Департамент здравоохранения Тюменской области
ГАПОУ ТО «Тобольский медицинский колледж имени В. Солдатова»
Специальность: «Лечебное дело»
КУРСОВАЯ РАБОТА
ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫРАЗВИТИЯ ГЕНОМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Руководитель работы:
Стикина М.Н.
Авторы работы:
Захаренко Л.
Хаирова Ю.
Студентки I курса
Группа: 11 л.д
Оценка: ___________
Тобольск-2017 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА» ……………………………………. 6-8
1.1 История возникновения проекта
1.2 Цели, задачи и содержание программы «Геном человека»
1.3 «Черновой вариант» генома человека
Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ИСЛЕДОВАНИИ ………. 10-18
ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
2.1 Структурная геномика
2.2 Транскриптомика
2.3 Протеомика
Выводы по второй главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………. 18-22
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования.
В настоящее время происходит революция в развитии геномных исследований. Достигнуты серьезные успехи в понимании структуры и функции ДНК, РНК, белков, репликации и функционировании генома, обратной транскрипции, модификации, репарации и рекомбинации ДНК, транскрипции и трансляции мРНК в клетках про- и эукариот. Многочисленные исследования на основе новых биоаналитических методов прояснили основные пути регуляции экспрессии генов. Подробно изучены технологии рекомбинантных ДНК. Создаются различные международные научно-исследовательские проекты, главной целью которых является определение последовательности нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицирование 20—25 тыс. генов в человеческом геноме. Вопросы, касающиеся генов и их изучения актуальны, так как в последние десятилетия в индустриально развитых странах доля наследственных болезней в общем объеме заболеваний значительно увеличилась. Именно наследственностью обусловлена предрасположенность к раковым и, сердечно-сосудистым заболеваниям и.т.д. Учитывая современный уровень развития генетики и генных исследований, можно предположить, что научные открытия будущего позволят изучить характер генов и путем изменения генома адаптировать человека к неблагоприятным условиям внешней среды. Что же касается борьбы с наследственными заболеваниями, то их лечение путем замены больных генов на здоровые кажется реальным уже сейчас.
Цель исследования:
1.Изучить историю развития геномных исследований.
2. Выявить, какие методики применяются для исследования генома человека.
3.Установить результаты этого исследования (фактические и открывшиеся перспективы).
4. Доказать, какова ценность направления в исследовании генома человека.
Задачи исследования:
1.Дать характеристику целям и задачам программы «Геном человека».
2.Описать начальный вариант «Генома человека».
3.Рассмотреть современные направления в исследовании генома человека.
4. Раскрыть значение структурной геномики.
5. Выявить роль метода транскриптомики.
6. Доказать важность науки протеомики.
Объект исследования:
Геном человека.
Предмет исследования:
история геномных исследований, современные направления программы «Геном человека», протеомика, транскриптомика,
ГЛАВА 1. ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»
История возникновения проекта
Научный проект «Геном человека» - это международная программа, конечной целью которой являлось определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). В 1988 г. Министерство энергетики США и Национальный институт здоровья США представили обширный проект, в задачи которого входило секвенирование геномов человека, а также бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши - организмов, которые широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека. На реализацию этого проекта Конгресс выделил 3 млрд дол. (по одному доллару за каждый нуклеотид человеческого генома). Директором проекта был назначен лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон. К проекту присоединились другие страны - Англия, Франция, Япония и др. В 1989 г. по инициативе академика А.А. Баева в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д. Мирзабеков. Независимо от вклада и государственной принадлежности отдельных участников программы с самого ее начала вся получаемая ими в ходе работ информация была открыта и доступна для всех его участников. Двадцать три хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуры 3-й и 19-й хромосом. Однако вскоре финансирование работ по этому проекту было сильно сокращено, и реального участия в секвенировании наша страна не принимала.
1.2 Цели, задачи и содержание программы «Геном человека»
Тем не менее работы по геномному проекту в нашей стране не прекратились: программа была пересмотрена и сконцентрирована на развитии биоинформатики -математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствовании способов описания и хранения геномной информации, которые бы помогли понять и осмыслить расшифрованную информацию. На расшифровку генома человека было отведено 15 лет. Однако постоянное развитие технологии секвенирования позволило завершить проект на 2 года раньше.
Немалую роль в интенсификации работ сыграла частная американская компания Celera, возглавляемая Дж. Вентером (в прошлом - биолог Национального института здоровья США). Если в начальные годы осуществления проекта по всему миру секвенировали несколько миллионов нуклеотидных пар в год, то в конце 1999 г. Celera расшифровывала не менее 10 млн нуклеотидных пар в сутки. Для этого работы велись круглосуточно в автоматическом режиме 250 роботизированными установками, информация сразу же передавалась в банки данных, где систематизировалась, аннотировалась и выкладывалась в Интернет. При проведении работ в 1995 г. Вентер с соавторами разработал и опубликовал совершенно новый подход к секвенированию генома, названный методом произвольного секвенирования полного генома (более известный как произвольное секвенирование методом дробления), который позволял собрать полный геном из частично секвенированных фрагментов ДНК при помощи компьютерной модели. Этим методом впервые был полностью секвенирован геном самореплицирующегося свободно живущего организма - бактерии Haemophilus in-fluenzae Rd. Копии ДНК бактерии были разрезаны на куски произвольной длины от 200 до 1 600 п.о. Эти фрагменты секвенировали по несколько сот с каждого конца. Кроме того, были секвенированы и более длинные фрагменты по 15-20 тыс. п.о. Полученные последовательности были внесены в компьютер, который их сравнивал, распределял по группам и по сходству. Первыми идентифицировались неповторяющиеся последовательности, затем -повторяющиеся последовательности фрагментов. Длинные фрагменты помогали установить порядок часто повторяющихся, почти идентичных последовательностей. Затем заполнялись пробелы между полученными основными кусками ДНК. Секвенирование генома Haemophilus influenzae заняло один год и при этом была определена последовательность 1 830 137 п.о. и 1 749 генов, расположенных на 24 304 фрагментах. Это был несомненный успех, который доказал, что новая технология может быть применима для быстрого и точного секвенирования целых геномов. В 1996 г. картировали геном первой эукариотической клетки - дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма - круглого земляного червя Caenorhabolits elegans. В феврале 2001 г. рабочий вариант генома человека (выполненный на 90 %) был одновременно опубликован в журналах «Nature» - результаты HUGO и «Science» - результаты исследований компании Celera. Анализ полученного варианта генома человека выявил около 25 тыс. генов. Ранее предполагалось, что это количество должно достигать 140 тыс. (если исходить из постулата «один ген кодирует один белок»). В настоящее время представляется возможным, что один ген может кодировать 5-6 белков. Многообразие белков, кодируемых одним и тем же геном, обеспечивается несколькими механизмами: с помощью альтернативного сплайсинга, посттрансляционных превращений белков - фосфорилирования, ацетилирования, метилирования, гликозилирования и многих других.
В 2003 г. был опубликован окончательный вариант полной последовательности генома человека. Вся эта информация является доступной и находится в Интернете на нескольких сайтах. Однако до сих пор некоторые элементы генома не поддаются секвенированию современными технологиями, а наши знания о геноме остаются неполными. Оказалось, что лишь 30 % генома кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов. Каковы функции остальных участков генома и есть ли они вообще, остается совершенно неясным. Около 10 % генома составляют так называемые Alu-элементы длиной около 300 п.о. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции только у приматов. Попав к человеку, они размножились до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом. Что касается кодирующих участков ДНК, то при чисто молекулярно-компьютерном анализе они были названы генами по сугубо формальным критериям: наличию знаков пунктуации, необходимых для прочтения информации и синтеза конкретного генного продукта. При этом время и действие большинства потенциальных генов пока неясны, и для определения их функций может потребоваться не меньше ста лет.
1.3 «Черновой вариант» генома человека
Прежде всего необходимо отметить, что секвенирован не весь геном, а только около 90% нуклеотидной последовательности ДНК эухроматических районов хромосом. Размер эухроматической части генома составляет около 2,9 млрд пар нуклеотидов. Технически наиболее сложными для секвенирования оказались сателлитная ДНК теломерных и околоцентромерных участков хромосом, сильно спирализованные области интеркалярного (внутрихромосомного) гетерохроматина, а также небольшие интерстициальные фрагменты, так называемые гэпы (gap). Эти участки генома пока остаются нерасшифрованными. Кроме того, к 2001 г. были секвенированы геномы лишь нескольких человек. Допустимая погрешность секвенирования в этом случае составляет одну ошибку на 104 пар нуклеотидов. В 2000 г. только хромосомы 21 и 22 были просеквенированы двумя большими международными группами с более высокой точностью.
Как следует из приведенных данных, только 1,2% всей ДНК кодирует структуру молекул белков, тогда как более 80% ДНК представлено повторяющимися нуклеотидными последовательностями различной протяженности, более половины которых составляет так называемая «паразитическая» («эгоистическая») ДНК, функции которой остаются неизвестными. В конце 2002 г. при сравнительном компьютерном анализе геномов человека и лабораторной мыши сделано поразительное наблюдение, позволившее предположить, что именно в повторяющихся участках геномной ДНК (в том числе и в «эгоистической» ДНК) закодирована информация, обеспечивающая всю программу индивидуального развития, то есть, всю партитуру «симфонии жизни», проигрываемой на молекуле ДНК.
Другая особенность заключается в том, что структура геномов людей разных национальностей, разных расовых и этнических групп на 99,9% идентична. Межиндивидуальная вариабельность даже при секвенировании генов представителей белой, желтой и черной рас не превысила 0,1% и была обусловлена, главным образом, однонуклеотидными заменами. Такие замены очень многочисленны, они встречаются через каждые 1-2 пары нуклеотидов и их общее число оценивается в 3,2 млн.. Предполагают, что половина всех однонуклеотидных замен (примерно 1,5 млн.) приходится на смысловую (экспрессирующуюся) часть генома. Именно эти замены, как оказалось, особенно важны для молекулярной диагностики наследственных болезней и играют основную роль в генетическом полиморфизме человека. Важнейшим итогом создания «чернового варианта» генома стало определение общего числа генов человека (около 35000-37000), большая часть которых (около 22000) уже идентифицирована и половина из них (11000) картирована на индивидуальных хромосомах. К 2003 г. были идентифицированы, клонированы и изучены на присутствие мутаций гены практически всех простых наиболее частых наследственных заболеваний.
Выводы по I главе
В процессе данного исследования нами были сделаны следующие выводы:
1.Проект по расшифровке генома человека стал одним из самых больших научных достижений конца ХХ ст.
2. Строение гена человека оказалось намного сложнее, чем думали ученые.
3. Ученые выяснили, что структура геномов людей разных национальностей, разных расовых и этнических групп на 99,9% идентична, даже при секвенировании генов представителей белой, желтой и черной рас не превысила 0,1% и была обусловлена, главным образом, однонуклеотидными заменами.
4. При сравнительном компьютерном анализе геномов человека и лабораторной мыши сделано поразительное наблюдение, позволившее предположить, что именно в повторяющихся участках геномной ДНК (в том числе и в «эгоистической» ДНК) закодирована информация, обеспечивающая всю программу индивидуального развития, то есть, всю партитуру «симфонии жизни», проигрываемой на молекуле ДНК.