Геном людини

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ЛЕКЦІЯ
ПРОГРАМА "Геном людини"
Геном секвенували у 2003 р, тобто до п'ятдесятирічного ювілею відкриття подвійної спіралі ДНК (1953), планувалося до 2005 р.
У 1988 р. один з першовідкривачів знаменитої подвійної спіралі ДНК, нобелівський лауреат Дж. Уотсон, привселюдно висловив думку про те, що наука впритул наблизилася до розкриття хімічної основи спадковості, причому не будь-якого нижчого організму, а "царя природи" - людини. У тому ж самому 1988-го з аналогічною ідеєю виступив видатний російський молекулярний біолог і біохімік, академік А.А. Баєв (1904-1994). Після консультацій з колегами він звернувся до М.С. Горбачова з листом, в якому запропонував організувати державний науковий проект з вивчення геному людини. У Росії, як і за її межами, ця ідея також була зустрінута дуже критично, проте час ішов, і дуже скоро наукове співтовариство в усьому світі стало обговорювати її всерйоз. З 1989 р. і в США, і в СРСР функціонують відповідні наукові програми, пізніше в 1999 р. виникла Міжнародна організація з вивчення геному людини (HUGO, Human Genome Project), віце-президентом якої кілька років був академік А.Д. Мірзабеков. Це один з найбільш сміливих, дорогих і потенційно важливих проектів в історії цивілізації. Якщо в 1990 р. на нього було витрачено близько 60 млн доларів в цілому, то в 1998 р. одне тільки уряд США витратило 253 млн доларів, а приватні компанії - і того більше.
Координаційний центр HUGO знаходиться в американському місті Бетесда, недалеко від Вашингтона, і відноситься до системи національних інститутів здоров'я (National Institutes of Health). Очолює його Френсіс Коллінз - директор Інституту геномних досліджень у Бетесде. Центр координував наукову роботу в шести країнах - Німеччині, Англії, Франції, Японії, Китаї і США. Але національні програми з геноміки сьогодні мають більше 20 країн (20 лабораторій), а членами HUGO є представники понад 50 країн. Національні програми є в країнах, що розвиваються, наприклад в Китаї і Бразилії, де уряди розуміють важливість геномної програми. У науковій раді багато років працювали А. Мірзабеков і я. Зараз Росію в ньому представляє професор Н. К. Янковський.
Важливо підкреслити, що з самого початку робіт з геномного проекту світ домовився про відкритість, доступність всієї одержуваної інформації для його учасників незалежно від їх вкладу та державної приналежності. Це означає, що будь-яка лабораторія, закінчивши розшифровку нуклеотидної послідовності будь-якого фрагмента ДНК, зараз він посилає результати в міжнародну базу даних до Америки чи Німеччини. З таких баз даних учені, що займаються біоінформатики, черпають інформацію для своїх розрахунків. Зараз існують десятки потужних баз даних, в яких акумульовано гігантська інформація про структуру не тільки геному людини, а й геномів багатьох інших організмів.
У 1989 р в СРСР за рішенням уряду було відкрито фінансування та організовано Наукова рада за програмою "Геном людини" під керівництвом А.А. Баєва. Розташувався в головному установі програми - Інституті молекулярної біології ім. В.А. Енгельгардта РАН, рада дуже швидко створив інфраструктуру, об'єднав дослідження багатьох розрізнених груп. У Росії за проектом працює близько 100 груп. Всі хромосоми людини поділені між країнами-учасницями, і Росії для дослідження дісталися 3 -, 13 - і 19-я хромосоми.
Російська програма розвивалася по ряду напрямків: медична геноміка, функціональна геноміка та біоінформатика. Одне з головних - біоінформатика. Що це таке? Біоінформатика - комп'ютерний аналіз усієї сукупності даних по нуклеотидним послідовностей ДНК. Зараз в базах даних знаходиться декілька мільярдів нуклеотидних пар людського геному та геномів інших живих організмів. У цьому морі інформації ще потрібно розібратися, описати, зрозуміти, що слід за чим, де початок гена, де його кінець, де регуляторні ділянки. Не визначити, а передбачити. Розшифрувати нуклеотидну послідовність - це все одно, що читати книжку, просто вимовляючи назви букв поспіль. Знайти ген, значить зрозуміти, як букви складаються в слова. Вірогідність правильного передбачення сьогодні досягає 85%. Біоінформатика не дає кінцевої інформації, вона дає вихідну інформацію. А потім наявність того чи іншого гена перевіряється експериментально. Біоінформатика пророкує: ось тут ген починається, а тут - закінчується. Вчені-експериментатори "вирізають" передбачуваний ген з ДНК і перевіряють, чи дійсно цей фрагмент відповідає за синтез певної білкової молекули. Іноді виявляється, що вчені-біоінформатики передбачили гени правильно, а іноді - ні.
Ще один аспект, який особливо бурхливо розвивається в багатонаціональній Росії - це визначення геному різних народностей. Її населяють різні етнічні групи. Виявляється, що геном у різних народностей злегка розрізняється. Можна в ДНК виділити певний "малюнок" нуклеотидів (особливе розташування), який буде говорити про те, що ця людина - башкир, а цей - татарин. Геноми представників різних етнічних груп не ідентичні, але відмінності між ними надзвичайно незначні, хоча і абсолютно достовірні, і тому можливо порівнювати різні етнічні групи.
Такий підхід пов'язує геноміку з історією, лінгвістикою, археологією, Палеонтол ураженнями, етнографією. І виникають разюче цікаві знахідки. Як ви думаєте, до якої етнічної групи ближче всього росіяни?
Слов'яни близькі по материнській лінії (оскільки вивчається мітохондріальна ДНК, що передається дитині від матері) до наших західних сусідів: німцям, угрофіни.
Зараз ведуться роботи з вивчення Y-хромосоми, що набагато складніше, ніж вивчати мітохондріальну ДНК. Через два-три роки ми будемо знати, як виглядає російський етнос по відношенню до своїх сусідів вже по батьківській лінії.
Робота дуже цікава і ведеться досить активно. Беруть участь дослідники з Томська, Москви, Уфи і Тарту (Естонія). Міжнародне співтовариство дивиться на результати наших досліджень в усі очі: адже ми маємо унікальні етноси.
Перш за все, можна буде підбирати лікарські препарати "за національною ознакою". Адже не секрет, що багато ознак зчеплені з приналежністю людини до певної етнічної групи. Тому такі дослідження не тільки дуже цікаві, але вони ще й створюють основу майбутньої індивідуальної медицини.
Нова медицина стане не лише індивідуальної, а профілактичної (превентивної). Лікарі зможуть не тільки лікувати хворобу, а й запобігати її виникнення. Геноміка дозволить зробити і це
В ядрі кожної соматичної клітини людини міститься 23 пари хромосом: на кожну хромосому припадає по одній молекулі ДНК. Довжина всіх 46 молекул ДНК в одній клітці людини дорівнює майже 2 м, кількість нуклеотидних пар складає 6,4 млрд. Загальна довжина ДНК у всіх клітинах людського тіла (їх приблизно 5х10 13) становить 10 11 км, що майже в тисячу разів більше відстані від Землі до Сонця. Кількість генів у людини знаходиться в межах від 30 до 40 тисяч.
Припущення про число генів у геномі людини з моменту початку проекту скоротилося вдвічі (від 80-100 тис). Виявлено велику кількість "безглуздих" ділянок. Вони влаштовані не так, як гени, більше того - це значна частина генома. (95%). Ось в 5% геному, де знаходяться ті самі 32 000 генів, ми знаємо багато про структуру і небагато про функції. По-науковому "безглузді" ділянки називають некодуючими. Деякі американські вчені називають їх "junk" - барахлом, сміттям або "егоїстичної ДНК". Однак, якщо ми не розуміємо, для чого потрібні якісь ділянки ДНК, це ще не означає, що вони - сміття.
У бактерії "безглуздих" ділянок взагалі немає. У дріжджів майже немає. У міру підвищення рівня організації живого організму накопичується все більше некодирующей ДНК. Я думаю, що некодуючі послідовності ДНК можуть виявитися резервуаром еволюції, складом "запчастин". Якщо з яких-небудь геном щось не в порядку, можливо, клітина використовує фрагменти некодирующей ДНК для ремонту пошкодженого гена.
У "безглуздою" ДНК є зіпсовані гени, які загинули в результаті якихось мутацій. Їх називають псевдогенами.
По-друге, наші далекі предки - неандертальці або кроманьйонці хворіли вірусними захворюваннями, і ці віруси (а віруси складаються з молекул ДНК або РНК і білкової оболонки) іноді потрапляли в геном і залишалися там назавжди. Іншими словами, частина нашого геному - молекулярне кладовищі найдавніших вірусів.
Потім, в нашому геномі є маса повторюваних ділянок. Дійсно, дуже цікаво, чому людина - "вінець еволюції" має величезну частку "непрацюючого" генома.

Рис. 2. Приблизне розподілення генів людини з їх функцій.
Рис. 2. Приблизне розподілення генів людини з їх функцій.
1 - виробництво клітинних матеріалів; 2 - виробництво енергії та її використання; 3 - комунікації всередині і поза клітинами; 4 - захист клітин від інфекцій і ушкоджень, 5 - клітинні структури і рух; 6 - відтворення клітин; 7 - функції не з'ясовані
За своїм геномом ми мало відрізняємося від миші. Відмінності в структурі генів - відсотків 10-15, не більше. А від шимпанзе ми відрізняємося на 1,23%. Це показало перше в світі дослідження, проведене міжнародною групою фахівців на чолі з японським професором Іосіюкі Сакаї.
Проблема походження людини стала набагато складніше, ніж вчені думали раніше. Підсвідомо ми сподівалися набрати сотню генів, що відрізняють людину від шимпанзе. І ми скажемо по-французьки "voila" - ось вони ці гени, завдяки яким ми "вибилися" в люди. А поки їх немає.
Відмінності виявлені в іншому: в геномі людини багато вставлених у нього чужорідних елементів - ретровірусів, а у мавп їх майже немає.
Основним завданням програми є побудова вичерпних генетичних карт великого дозволу кожної з хромосом людини, що має завершитися визначенням повної первинної структури ДНК всіх хромосом.
Протягом останніх років дослідження проводилися в наступних напрямках:
1. Комп'ютерний аналіз повного генома людини і його частин на основі інформації у відкритих базах даних. Розробка принципово нових підходів до зберігання, обробки та отримання структурної інформації з баз даних на основі знов створеного програмного забезпечення.
2. Ідентифікація нових генів на основі фізичного, хромосомного та функціоналного картування, клонування і секвенування. Структурний та функціоеналний аналіз знову знайдених генів та регуляції їх активності.
3. Встановлення cause-and-effect генетичних відносин між генами і схильністю до широкораспространенной захворювань різної природи. Виявлення ролі індивідуальних генів і їх мутацій в етіології і розвитку деяких захворювань людини.
4. Розвиток методів генної і геномної діагностики захворювань людини на основезнанія фізичної карти і послідовностей нуклеотидів.
5. Розробка методів генної терапії моногенних захворювань на основі знань про молекулярно-генетичних механізмах їх виникнення та розвитку.
6. Розробка відкритих юридичних, етічскіх, законодавчих / правових, соціальних та інших аспектів досліджень геному і іспольззованія інформації про структуру і властивості геномів окремих? людей. Пророцтва шляхів розвитку медицини та охорони здоров'я на основі нового рівня знань про геном людини та формулювання відповідних практичних пропозицій.
Рішення основного завдання програми «Геном людини» включає наступні етапи.
• На першому етапі необхідно завершити складання детальної генетичної карти і відзначити гени, віддалені один від одного на відстані, що не перевищує в середньому 2 млн підстав (1 млн підстав дорівнює 1 Мегабаза - 1 Мб, від англ. Base - підстава).
• Другий етап передбачає складання фізичних карт низького дозволу кожної хромосоми (дозвіл 0,1 Мб).
• На третьому етапі слід отримати фізичну карту високого дозволу всього геному у вигляді охарактеризованих окремо клонів (клон містить 5 Кб).
• Четвертий етап присвячений визначення повної первинної структури (секвенування) всієї ДНК геному людини (дозвіл - 1 підстава).
• На п'ятому, заключному, етапі необхідно в знайдених послідовностях нуклеотидів локалізувати всі гени організму і визначити їх функціональне значення.
Генетичне картування
Генетичні карти зчеплення. Генетичні карти зчеплення визначають хромосомну приналежність і взаємне розташування генетичних маркерів щодо один одного. Картування у вузькому сенсі - визначення положення гена або мутації в хромосомі. Пізніше цей термін набув більш широке тлумачення. Він відноситься не тільки до гену, але до будь-якого маркеру, під яким мають на увазі ген, мутацію, ділянка ДНК з невизначеною функцією, точку розщеплення ДНК рестріктазами. Таким чином, маркер - це будь-який успадковані ознака, доступний ідентифікації тим чи іншим способом. Встановлення локалізації будь-якого маркера дозволяє використовувати його для визначення становища іншого маркера.
На практиці саме генетичні карти зчеплення і тільки вони дозволяють локалізувати складні генетичні маркери (наприклад, асоційовані з симптомами захворювання) на перших етапах дослідження і дають можливість їх подальшого вивчення.
До початку 70-х років XX ст. побудова генетичних карт людини просувалося дуже повільними темпами. Перший ген людини (ген кольоровий сліпоти) був картірован на Х-хромосомі в 1911 р., а перший аутосомний ген - тільки в 1968 р. До 1973 р. на хромосомах людини було картіровано 64 гена, а до 1994 р. - 5000 структурних генів і понад 60 000 маркерних ДНК-послідовностей. Настільки стрімкий прогрес у картуванні генів людини пов'язаний з появою нових технологій у цітогенеті-ці, в клітинних культурах і особливо в молекулярній генетиці.
Гібридизація соматичних клітин. Одним з найбільш популярних методів віднесення генетичного маркера (функціонально активного гена) до конкретної групи зчеплення є гібридизація (злиття один з одним) соматичних клітин різних біологічних видів організмів, один з яких - досліджуваний. Гібридні клони отримують шляхом штучного злиття клітин людини і різних гризунів: китайського хом'ячка, миші, щура. Культивування таких соматичних гібридів, як виявилося, супроводжується втратою хромосом людини. Втрата хромосом носить випадковий характер, і які утворюються клони клітин містять залишилися хромосоми у різних поєднаннях. Так отримують панелі гібридних клітинних клонів, що містять всього одну або кілька хромосом людини і повний набір хромосом іншого виду. Виявлення людських білків, специфічних мРНК або послідовностей ДНК в таких клонах дозволяє однозначно визначити хромосомну приналежність відповідних генів.
Гібридизація in situ (у тому ж місці). Цей метод дає можливість локалізувати певні послідовності нуклеотидів на хромосомах. Вони виступають в якості зондів. Препарати фіксованих хромосом гибрідизуючою з досліджуваними послідовностями, міченими радіоактивної або флуоресцентною міткою. Мічені молекули виявляються асоційованими з ділянками хромосом, що містять послідовності, комплементарні міченого зонда. Отримані гібриди аналізують за допомогою мікроскопа або безпосередньо, або після радіоавтографіі. Цей метод за частотою використання в останнім часом міцно виходить на перше місце. Найбільш популярною виявилася група методів, які отримали назву флуоресцентної гібридизації in situ - Метод FISH (від англ. Fluorescence in situ hybridization).
Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) дозволила швидко і ефективно ампліфікувати майже будь-яку ділянку геному людини, а отримані продукти ПЛР використовувати в якості зондів для картування відповідних ділянок на хромосомах шляхом гібридизації in situ. У цьому плані успішно розроблено концепцію сайтів, прив'язаних до послідовностей,-STS (від англ. Sequence - tagged sites). Всі фрагменти ДНК, які використовуються для побудови генетичних і фізичних карт, можна однозначно ідентифікувати за допомогою послідовності нуклеотидів завдовжки в 200 - 500 н.п., яка є унікальною для даного фрагмента. Ці сайти амплифицируют за допомогою ПЛР і застосовують як зондів. STS дозволили створити основу для розробки єдиної мови, що дає можливість різним лабораторіям описати свої клони. Кінцевим результатом розробки концепції STS є створення вичерпної карти STS геному людини. Для отримання маркерів в даний час часто застосовують праймери, відповідні дисперговані повторюваним послідовностей, серед яких першими стали використовувати А1u-послідовності, так як вони характерні саме для геному людини. Оскільки в геномі людини більше 90% помірно повторюваних послідовностей представлені родинами А1u і Крn I (останні повторюються рідше і мають характерну локалізацією в хромосомах), вони і використовуються для отримання відповідних зондів в ПЛР-реакції.
Фізичні карти низького дозволу. Фізичні карти геному відображають реальний відстань між маркерами, яке виражається в парах нуклеотидів. Фізичну карту низького дозволу часто називають хромосомної (цитогенетичної) картою геному.
На початку 70-х років XX ст. з'явилася реальна можливість точної ідентифікації не тільки всіх хромосом в каріотипі людини, але і їх окремих сегментів. Це пов'язано з появою мето та диференціального фарбування препаратів метафазних хромосом. Хромосомні препарати забарвлюють деякими флуорохромами після відповідної протеолітичної обробки або нагрівання. При цьому на хромосомах виявляється характерна поперечна смугастість - так звані диски (бенди), розташування яких специфічно для кожної хромосоми. Величина невеликих дисків на прометафазних хромосомах відповідає приблизно 1 млн н.п. на фізичних картах. Кожна хромосома після диференціальної забарвлення може бути розділена на сегменти, нумерація яких починається від Центромерна району вгору (коротке плече р) або вниз (довге плече - q). Смуги в кожному сегменті також пронумеровані в аналогічному порядку. Запис положення гена на карті включає номер хромосоми, плече, номер сегмента, гурту та його субодиниці.
Запис 7 q21.1 означає, що ген локалізований в субодиниці 1-го бенду 2-го сегменту довгого плеча хромосоми 7. Подібна запис зручна для цитогенетичного картування методу гібридизації in situ, що дозволяє локалізувати ген з точністю до одного гурту та навіть його субодиниці.
Хромосомні карти геному людини отримують також локалізацією генетичних маркерів, найчастіше методом FISН: для метафазних хромосом роздільна здатність хромосомних карт перебуває в межах 2 - 5 млн н.п.; для інтерфазних хромосом (генетичний матеріал знаходиться в менш компактній формі) - наближається до 100 тис. н.п. Для цього рівня картування характерні карти кДНК (с. 358). Вони відображають становище експрес-сірующіхся ділянок ДНК (екзонів) щодо відомих ци-тогенетіческіх маркерів (бендів) на метафазних хромосомах. Оскільки такі карти дають уявлення про локалізацію транскрибуються ділянок геному, в тому числі і генів з невідомими функціями, вони можуть бути використані для пошуку нових генів. Цей підхід корисний при пошуку генів, пошкодження яких викликає захворювання людини, в тому випадку, якщо приблизна локалізація таких ділянок хромосом вже проведена на генетичних картах зчеплення (див. рис. 100).
Фізичні карти високої роздільної здатності. Для побудови фізичних карт високого дозволу експериментально реалізується два альтернативних підходи: картування зверху вниз і картування знизу вгору (ріс.В до геному). Для картування зверху вниз препарат ДНК індивідуальної хромосоми людини розрізають крупнощепящімі рестріктазами (наприклад, Not I) на довгі фрагменти, які після поділу методом електрофорезу в пульсуючому полі піддаються подальшій обробці іншими рестріктазами.
Методом електрофорезу під дією односпрямованого постійного поля в агарозному або поліакриламідному гелях вдається розділити фрагменти ДНК розміром не більше 30 -50 тис. н.п. Просування великих фрагментів ДНК в гелі при пульсуючому зміні напрямку електричного поля відбувається за рахунок конформаційних змін, обумовлених скручуванням і розкручуванням молекул ДНК в момент перемикання напрямку поля. У цьому випадку вдається розділити молекули ДНК розміром від 50 тис. н.п. до 10 млн н.п.).
У результаті отримують макрорестрікціонную карту. Метод електрофорезу був з успіхом використаний для картування малих геномів.
Для картування геному людини знизу вгору на основі препарату сумарної ДНК геному або індивідуальної хромосоми отримують серію випадкових клонів протяжних послідовностей ДНК (10 - 1000 тис. н.п.), частина з яких перекривається один з одним. В якості вектора для клонування в цьому випадку використовують штучні мініхромосоми дріжджів (УАС). Послідовний набір клонів, що містять частково перекриваються і доповнюють один одного фрагменти ДНК з певного району геному, отримав назву ковзаючого зондування, або «прогулянки по хромосомі». Кожного разу відібраний фрагмент використовується як ДНК-зонда для подальшого пошуку. У результаті отримують набір клонованих фрагментів ДНК, повністю перекривають досліджувану ділянку геному, що отримав назву «контіг». Ця стратегія вперше була успішно застосована для Вивчення 3-ої хромосоми дрозофіли. З її допомогою рідко вдається пройти більше 200 - 300 тис. н.п. в одному напрямку з-за наявності в геномі повторюваних і важко клонованої послідовностей ДНК. Для подолання таких обмежень і прискорення процесу пошуку генних послідовностей Ф. Коллінз, нині президент Міжнародного консорціуму, запропонував метод «стрибків» по ​​хромосомі, що дозволяє ізолювати фрагменти ДНК, віддалені в геномі один від одного на сотні тисяч пар нуклеотидів (довжина стрибка), не виділяючи при цьому всі проміжні послідовності ДНК.
Правильність отриманих контігов підтверджують зазвичай гібридизацією in situ (FISH) з одночасною прив'язкою до певних ділянок досліджуваних хромосом.
Визначення нуклеотидної послідовності генома людини
Вичерпна фізична карта геному людини повинна являти собою повну послідовність нуклеотидів ДНК всіх його хромосом. До вирішення такою грандіозною за обсягом завдання залучено багато добре фінансовані лабораторії в різних країнах світу, оснащені автоматичними високопродуктивними секвенатори.
Створення в середині 70-х років тепер уже минулого століття двох різних методів розшифровки нуклеотидної послідовності ДНК. Хронологічно першим був метод Максама - Гілберта. У його розробці велику роль відіграв академік Андрій Дарьевіч Мірзабеков. Англійський учений Фред Сенгер запропонував інший спосіб розшифровки структури ДНК. За розробку цих методів Гілберт і Сенгер отримали Нобелівську премію. Цікаво, що для Сенгера ця премія вже друга, першу він отримав за розшифровку амінокислотної послідовності білка інсуліну. Випадок у науці унікальний - один і той же людина перша розшифрував структуру, а білка і ДНК!
- Метод Максама - Гілберта полягає в тому, що молекулу ДНК розбивають на шматочки, потім ці шматочки піддають хімічних впливів, потім спеціальним чином обробляють. Вчені дивляться, що при цьому відбувається з нуклеотидної послідовністю, і на підставі цього роблять висновок про порядок розташування нуклеотидів один за одним в кожному фрагменті ДНК.
Згідно з методом Сенгера молекулу ДНК за допомогою спеціальної обробки ферментами не тільки розщеплюють на фрагменти, але і "розплітають" її подвійну спіраль на дві нитки. Потім по кожному з отриманих обривків, що складаються з окремих нуклеотидних "ниток", за допомогою спеціальних хімічних "запалів" відновлюється відсутня друга нитка нуклеотидів. Але не повністю - її синтез обривають на різних нуклеотидах. При цьому виходив набір ланцюгів ДНК з безперервно змінюється завдовжки - "драбинка". Фрагменти різної довжини позначені на кінцях флуоресцентною міткою, щоб їх було легко виявити.
Треба сказати, що російські біологи внесли істотний внесок у розробку і цього методу. Новосибірський вчений професор Станіслав Костянтинович Василенко пропонував принцип "драбинки" ще до публікації робіт Сенгера, цей же принцип розвивав і академік Євген Давидович Свердлов, директор Інституту молекулярної генетики РАН. Те, що Василенко і Свердлов - предтечі Сенгеровского методу, забувати не варто.
Всі автомати-секвенатори побудовані за принципом методу Сенгера, оскільки він виявився більш зручним для автоматизації та комьютерной реєстрації. Випущена величезна кількість автоматів і стандартних наборів реактивів для аналізу. По суті, секвеніруют вання (тобто визначення нуклеотидної послідовності ДНК) стало рутинною лаборантської роботою. А метод Максама-Гілбера має скоріше історичне, ніж практичне значення.
Ще 15-20 років тому розшифровка нуклеотидної послідовності в 1000 нуклеотидів вважалася майже науковим подвигом, за це можна було відразу отримати ступінь доктора наук. Але вже до 1990 року секвенування ДНК стало масовою технологією. А зараз кваліфікований лаборант проробляє таку роботу менше, ніж за один день.
Розроблені й інші зовсім нові методи секвенування. Один з них базується на можливості вибірково приєднувати важкі атоми металів (нерадіоактивні ізотопи) до певних нуклеотидам з наступним мас-спектрометричним скануванням молекул ДНК, що пропускаються через якнайтонший (нанометровий) мікрокапіляр. Пристрій читає нуклеотидну послідовність практично безпомилково. При цьому не потрібно дорогих і віднімають силу-силенну праці операцій за хімічним секвенированию, використання наборів рестрикційних ферментів і інших хитрувань. Метод почала використовувати компанія "Секвеном", зареєстрована в місті Сан-Дієго (Каліфорнія) і керована Чарлзом Кентор.
Інший підхід заснований на приєднанні флюоресцентних міток до ДНК, розрізуванні ДНК одним або кількома рестрикційних ферментів на досить протяжні шматки і оптичному аналізі шматків. Так як флюоресцентні мітки, сорбуються на індивідуальних нуклеотидах, створюють для кожної ділянки ДНК світиться картинку, характерну тільки для нього, можна порівнювати її з наявними в пам'яті комп'ютерів картинками. Для цього співробітники компанії "Сілер джіномікс" створили прилад оптичного "обстрілу" протяжних ДНК (система Visionade) і математичний алгоритм Gentig. Якщо після оптичного перегляду залишаються сумніви в точності нуклеотидних послідовностей в якихось коротких ділянках, тільки ці ділянки і належить секвенувати хімічно. Оптична "стрілянина" по нарізаним ділянкам ДНК дозволила досягти небувалої швидкості в секвенування: свого часу вивчення геному кишкової палички зажадало роботи декількох сотень людей протягом 12 місяців, у той час як система Visionade допомогла розшифрувати цей же геном у кілька хвилин.
Структура геному людини (за даними секвенування на 2001 р.)
На основі комп'ютерних алгоритмів, побудованих на сучасних уявленнях про загальну структуру гена і про білкових доменах, було розраховано кількість генів, що кодують білки в геномі людини. Міжнародний консорціум визначив 31 780 білок-кодують генів, а фірма Целера Геномікс виявила 39 114 таких генів.
Показано, що типовий ген людини складається приблизно з 28000 н.п. і має 8 екзонів, його що кодує послідовність 1340 н.п., цей ген кодує 447 амінокислот.
Найбільшим геном, знайденим в геномі людини, є ген м'язового білка дистрофина (2,4 • 10 6 н. П.). Фібрилярний білок Титиний, відповідальний за пасивну еластичність скелетних м'язів, складається з 27 000 амінокислотних залишків. Його ген містить 234 екзона. Це найбільша кількість екзонів, поки знайдене в білок-кодують генах людини. Структура і організація генів людини багато складніше, ніж структура генів інших еукаріотів. Дуже часто вони перериваються великими інтрони, 35% генів людини можуть зчитуватися з різних рамок, а 40% РНК піддаються альтернативному сплайсингу. Таким чином, одна послідовність ДНК може кодувати більше одного виду мРНК.
У порівнянні з геномами інших еукаріотичних організмів у людини більше поширення отримали гени, що беруть участь у забезпеченні імунного захисту; у розвитку нервової системи (нейротрофічні фактори, фактори росту нервів), сигнальних молекул, мієлінових білків, потенціал-керованих іонних каналів і синаптичних рецепторних білків; в побудові цитоскелету і рух везикул, забезпеченні внутрішньо-і міжклітинної сигналізації, підтримці гомеостазу. У людини значно більшу кількість генів бере участь в транскрипції і трансляції. З 2000 таких генів 900 відносяться до сімейства білків, які містять «цинкові пальці».
У цілому на частку генів, що кодують білки, припадає 2% геному; на області, що кодують РНК, - близько 20% геному, повторювані послідовності займають більше 50% геному, причому значна частина цієї ДНК виникла за рахунок зворотної транскрипції РНК.
Дослідження структури геному ряду прокаріотів і еукаріотів, і людини зокрема, сприяло створенню науки про геномах - геноміки. У неї включають вивчення геномів на молекулярному, хромосомному, біохімічному і фенотипической рівнях. Нам представлена ​​схема, яка пояснює взаємини між геноміки людини та іншими науковими напрямами в сучасній біології. Структурна і порівняльна геноміка через біоінформатику переходить в новий розділ - функціональну геноміку, головним завданням якої є з'ясування біологічних функцій генних продуктів і в першу чергу білків.
У багатьох сучасних дослідників, що працюють у галузі геноміки, немає сумнівів, що перше десятиліття XXI ст. буде ерою функціональної геноміки та біоінформатики.
У мережі Інтернет можна знайти велику кількість адрес, що містять різноманітну інформацію, що стосується геному людини:
Що можна чекати від геномних досліджень в найближчі 40 років? Ось як сформулював прогноз Ф. Коллінз, керівник програми "Геном людини" (США).

2010
Генетичне тестування, профілактичні заходи, що знижують ризик захворювань, і генна терапія до 25 спадкових захворювань. Медсестри починають виконувати медико-генетичні процедури.
Широко доступна преімплантаційної діагностика, люто обговорюються обмеження в застосуванні даного методу. У США прийняті закони для запобігання генетичної дискримінації та дотримання конфіденційності. Не всім доступні практичні додатки геноміки, особливо в країнах, що розвиваються.
2020
На ринку з'являються ліки від діабету, гіпертонії та інших захворювань, розроблені на основі геномної інформації. Терапія раку, прицільно спрямована на властивості ракових клітин. Фармакогеноміка стає загальноприйнятим підходом для створення багатьох ліків. Зміна способу діагностики психічних захворювань, поява нових способів їх лікування, зміна ставлення суспільства до таких захворювань. Демонстрація безпеки генотерапії на рівні зародкових клітин за допомогою технології гомологічною рекомбінації.
2030
Визначення послідовності нуклеотидів всього генома окремого індивіда стане звичайною процедурою, вартість якої менше 1000 $. Каталогізовані гени, що беруть участь в процесі старіння. Проводяться клінічні випробування за збільшення максимальної тривалості життя людини. Лабораторні експерименти на людських клітинах замінені експериментами на комп'ютерних моделях. Активізуються масові руху противників передових технологій у США та інших країнах.
2040
Всі загальноприйняті заходи з охорони здоров'я засновані на геноміки. Визначається схильність до більшості захворювань (при / до народження).
Доступна ефективна профілактична медицина з урахуванням особливостей індивіда. Хвороби детектируются на ранніх стадіях шляхом молекулярного моніторингу.
Для більшості захворювань доступна генна терапія. Заміна ліків продуктами генів, що виробляються організмом при відповіді на терапію. Середня тривалість життя досягне 90 років завдяки соціоекономічні заходів. Проходять серйозні дебати про можливість людини контролювати власну еволюцію.

Протеоміка

Ця зовсім нова галузь біології, що вивчає структуру і функції білків і взаємозв'язку між ними, названа за аналогією з геноміки, що займалася геномом людини. Саме народження протеоміки вже пояснює, навіщо потрібна була програма Геном людини. Пояснимо на прикладі перспективи нового напрямку
Повернемося до протеоміки. Знання амінокислотних послідовностей та тривимірної структури певних білків дозволило розробити програми зіставлення генетичних послідовностей з амінокислотними, а потім програми можливого розташування їх у тривимірній структурі поліпептидів. Знання тривимірної структури дозволяє швидко знаходити хімічні варіанти молекул, в яких блокований, наприклад, активний центр, або визначати положення активного центру біля мутантного ферменту.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Лекція
65.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Геном людини в медицині клонування
Будова і функції хлоропластів Геном пластид пропластид
Права людини у Загальній декларації прав людини 1948 р та їх розвиток
Специфіка філософського розгляду людини Природа і сутність людини Тілесне і духовне індивідуальне
Макроелементи в організмі людини Захворювання пов`язані з надлишком макроелементів в організмі людини
Каббала і економіка раціональність людини економічного і раціональність людини кабалістичного
Фізіологія людини
Аналізатори людини
© Усі права захищені
написати до нас