Геном человека и молекулярная медицина

Лекция № 1

Жизнь любого организма – от бактерии до человека зависит от множества клеточных белков, но их структура, многообразие, сохранение неизменными в ряду поколений и эволюция определяется геномом.

Геном – это наследственный аппарат клетки, содержащий весь объем информации, необходимой для развития организма, его существования в определенных условиях среды, эволюции и передачисех наследственных свойств в ряду поколений.

Наука, изучающая молекулярную структуру геномов живых организмов получила название геномики.

Изучение гнома человека началось в 1985 г. в США. У истоков этих исследований стоял известный биохимик и биофизик Чарлз Кантор. Позже активным инициатором и пропагандистом программы «Геном человека» стал Джеймс Уотсон. В 1995 г. Программа «Геном человека» стала международной, к ней присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии этой программы в нашей стране принадлежит выдающемуся ученому, академику А. А. Баеву (1904 - 1994).
Исходной задачей программы «Геном человека» было создание генетической и физической карт генома человека, которые должны были стать основой расшифровки точной последовательности четырех нуклеотидов всех гигантских молекул ДНК, образующих геном, для чего были разработаны специальные методы секвенирования ДНК. Первоначально программа была запланирована на 15 лет и ее стоимость оцениваласьв 3 млрд.долл. Цена одного шага, т.е. установление положенияодного нуклеотида в цепи ДНК составляла около одногот доллара. Однако, серьезные технические и методические усовершенствования позволили усовершенствовать процесс секвенирования, сделать его более быстрым, эффективным и экономичным. В результате, уже в июне 2000 г. Было объявлено о завершении первого этапа программы – создании «чернового варианта» генома человека. В этом эпохальном достижении участвовали 1100 ученых из 100 научных центров разных стран.

«Черновой вариант» генома человека

Секвенирован не весь геном, а 90 % нуклеотидной последовательности ДНК эухроматиновыхрайонов хромосом. Технически наиболее сложными для секвенирования оказались сателитная ДНК теломерных и околоцентромерных участков хромосом, сильноспирализованные области внутрихромосомного гетерохроматина. Эти участки до сих пор остаются нерасшифрованными.

Основные характеристики «чернового варианта» генома человека

Общая структура генома

Генетический полиморфизм

Число генов

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 из которых составляет, так называемая, «паразитическая» ДНК, функции которой остаются неизвестными. В конце 2002 г при сравнительном компьютерном анализе геномов человека и лабораторной мыши было сделано поразительное наблюдение, позволившее предположить, что именно в повторяющихся участках геномной ДНК (в том числе и «паразитической») закодирована информация, обеспечивающая всю программу индивидуального развития, то есть всю палитру «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 ДНК представителей разных рас не превысила 0,1% и была обусловлена, главным образом, однонуклеотидными SNP- заменами. Такие замены очень многочисленны, их общее число оценивается в 3, 2 млн. Предполагают, что половина всех SNP приходится на смысловую 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 человека стало определение общего числа генов (35-37 тыс.), большая часть которых (около 22000) уже идентифицирована и половина из них (11000) картирована на индивидуальных хромосомах. Следует отметить, что к 2003 году идентифицированы, клонированы и изучены на присутствие мутаций гены практически всех наиболее частых генетических заболеваний.

При расшифровке первичной структуры генома человека установлены следующие его особенности:

- размер генома человека оценен 3164,7 млн. пар нуклеотидов;

- средний размер одного гена около 3тыс. пар нуклеотидов, а самого большого из известных на сегодняшний день – гена дистрофина – 2,7 млн.пар нуклеотидов;

- до сих пор почти ничего не известно о функциях почти половины всех генов человека;

- повторяющиеся последовательности генома не кодируют белки, но они важны для поддержания структуры и функции хромосом и содержащихся в них генов. Кроме того, некоторые из них могут кодировать малые РНК;

- за последние 50 млн. лет в геноме человека, в отличие от генома мыши отмечается резкое снижение включения новых повторяющихся последовательностей;

- районы хромосом, обогащенные Г-Ц парами (светлые участки) содержат много генов;

- районы хромосом, богатые А-Т – блоками (темноокрашенные участки), содержат мало генов;

- гены сосредоточены в областях генома, которые отделены друг от друга протяженными районами некодирующей ДНК;

- смысловые (структурные) гены отделены от бессмысленной «эгоистической» ДНК протяженными монотонными последовательностями из Г-Ц пар, длиной до 30 тыс. пар нуклеотидов (так называемыми Cp-G - островками), которые регулируют функциональную активность генов;

- в отличие от человека, у других организмов гены более равномерно распределены вдоль хромосом;

- благодаря особенностям считывания генетической информации и химическим продуктам трансляции РНК, у человека во много раз больше белков, чем у дрозофилы или нематоды, т.е. с одного гена может считываться иформация для синтеза нескольких белков с различными функциями;

- большинство белков человека тождественны или очень похожи на белки дрозофилы или нематоды и даже растений, но семейства белков, отвечающие за процессы раннего онтогенеза и иммунитет у человека более многочисленны и разнообразны;

- только 94 из 1278 семейств белков, закодированных в геноме человека, свойственны лишь позвоночным;

- пока идентифицированы только около 300 генов, отличающих геном человека от генома лаборторной мыши;

- число повторов в геноме человека (50%) много больше, чем у пшеницы (11%), нематоды (7%) и мухи (3%);

- в геноме человека уже идентифицированы 1, 4 млн. SNP, что очень важно для быстрого картирования новых генов и для изучения генетической предрасположенности к частым (мультифакториальным) заболеваниям, а так же для разработки основ индивидуальной медицины;

- число спонтанных мутаций в сперматозоидах человека превышает таковое в яйцеклетках, что, по-видимому, отчасти связано с большим числом клеточных делений при сперматогенезе.

Программа «Геном человека» была полностью завершена к апрелю 2003 г.

Геном человека и другие направления геномики.

Уже в середине 90-х годов возникли и получили стремительное развитие сравнительная геномика, разнообразие геномов человека, функциональная геномика, социальные, этические и правовые аспекты генома человека.

Новые направления активно проникают во все сферы жизни человека, что позволяет уже сейчас говорить о нарастающей «геномизации» жизни человека.

Помимо генома человека, к настоящему времени секвенированы геномы многих других организмов, в том числе 400 видов бактерий, а так же дрожжей, дрозофилы, нематоды, японской рыбки Pufo, риса, шимпанзе, крысы, кролика, свиньи. Наличие такой информации открывает широкие возможности для сравнительного анализа геномов разных организмов, что важно для понимания процессов эволюции, для картирования гнов человека, для создания универсальной системы классификации живых организмов, исходя из структуры их геномов. Есть основания предполагать, что компьютерный анализ геномов различных животных позволит создать нечто вроде «периодической системы геномов».