геном человека” Секвенсовые технологии второго поколения Секвенсовые технологии третьего поколения Высоковольтный капиллярный электрофорез Ускоренное флуоресцентное детектирование отдельных меченых оснований в проточных цитофотометрах Ультратонкий высоковольтный электрофорез Прямое чтение оснований в последовательностях ДНК с использованием сканирующих туннельных микроскопов или микроскопов, работающих на уровне атомного и субатомного разрешений Резонансная ионизационная спектроскопия, Улучшенные методы прямого масс-спектрометрического анализа ДНКпредназначенная для детектирования меток, овых последовательностей созданных с помощью стабильных изотопов Секвенирование путем гибридизации изучаемых высокомолекулярных отрезков ДНК с панелями (ДНК-чипами) коротких отрезков нуклеотидов непрерывной работы при стоимости только секве- таким был путь исследователей, приступивших к нирования (без учета всех остальных операций по разработке проблемы генома человека. Первой крупвыделению и обработке ДНК до секвенирования) ной вехой стало полное картирование в 1995 году ге3 млрд долларов. нома бактерии Hemophilus influenzae. В 1996 году было закончено картирование ДНК дрожжевой клетки Улучшение к началу 1998 года технологии позво(12,5 Мб, 6 тыс. генов), в середине декабря 1998 года лило аккуратно секвенировать 100 Кб в день при был полностью картирован геном круглого червя стоимости около полудоллара за основание. Таким Caenorhabditis elegans (97 Мб и 19 099 генов, что сообразом, за год, если работать без выходных, можно ставляет от 1/3 до 1/4 общего числа генов человека).

узнавать последовательности ДНК длиной 36,5 Мб.

Основные результаты, полученные международОжидается, что разработка новых электромеханиным коллективом ученых, опубликованы в журнале ческих устройств, которые к тому же требовали “Science” (1998. Vol. 282, № 5396. Рp. 2012–2042).

бы меньше реактивов, позволит уже к середине 1999 года достичь пятикратного ускорения работы, Изученные гены человека. С января 1995 до янваа к 2003 году можно будет секвенировать по 500 Мб ря 1996 года длина участков ДНК человека, для ков год при стоимости 25 центов за основание (для че- торых была установлена полная последовательловеческой ДНК эта стоимость будет значительно ность оснований, увеличилась почти в 10 раз. Но меньше). хотя прогресс был налицо, однако все, что было сделано за год, составляло менее одной тысячной процента человеческого генома. Но уже к июлю 1998 года было секвенировано почти 9% всего геВ результате проведенной работы за последние нома (рис. 1), а затем каждый месяц приносил ношесть лет были созданы мощнейшие международвые замечательные результаты. Параллельно изуные банки данных о последовательностях нуклеочили большое числе копий генов в виде сДНК, их тидов в ДНК разных организмов (такие, как GenBank/EMBL/DDBJ) и о последовательностях аминокислот в белках (PIR/SwissPot). Любой специалист в мире может практически беспрепятст- венно войти в эти банки данных и воспользоваться для исследовательских целей собранной там информацией. Решение о доступности информации не было принято сразу, и потребовалась значительная работа как ученых, так юристов и законода- телей, чтобы воспрепятствовать первоначальному желанию многих фирм, особенно коммерческих, патентовать все получаемые последовательности генов, закрыть их для доступа и коммерциализировать эту научную область.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.