Программа генома человека: проблемы, перспективы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО „Мордовский государственный педагогический институт имени М.Е.Евсевьева.”

Естественно-технологический факультет

Кафедра биологии, географии и методик обучения

КУРСОВАЯ РАБОТА

„ПРОГРАММА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА: ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ”

Автор курсовой работы Леонович А.А

Обозначение курсовой работы

Специальность 050102.65 «Биология» с дополнительной специальностью 050101 ,,Химия"

Руководитель работы

кандидат биологических наук Маскаева Т.А.

Саранск 2014



Содержание

Введение

1. Проект

1.1.Предпосылки

1.2.Цели и задачи проекта

1.3.Предмет проекта и доноры генома

1.4.Завершённость проекта

1.4.1.«Черновой вариант» генома человека

1.4.2.Способы достижения результатов

2. Перспективы

2.1.Практическое применение генома человека

2.2.Научная значимость проекта

2.3.Предсказания Коллинза

3. Программа «Геном человека» в России

Заключение

Список использованных источников



Введение

Международная программа «Геном человека» - это международный научно-исследовательский проект, главная цель которого заключалась в определении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека с одновременным установлением локализации всех генов в человеческом геноме.

Этот проект, без преувеличения, является одним из наиболее дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных и актуальных проектов в истории науки. Создание проекта «Геном человека» явилось большим достижением генетиков всего мира, так как оно впервые поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные программы с огромным не только сугубо научным, но и практическим значением. [2]. Разработанные в геномике человека идеи и методы имеют универсальное значение и применимы для решения огромного круга биологических задач, далеко отстоящих от проблемы генома человека. От развития геномики человека в настоящее время выиграла больше всего микробиология, поскольку уже расшифрованы полные геномы свыше ста микроорганизмов. Знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно для создания рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей. Столь же велико влияние геномики на медицинскую генетику, которая занимается генодиагностикой наследственных болезней, а также генетическими основами предрасположенности ко многим распространенным болезням. [5]

На сегодняшний день главная цель проекта достигнута: уже в июне 2007 года было объявлено о создании «чернового варианта» генома человека.[1] Но программа «Геном человека» не прекратила свое существование, она лишь меняет ориентацию: от структурной геномики осуществляется переход к функциональной геномике, предназначенной установить, как управляются и работают гены.

1. Проект

1.1 Предпосылки

«Геном человека» - это своего рода кульминация нескольких десятилетий работы ученых генетиков во всем мире. Задача по расшифровке генома человека долгое время считалось неразрешимой, поскольку исследователи не располагали соответствующими методами и подходами. Все начало меняться уже с 70-ых годов прошлого столетия.

В 1970 году в журнале “Nature” были опубликованы статьи Г. Темином и Д.Балтимором [2], посвященные обратной транскриптазе - ферменту РНК-содержащих вирусов, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, то есть осуществляют реакцию, обратную той, которую до тех пор наблюдали в клетке. Открытие этого фермента позволило выделить первые гены. Но этот процесс был крайне трудоемким и дорогим. Спустя 15 лет американский химик К. Мюллис предложил уникальную полимеразную цепную реакцию (ПЦР). В этой реакции фермент, полимераза, «ходит как челнок» по фрагменту ДНК. Таким образом, ПЦР позволяет нарабатывать любые количества этого фрагмента, необходимые для анализа. ПЦР совместно с появлением новейшей электронной техники и компьютеров сделала вполне реальной задачу расшифровки всего генома человека.

Длительное время ученые находились в поиске эффективных методов, позволяющих определять последовательность нуклеотидов в длинных молекулах ДНК (секвенировать ДНК). Секвенирование протяженных участков ДНК стало возможным лишь в середине 70-х годов, что было связано с изобретением принципиально новых подходов. В 1976 году А.Максамом и У.Гилбертом был разработан метод прямого секвенирования, основанный на химической деградации ДНК. Немного раньше английский ученый Ф.Сэнгер предложил иной способ расшифровки структуры ДНК, который в конечном итоге после некоторых модификаций стал основным.[2]

В 80-е годы специалисты осуществляли расшифровку только коротких молекул ДНК: вирусных, митохондриальных, плазмидных. В 1977 году был секвенирован первый геном: геном бактериофага цX174. При этом использовался метод терминаторов, где в качестве терминаторов использовали дидезоксинуклеозидтрифосфаты. [9] Так были сделаны первые шаги на пути расшифровки генома человека и с этим предложением ученые впервые выступили в 1988 году. В Америке это был знаменитый нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, а в России - академик А.А. Баев. В обеих странах реакция ученых на эти предложения была неоднозначной.

Оппоненты проекта считали поставленную задачу нереальной, ведь ДНК человека в тысячи раз длиннее молекул вирусов и плазмид. Второй аргумент против касался финансовой стороны проблемы: проект потребует миллиарды долларов. Которых недосчитаются другие области науки, поэтому геномный проект затормозит науку в целом. И, наконец: если финансирование осуществится, и геном человека будет расшифрован, то полученные информация не оправдает затрат.

Однако ученые-энтузиасты смогли убедить правительство своих стран, что определение полной структуры ДНК человека - важнейшая и актуальная задача для всего человечества. В результате этих усилий в 1989-1990 годах в США и СССР, а затем и в других странах начали функционировать соответствующие научные программы. Таким образом, с 1988 года ведется отсчет момента старта Международного проекта «Геном человека».^[2] Формально же проект был запущен в 1990 году.[6]

Начиная с 1988 года главой Национального Центра Исследований Человеческого Генома в Национальной Организации Здравоохранения США (NIH) был Джеймс Уотсон. В 1992 его вынудили уйти в отставку, в основном, из-за несогласия с позицией его руководителя, Бернадины Хили по вопросам патентования генов. В апреле 1993 его заменил Френсис Коллинз, а в 1997 году название центра было изменено на Национальный Институт Исследований Человеческого Генома (NHGRI). В это же время в международный консорциум вошли ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Китая, Германии, Японии и России.

1.2 Цели и задачи проекта

Исходной задачей программы «Геном человека», сформулированной Ч. Кантором, было создание генетической и физической карт генома человека, которые должны были стать основой расшифровки точной последовательности четырех нуклеотидов всех гигантских молекул ДНК, образующих геном.[1]

Чтобы последовательно приближаться к решению проблемы картирования генов человека, было сформулировано пять основных целей:

1. завершить составление детальной генетической карты, на которой были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии, не превышающем в среднем 2 млн оснований (1 млн оснований принято называть 1 мегабаза, сокращенно Мб, от англ. слова base - основание);

2. составить физические карты каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб);

3. получить карту всего генома в виде охарактеризованных по отдельности клонов (5 тыс. оснований в клоне, или 5 килобаз, Кб);

4. завершить к 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);

5. нанести на полностью завершенную секвенсовую карту все гены человека (к 2005 году).[2]

Другая, часто упускаемая из виду цель проекта «Геном человека» -- исследование этических, правовых и социальных последствий расшифровки генома. Важно исследовать эти вопросы и найти наиболее подходящие решения до того, как они станут почвой для разногласий и политических проблем.

Все люди имеют в той или иной степени уникальные геномные последовательности. Поэтому данные, опубликованные проектом «Геном человека», не содержат точной последовательности геномов каждого отдельного человека. Это комбинированный геном небольшого количества анонимных доноров. Полученная геномная последовательность является основой для будущей работы по идентификации разницы между индивидуумами. Основные усилия здесь сосредоточены на выявлении однонуклеотидного полиморфизма.

Почти все цели, которые ставил перед собой проект, были достигнуты быстрее, чем предполагалось. Проект по расшифровке генома человека был закончен на два года раньше, чем планировалось. Проект поставил разумную, достижимую цель секвенирования 95 % ДНК. Исследователи не только достигли её, но и превзошли собственные предсказания, и смогли секвенировать 99,99 % человеческой ДНК. Проект не только превзошёл все цели и выработанные ранее стандарты, но и продолжает улучшать уже достигнутые результаты.

1.3 Предмет проекта и доноры генома

Как мы видим из названия и целей проекта его предметом изучения является геном человека, так что же такое геном?

Геном - это наследственный аппарат клетки, содержащий весь объем информации, необходимой для развития организма, его существования в определенных условиях среды, эволюции и передачи всех наследственных свойств в ряду поколений.[1] В настоящее время, когда речь идет о геноме, как правило имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов. Однако необходимо уточнить, что генетическая информация, необходимая для функционировании организмов, содержится не только в ядре, но и в некоторых других органеллах клетки (в частности, в митохондриях). Митохондриальный геном человека невелик оп сравнению с ядерным геномом; однако его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен. [2]

Основу генома человека составляет молекула ДНК - знаменитая «нить жизни», двуспиральная структура которой была предсказана и обоснована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году.

В межгосударственном проекте «Геном человека» (HGP), исследователи из IHGSC отобрали у большого числа доноров образцы крови (женщин) и спермы (мужчин). Из числа собранных образцов источником ДНК стали лишь несколько. Таким образом, личности доноров были скрыты, чтобы ни доноры, ни учёные не могли знать, чья именно ДНК была секвенирована. Во всём проекте были использованы многочисленные клоны ДНК из различных библиотек. Большинство из этих библиотек были созданы доктором Питером де Хонгом (англ. Pieter J. de Jong). Неформально сообщалось, и в сообществе генетиков хорошо известно, что большая часть ДНК в государственном проекте получена от единственного анонимного донора -- мужчины из Буффало (кодовое название RP11).

В проекте компании Celera Genomics для секвенирования использовалась ДНК, поступившая от пяти различных человек. Крейг Вентер, в то время бывший главным научным руководителем Celera Genomics, позднее признался (в публичном письме в журнал Science), что его ДНК была одним из 21 образцов в общем фонде, пять из которых были отобраны для использования в проекте[7].

1.4 Завершённость проекта

1.4.1 «Черновой вариант» генома человека

В феврале 2001 в специальных выпусках двух авторитетнейших научных журналов, «Science» и «Nature» , были раздельно опубликованы результаты исследований «Celera» и HUGO и приведены полные нуклеотидные последовательности генома человека, охватывающие около 90% его длины.[1]

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 гетерохроматина, а также небольшие интерстициальные фрагменты, так называемые гэпы. Эти участки пока остаются нерасшифрованными. Кроме того, к 2001 году были секвенированы геномы лишь нескольких человек. Допустимая погрешность секвенирования в этом случае составляет одну ошибку на 10⁴ пар нуклеотидов.

Одной из особенностью генома человека является то, что только 1,2% всей ДНК кодирует структуру молекул белков, тогда как более 80% ДНК представлено повторяющимися последовательностями различной протяженности, более половина которых составляет так называемая «паразитическая» («эгоистическая») ДНК, функции которой остаются неизвестными. В конце 2002 года при сравнительном компьютерном анализе геномов человека и лабораторной мыши сделано наблюдение, позволившее предположить, что именно в повторяющихся участках геномной ДНК закодирована информация, обеспечивающая всю программу индивидуального развития.

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 - SNP (single nucleotide polymorphisms). Такие замены очень многочисленны и встречаются через каждые 1-2 тысяч пар нуклеотидов и их общее число оценивается в 3,2 млн. Предполагают, что половина всех однонуклеотидных замен 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.

При расшифровке первичной структуры генома человека были установлены следующие его особенности:

1. Размер генома человека оценен .в 3164,7 м.п.н.;

2. Средний размер одного гена около 3 т.п.н., а а самого большого из известных на сегодняшний день - гена дистрофина - 2,7 м.п.н.;

3. До сих пор почти неизвестно о функциях практически половины всех генов человека;

4. Повторяющиеся последовательности генома не кодируют белки, но они важны для поддержания структуры и функции хромосомы и содержащихся в них генах. Кроме того, некоторые из них могут кодировать так называемые малые, или интерферирующие РНК.

5. За последние 50 млн. лет в геноме человека, в отличии от генома мыши, отмечается резкое снижение включения новых повторяющихся последовательностей;

6. Районы хромосом, обогащенные ГЦ-парами (светлые участки), содержат много генов;

7. Районы хромосом, обогащенные АТ-парами (темно окрашенные участки),содержат мало генов;

8. Гены сосредоточены в областях генома, которые отдаленны друг от друга протяженными участками некодирующей ДНК;

9. Смысловые (структурные) гены отделены от бессмысленной «эгоистичной» ДНК протяженными монотонными последовательностями из ГЦ-пар, длиной до 30 т.п.н. (так называемыми CpG-островками), которые регулируют функциональную активность генов;

10. Благодаря особенностям считывания генетической информации (транскрипции) и химическим модификациям продуктов трансляции РНК (белков), у человека во много раз больше белков , чем у дрозофилы или нематоды, то есть с одного гена может считываться информация для синтеза нескольких белков с различными функциями;

11. Большинство белков человека тождественны или очень похожи на белки дрозофилы, нематод и даже растений, но семейства белков, отвечающие за процессы онтогенеза и иммунитет, у человека более многочисленны и разнообразны;

12. Только 94 из 1278 семейств белков, закодированных в геноме человека, свойственны лишь позвоночным;

13. На данное время идентифицировано только около 300 генов, отличающих геном человека от генома лабораторной мыши;

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

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

16. Число спонтанных мутаций в сперматозоидах человека превышает таковое в яйцеклетках, что, по-видимому, отчасти связанно с большим числом клеточных делений при сперматогенезе.[1]

В конце 2002 года появилась информация, что с высокой точностью (99,9%) завершено секвенирование еще восьми хромосом: 5,6,7,14,16,19,20 и Х.[1] Ученые расшифровали последнюю хромосому генома человека. Составлена карта самой сложной хромосомы человека. Хромосома 1 содержит почти в два раза больше генов, чем обычная хромосома, и составляет 8% генетического кода человека. Это самая крупная хромосома стала последней из 23 хромосом человека (22 парных плюс половые), расшифрованной в рамках проекта "Геном человека". В данной хромосоме содержится 3141 ген, в том числе те, которые связаны с такими заболеваниями, как рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона. "Данное достижение закрывает важный этап проекта "Геном человека", - говорит Саймон Грегори, руководитель проекта, которым занимается британский Институт Сэнгера.

Помимо генома человека к настоящему времени секвенированы геномы многих других организмов, в том числе около 400 видов бактерий, а также дрожжей, дрозофилы, нематоды, японской рыбки Pufo (Fugu rubripes), растений - травы (Arabidoptis thaliana) и риса, мыши, шимпанзе, свиньи.

Есть основания предполагать, что компьютеризованный анализ геномов различных организмов позволит создать нечто вроде Периодической системы геномов. Будет ли она по аналогии с известной Периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева двухмерной или окажется многомерной, покажет будущее. Однако сама возможность создания такой биологической Периодической системы сегодня уже не представляется такой фантастичной. Методами сравнительной геномики уже установлена почти полная идентичность геномов человека и шимпанзе, по-новому трактуются вопросы эволюции человека.

1.4.2 Способы достижения результатов

С самого начала работ по геномному проекту мир договорился об открытости, доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Сейчас существуют десятки мощных баз данных, в которых аккумулирована гигантская информация о структуре не только генома человека, но и геномов многих других организмов.[5]

На первых этапах проекта ситуация была не слишком обнадеживающей. В первые два года скорости секвенирования были еще очень низкими. Для полного завершения работы такими темпами понадобилось бы около ста лет. Становилось очевидным, что решение данной задачи невыполнимо традиционными методами, и необходим поиск новых подходов и технологий расшифровки нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК, а также создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. В результате технических новаций постепенно возрастала производительность аппаратуры, стали использовать промышленные роботы, многие процессы были автоматизированы. И вскоре скорость секвенирования достигла 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Тем самым выполнение проекта стало реальностью. За 1995 год скорость секвенирования возросла почти в 10 раз, однако это составляло еще менее 0,001% от всего генома. К июлю 1998года было секвенировано всего около 9% генома.

Примерно в это время к работе по секвенированию ДНК человека присоединилась частная американская компания «Селера Геномикс» (Celera Genomics), возглавляемая Крейгом Вентором и объявившая, что закончит работу на 4 года раньше международного консорциума.[2] Началась беспрецедентная в науке гонка.

Как отмечает Киселев Л.Л.: «Руководитель фирмы Celera Крейг Вентер - совершенно уникальный организатор и ученый. Обычно способности организатора и ученого редко встречаются в одном человеке, почти никогда. Во вторых, Вентер - не только блистательный организатор, но и жутко умный человек. Он собрал всю информацию, которая была получена другими и находилась в публичном доступе. Если говорить грубо, то он гениальный паразит. Он паразитировал на гигантском объеме информации, полученной другими. Но это было на сто процентно законно! И это было разумно, и это было правильно. Он колоссально много выиграл по времени.

Что касается затрат, то по неофициальным данным он затратил столько же денег, сколько затратили другие. Около трех миллиардов долларов.

И последнее. Надо понимать, что Celera является примером индустриальной науки. Триста роботов, триста китайцев и триста компьютеров. Поэтому Celera - это некая специфическая организация решения специфической задачи. Для этой конкретной задачи это было наилучшим решением.

Но такие задачи редки. Если данный опыт распространить на всю науку - это приведет к пагубным последствиям».[4]

По мере продвижения к цели исследований и получения новых, все более ошеломляющих и потенциально важных результатов проект “Геном человека” стал привлекать к себе внимание не только научного, но и делового и финансового мира. Ведь все расширяющийся поток новой информации о генах человека сулил в будущем колоссальные дивиденды.

Ведущие страны Запада начали буквально соревноваться -- кто больше средств вложит в геномные исследования. В мае 1999 года британский фонд “Велком траст” выделил дополнительно 100 миллионов фунтов стерлингов (примерно 167 миллионов долларов) нескольким английским лабораториям, занимающимся изучением генома человека, в том числе Сэнгеровскому центру в Кембридже. Правительство Франции также выделило дополнительно 330 миллионов долларов в бюджет исследовательского центра под Парижем. Таким образом, французы надеялись устранить отставание от США и Великобритании и в будущем обеспечить приток денег за патентование полученных результатов. Германия летом 1999 года резко изменила свой подход к финансированию работ по геному человека. Ученым Германии удалось убедить правительство в необходимости увеличить расходы на исследования генома до 280 миллионов долларов в год. Об увеличении выделяемых на работу по секвенированию генома человека средств объявило правительство Японии, где в последние три года ежегодные субсидии достигли 560 миллиардов иен -- это четверть средств, расходуемых на проект “Геном человека” в США. А в следующие пять лет в исследования генома японцы намереваются вложить 17 миллиардов долларов.Чтобы не отстать в гонке, американцам пришлось увеличить расходы на исследования генома человека.

Таким образом, исследования генома человека показали, что определяющую роль в науке стали играть огромные финансовые вложения, роботизация, автоматизация, дисциплина и координация.[5] За последние десятилетия, исключительно благодаря проекту ''Геном человека'', были развиты новые методы (так называемого второго поколения), которые включают как главный компонент автоматизацию большинства процессов. Проект «Геном человека» можно полноправно считать знаковой работой, символизирующую «индустриальную» науку.

Кроме того, известно, что Международная корпорация HGP и частная компания Celera Genomics использовали разные методические подходы к секвенированию. Celera применяла так называемый метод полногеномного дробовика[9]: при таком подходе секвенирование проводили на всей геномной ДНК, никакого картирования не производилось. Вместо этого и пользовались мощные компьютеры для сборки всего генома из коротких 600-700-звенных нуклеотидных последовательностей. Так, используя этот метод, ученые колоссально экономили время на подготовке генетического материала, поскольку раздробить ДНК на фрагменты достаточно легко, но теряли на том, что неоднократно секвенировали одни и те же фрагменты.

В рамках проекта HGP использовался «иерархический метод дробовика» [9]: одновременное секвенирование методом дробовика нескольких фрагментов из индивидуальных BAC-клонов (бактериальные искусственные хромосомы). Поскольку на этой стадии каждый BAC-клон уже был картирован физически, то положение последовательности на эталонной физической карте могло быть определенно достаточно легко. Однако разные стратегии обнаружили во многом сходные результаты, что позволяет удостоверится в их надежности. Дублирование результатов двух независимых научных коллективов явилось важным положительным моментом на стадии завершения проекта.

В результате проведенной работы были созданы мощнейшие международные банки данных о последовательностях нуклеотидов в ДНК разных организмов (такие, как GenBank / EMBL / DDBJ) и о последовательностях аминокислот в белках (PIR / SwissPot). Любой специалист в мире может практически беспрепятственно войти в эти банки данных и воспользоваться для исследовательских целей собранной там информацией.



2. Перспективы

2.1 Практическое применение генома человека

Одним из главных итогов изучения генома человека стало появление и

быстрое развитие качественно нового раздела медицинской науки - молекулярной медицины. Идентификация многих тысяч структурных и регуляторных генов, выяснение генной природы и молекулярных механизмов многих наследственных и мультифакториальных заболеваний, роли генетических факторов в этиологии и патогенезе различных патологических состояний, в том числе многих инфекций, доказательство генетической уникальности каждого индивидуума - вот достижения, составляющие научную основу молекулярной медицины. Нет сомнения, что молекулярная медицина, включающая генную терапию - это и есть медицина XXI века. геном нуклеид молекула

Следует отметить общепризнанные достижения и быстро развивающиеся направления молекулярной медицины:

1. Разработка точных и эффективных методов диагностики наследственных болезней на любой стадии развития онтогенеза, в том числе и до рождения;

2. Геномная дактилоскопия - точная идентификация личности;

3. Заложены экспериментальные и клинические основы генной терапии наследственных и ненаследственных болезней;

4. Производятся исследования по фармакогенетике - анализу причин особенностей низкой или, наоборот, повышенной чувствительности индивидов или отдельных популяции(этносов) к действию различных лекарственных препаратов или химических веществ, и по фармакогеномике - использование данных геномики для разработки основ индивидуальной терапии и направленному созданию новых лекарств, специфически влияющих на отдельные звенья патологических процессов;

5. Активная разработка молекулярных основ профилактической (предиктивной) медицины.

Таким образом, «всеобщая геномизация», спровоцированная расшифровкой генома человека и других организмов, привела к появлению молекулярной медицины, характерными особенностями которой являются : она носит индивидуальный характер и выраженную профилактическую направленность.

2.2 Научная значимость проекта

Успехи в расшифровке генома человека привели к возникновению ряда новых научных направлений, давших начало одноименным международным программам, таким как «Функциональная геномика» (functional genomics), «Генетическое разнообразие» (human genome diversity), «Этические, правовые и социальные аспекты исследований генома человека» (ethical'legal and social implications - ELSI).

1. По мере стремительного увеличения числа картированных генов, все более очевидным становится недостаток данных об их функциях и, прежде всего, о функциональной значимости тех белков, которые они кодируют. Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5-6 тыс. Какова функция остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов составляет важную стратегическую задачу исследований в программе "Функциональная Геномика". Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток, создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, некодирующих белки; развитие новых технологий по сравнительному анализу экспрессии генов - вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.

2. Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, межиндивидуальные различия геномов как в их смысловой части (экзоны структурных генов), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны, пр.) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму. Последний является предметом пристального изучения быстро набирающей силы программы "Генетическое Разнообразие Человека". Решение многих проблем этногенеза, геногеографии, происхождения человека, эволюции генома в филогенезе и этногенезе - вот круг фундаментальных проблем, стоящих перед этим быстро развивающимся направлением.

3. По мере все более полной "генетизации" жизни человека, т.е. проникновения генетики не только во все разделы медицины, но и далеко за ее пределы, в том числе в социальные сферы, нарастающей заинтересованностью всех слоев мирового сообщества в достижениях генетики, все более очевидным для ученых, чиновников, правительств и просто образованных людей становится необходимость решения многочисленных этических, юридических, правовых и социальных проблем порождаемых успехами в изучении генома человека и познании его функций. Серии Этических, Правовых и Социальных программ, направленных на изучение проблем адаптации человека и общества в целом к восприятию достижений генетики. [7,11]

2.3 Предсказания Коллинза

Фрэнсис Коллинз (Francis S. Collins), руководитель американской программы «Геном человека», в 2000-м году дал следующий прогноз развития медицины и биологии в постгеномную эру:

2010 год - генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, активно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем, особенно это чувствуется в развивающихся странах;

2020 год - на рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде;

2030 год - определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее $1000. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека. Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах;

2040 год - Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (ещё до рождения). Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга. Для многих заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря улучшению социально-экономических условий. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.[8]



3. Программа «Геном человека» в России

В России значение исследований генома человека было осознано в

конце 1980-х гг. Ряд наиболее дальновидных исследователей работали в этой области еще до организации проекта. Инициатива создания российского Государственной научно-технической программы (ГНТП) «Геном человека» принадлежала академику А.А. Баеву.

Постановление СМ СССР о создании научного совета по программе было принято 31 августа 1988 г. Принятию этого решения в большой мере содействовал советник М.С. Горбачева, академик И.Т. Фролов, с которым А.А. Баев обсуждал проект. Программа состояла из семи разделов, три из которых относились непосредственно к проблемам картирования и секвенирования, включая методическое обеспечение и приборы, а остальные - к фундаментальной проблематике и ее приложениям в медицине. Научный совет по программе возглавили члены Отделения физико-химической биологии АН СССР академик А.А. Баев (председатель), академик А.Д. Мирзабеков и член-корреспондент К.М. Дюмаев (заместители председателя). В 1989 г. программа, к участию в которой было привлечено более 1000 ученых из 120 лабораторий, получила, в числе других научных программ, статус Государственной научно-технической программы (ГНТП) ГКНТ СМ СССР и солидное финансирование. В денежном выражении финансирование программы было сравнимо с таковым в США на тот период. Однако существенное отличие советской программы состояло в том, что выделенная сумма должна была покрывать расходы не только на собственно секвенирование геномной ДНК, которому придавалось первостепенное значение, но и на структурно-функциональное изучение генома и разработку приложений для использования в медицинской генетике. В отличие от советской практики, в США исследования по генетике финансировались из других источников.

Процесс интернационализации исследований генома человека имел место задолго до описываемых событий. С 1973 г. регулярно, с периодичностью в два года, собирались рабочие совещания по картированию генома человека. Итоги совещаний, вместе с данными конкретных исследований, публиковались в сборниках, издаваемых В. Мак Кузиком (Университет Джона Гопкинса, Балтимор, Мерилэнд, США). На совещании в Колд-Спринг Харборе (апрель 1988 г.) обсуждалась идея объединить национальные программы. Был предложен совет объединенных исследований, в который вошли 42 ученых из 17 стран. Собравшиеся основали международную организацию для координации исследований по геному человека - Human Genome Organization (HUGO). К этому времени А.А. Баев и А.Д. Мирзабеков смогли, при общем скептическом отношении к перспективе включения советских ученых в эту дорогостоящую и невероятно трудоемкую работу, убедить советское руководство в целесообразности проекта «Геном человека» и сотрудничества в этой области. Через год организация, состоящая из 220 членов, в число которых входило уже пять советских ученых (А.А. Баев, Г.П. Георгиев, Е.Д. Свердлов, Л.Л. Киселев и А.Д. Мирзабеков; последний был избран вице-президентом), была зарегистрирована с официальным местом пребывания в Женеве.

На пути к формализации международного характера программы изучения генома человека и стремления ведущих ученых - Дж. Уотсон, У. Гилберт, Р. Далбекко в США и ряд крупных ученых в Европе - работать в рамках ЮНЕСКО, стояли сепаратистские настроения, отдельных не менее влиятельных ученых, главным образом в США. В Академии наук СССР также высказывалось сомнение в целесообразности присоединения советских ученых к проекту в целом. Здесь преобладало мнение, что проект, будучи неимоверно дорогим, отвлечет средства от других, не менее нужных, но более конкретных медико-биологических исследований, что нежелательно, так как реальный эффект установления полной последовательности нуклеотидов в геноме человека предсказать было достаточно трудно.

Российский проект был ориентирован не столько на тотальное секвенирование, сколько на картирование генома и прочтение последовательности нуклеотидов отдельных, функционально значимых его участков. Участие в работе под контролем HUGO предполагало внесение расшифрованных последовательностей в общий банк данных и получение на этом основании доступа к нему.

Документы научного совета по программе «Геном человека» в СССР и постсоветской России, переданные в Архив РАН , подробно освещают все стороны деятельности совета - собственно исследовательскую, организационную, международную. Международные контакты участников отечественного проекта активизировалось с первых постсоветских годов к 2002 г., когда проект прекратил свое существование. Значимое финансирование, т. е. реально позволяющее выполнять исследования, свелось к минимуму еще раньше, и сохранить эффективные рабочие группы в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Уфе, Томске и др. городах удавалось только частично за счет грантов РФФИ, организованного в 1993 г., и международных фондов, деятельность которых была к этому времени разрешена. В целом работы в России шли независимо от одноименного международного проекта, но научное общение имело огромное значение. Реальным участием именно в международном проекте была научная активность Центра биологических микрочипов, организованного в ИМБ РАН его директором А.Д. Мирзабековым. В условиях начала 1990-х гг., когда был резко ослаблен столь характерный для советского времени контроль за осуществлением международного сотрудничества, по инициативе лидеров российского проекта состоялось несколько рабочих совещаний в Москве. Знакомство руководства и ведущих ученых международного проекта с оригинальным микрометодом анализа в автоматическом режиме последовательности нуклеотидов во фрагментах ДНК, иммобилизованных в каплях геля, разработанным А.Д. Мирзабековым и сотрудниками в ИМБ РАН, привело к предложению Мирзабекову возглавить отдел в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и развивать там перспективную технологию. Сотрудничество, весьма плодотворное для обеих сторон, едва не закончилось конфликтом на фоне перевода работ, связанных с технологией биологических микрочипов, на режим глубокой секретности. За время этого сотрудничества институт получил финансовую поддержку, позволившую сохранить структуру и кадры, а также широко развернуть исследования фундаментального и прикладного направления с дальнейшим развитием ряда приложений технологии в медицинской диагностике и генетике.[3]

Таким образом, российские ученые в расшифровке, то есть в установлении последовательности нуклеотидов, реального участия не принимали. Как только финансирование было обрублено и сведено к абсолютному минимуму, стало необходимо полностью перестроить программу геномных исследований в России. В российской национальной программе важное место занимают, помимо структурного и функционального анализа генома, два направления исследований: компьютерный анализ генома и медицинские приложения - медицинская геномика.

Вклад России в международное сотрудничество признан в мире: 70 отечественных исследователей являются членами HUGO (избрание осуществляется тайным голосованием на основании международных публикаций кандидатов). В международной научной прессе за десятилетие функционирования российской национальной программы опубликовано свыше 400 работ, в банках данных зарегистрировано более миллиона нуклеотидных пар фрагментов ДНК человека, многие сотни маркеров, что имеет большое значение для детального анализа генома человека. Российская геномная программа финансируется Министерством науки и технологий РФ и поддерживается Президиумом РАН.



Заключение

Грандиозный прорыв в познание основ наследственности человека совершило на пороге нового тысячелетия мировое сообщество биологов, объединивших свои усилия в осуществлении международного проекта “Геном человека”. Расшифрована химическая структура ДНК. Стала доступной для “прочтения” практически вся закодированная в генах человека информация.

По прошествии времени можно с уверенностью сказать, что «Геном человека» - это наиважнейший из глобальных проектов в истории науки, который вызвал «геномизацию» жизни человека. Кроме общественного был вызван и научный резонанс: развитие структурной геномики повлекло за собой формирование функциональной и сравнительной геномики, изучение разнообразие геномов человека, особое развитие получила биоэтика. Были организованы одноименные международные программы.

Кроме того расшифровка генома изменила подход к эволюции человека. Сравнительный анализ полных геномов живых организмов позволяет делать выводы о механизмах, этапах и темпов эволюции.

Большинство ученых предсказывают, что будущее стоит за молекулярной медициной, основанной генетических исследованиях и методах лечения.

Таким образом, истекшие 10 лет показали, что новый уровень понимания биологических проблем, сложившийся к настоящему времени благодаря геномным исследованиям, с лихвой оправдал все организационные усилия и финансовые вложения.[5]

Теперь перед учеными стоит задача установления функций всех генов, в глобальном смысле - это установление точных взаимодействий между генами и между их белковыми продуктами, которые обеспечивают координацию всех процессов, происходящих в здоровом организме.[10]

Список использованных источников

1. Асеев М.В. , Геномика - медицине [Текст]/[Асеев М.В. и др.];под ред. В.И.Иванова и Л.Л.Киселева. - М.: Академкнига,2005. - 392с., л.цв.ил.

2. Гнатик Е.Н., Генетика человека. Былое и грядущее. [Текст]/ Е.Н.Гнатик. - М.: издательство ЛКИ, 2007. - 277с.

3. Е.С.Левина. HUGO: российские ученые в международном проекте «Геном человека» // Годичная научная конференция,2007.

4. Л.Л.Киселев. Геном человека в России//Итоги,2000.

5. Л.Л.Киселев. Геном человека и биология XXI века// Вестник Российской Академии наук, т.70, №5;2000. - 424с.

6. Макконки Э., Геном человека [Текст]/ Э.Макконки; пер.с англ. Н.Н. Хромова-Борисова. - М.: Техносфера,2008. - 287с.:ил.;20. - (Мир биологии и медицины).

7. Н.К. Янковский, С.А. Боринская. Сенсация в научном мире: составлена генная карта человека. Какую пользу и какую опасность несет это открытие ученных? //Интерактивная пресс-конференция,2001.

8. Н.К.Янковский. Да, африканцы мы, с раскосыми глазами//Поиск,№52;2000.

9. П. Старокодомский. Геном человека: как это было и как это будет// Коммерческая биотехнолгия,2007.

10. Примроуз С., Тваймен Р., Геномика. Роль в медицине [Текст]/ С. Примроуз, Р.Тваймен. - Бином. Лаборатория знаний,2008. - 277с.

Размещено на Allbest.ru