Этапы развития геномики

Разделы геномики

Определение генома и геномики.

Введение в геномику.

Прежде всего, определим понятие «геном». Существует несколько определений генома. В энциклопедическом словаре «Генетика» Н.А.Картель и др. даётся два определения генома. Во-первых, под геномом понимают совокупность гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. И, во-вторых, - это весь генетический материал отдельного вируса, клетки или организма не являющегося аллоплоидным. В нашем изложении мы будем исходить из того, что геном клетки это вся совокупность ДНК, находящаяся в ядре и митохондриях (пластидах) этой клетки или организма. Такое определение часто используется в работах связанных с изучением генома.

Строение и функцию генома изучает специальная наука – геномика.

Успехи в изучении генома человека стали наиболее ощутимы в связи с разработкой и последующем выполнением международного проекта «Геном человека». Этот международный проект объединил усилия сотен учёных из разных стран и осуществлялся с 1989 г по 2005 г. Главные направления проекта – картирование генов (определение локализации генов в хромосомах) и секвенирование ДНК или РНК (порядок расположения в ДНК или РНК нуклеотидов). Инициатором этого движения с самого начала стал лауреат Нобелевской премии учёный Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом стал академик Баев А.А. На проект было затрачено свыше 6 млрд долларов. Материальные затраты России были настолько скромными, что их не учитывают при общем подсчёте издержек. Несмотря на это российские учёные проводили исследования по картированию 3,4,13 и 19 хромосоме. Проект позволил полностью расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме человека. Фактически это был первый этап – структурный. Второй этап, который назвали функциональный, будет связан с расшифровкой функции гена. Полученные результаты в области исследования генома легли в основы выпущенного в США Ч. Кэнтором и К. Смит в 2000 году первого учебника для ВУЗов «Геномика».

Геномика подразделяется на пять самостоятельных разделов.

Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геноме, определяет границы и строение генов, межгенных участков, промоторов, энхансеров и др., т.е. фактически принимает участие в составлении генетических карты организма. Подсчитано, что геном человека состоит из 3,2 млрд нуклеотидов.

Функциональная геномика идентифицирует функцию каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Одна из важнейших задач геномики создать, так называемую «генную сеть» - взаимосвязанную работу генов. Например, генная сеть системы кроветворения включает в себя работу не менее 500 генов. Они не только взаимосвязаны между собой, но связаны и с другими генами.

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов.

Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. В применении к человеку, также как и к любому организму, можно сказать, что эволюция человека – это эволюция генома.

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов.

Геномика человека является основой молекулярной медицины и её достижения используются при разработке эффективных методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и не наследственных заболеваний. Если раньше предполагали, что наследственная патология, связана с определёнными генами или регуляторными зонами, то сейчас, всё большее внимание привлекают нуклеотидные последовательности, располагающиеся в межгенных промежутках. Они долгое время считались «молчащими». В настоящее время накапливается всё больше сведений об их влиянии на экспрессию генов.

Исследования в области генома ещё раз подтвердили необходимость индивидуального подхода к профилактике и лечению заболеваний. Значительный интерес представляют для медицины исследования связанные с составлением «генной сети» - схем взаимодействия генов между собой на уровне белковых продуктов. Эти исследования способствовали созданию в рамках геномики новой науки – протеомики, которая изучает белковый пейзаж клетки в различных режимах функционирования генов. Полученные результаты однозначно показывают целесообразность индивидуального подхода к лечению заболевания. Сейчас протеомика – самостоятельная наука, тесно связанная с геномикой.

В этой связи следует подчеркнуть, что тезис «лечить не болезнь, а больного» получил существенное подтверждение в многочисленных исследованиях генома и белков. Основываясь на них приоритетность этого положения в медицинской практике перестала вызывать сомнения.

Хотя геномика как наука появилась сравнительно недавно, но в её становлении уже можно различить несколько этапов.

1 этап. 1900 – 1940 г. На этом этап изучаются менделирующие признаки человека. Метод исследование – генеалогический анализ. Систематическое изучение генома человека фактически началось с развития менделевского анализа наследственных признаков у животных в начале 20 века. В применении к человеку это был генеалогический метод исследования наследственных признаков. На этом этапе учёные в основном выявили менделирующие признаки человека и вплотную подошли к описанию групп сцепления. Обнаружено около 400 менделирующих признаков человека и 4 группы сцепления. Начиная с 50-х годов прошлого века, процесс открытия групп сцепления и менделирующих признаков замедляется. В настоящее время генеалогический метод изучения генома человека в чистом виде себя исчерпал.

2 этап. 1940 – 1980 г. Этап изучения групп сцепления. Методы изучения – генеалогический, цитогенетический и метод гибридизации соматических клеток. Существенный прогресс цитогенетики человека, особенно генетики соматических клеток в 60-х годах в комплексе с генеалогическим подходом поставил изучение генома человека на новые теоретические основы. Внедрение в практику научных исследований биохимических и иммунологических методов существенно ускорило не только открытие новых менделирующих признаков, но и облегчило процесс расшифровки в геноме человека новых групп сцепления генов. К сожалению, знание групп сцепления всё же не позволяет определить точную локализацию генов в хромосомах. А последнее, необходимо для успешного развития генетической инженерии и связанных с ней практических проблем в области медицины, сельского хозяйства и т.д. Поэтому начинают резко увеличиваться число исследований в области составления карт (картирования) генов.

3 этап. 1980 по сегодняшний день. Этап изучения локализации генов в геноме и расшифровка их нуклеотидной последовательности. Методу изучения – биохимические, иммунологические. Этот этап начал формироваться в 1980-х годах с развитием молекулярно-генетических методов и технологии генной инженерии. Процесс познания генома углубился до выделения гена в чистом виде и его секвенирования (установления нуклеотидной последовательности). В США и Великобритании были разработаны и внедрены автоматические приборы по секвенированию геномов. Их назвали геномотроны. В них осуществляется более 100 000 полимеразных реакций в час. Большую роль на этом этапе играют вычислительная техника и информационные системы. Благодаря им, решаются вопросы накопления информации из разных источников, хранения её и оперативное использование исследователями разных стран.

К 1980 г. был полностью картирован геном одной из бактерий, в 1986 году закончено картирование ДНК дрожжевой клетки, в 1998 году полностью картирован геном круглого червя и т.д. К настоящему времени полностью завершено определение последовательности оснований в ДНК более чем 50 представителей животного мира (в основном с малым размером генома – возбудители пневмонии, сифилиса, риккетсии, спирохеты, дрожжей, круглого червя и т.д.). Завершается аналогичная работа и в отношении генома человека. Описано более 19 тысяч различных заболеваний человека, из них около 3 тысяч – наследственные болезни.

Одна из интересных инициатив в области геномики заключается в создании искусственной ДНК, которая содержала бы минимальный набор генов, необходимых клетке для автономного существования. Подсчитано, что для этого потребуется около 350 - 450 генов.

В настоящее время вся нуклеотидная последовательность генома человека расшифрована, решается следующая задача – изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявление генетических различий между индивидуумами. Это позволит перейти к созданию генных портретов (карт) людей. Это с одной стороны поможет успешнее лечить заболевания, с другой ставит ряд серьёзных вопросов. Например, страховые компании могут использовать сведения из генетической карты подающего на страховку человека несущего рецессивный ген болезни, для взвинчивания цен при его страховании.

С другой стороны предполагается, что на следующем этапе развития геномики значительное место займут исследования связанные с расшифровкой функциональных характеристик всех кодирующих и не кодирующих областей генома в приложении к индивидууму.

Индивидуальный подход к изучению структуры и функции генома людей, скорее всего окажется ведущим в развитии этой области генетики.

Международный проект «Геном человека», в котором участвовало несколько тысяч учёных, закончил функционировать в 2000 г. Однако исследования в этом направлении не прекращаются. Это был один из самых дорогостоящих проектов в истории цивилизации, его стоимость более 500 миллионов долларов в год.

К сожалению, Россия приостановила свой вклад в международный проект «Геном человека».