Геном человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧАСТЬ I. СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

ЧТО ТАКОЕ ГЕНОМ?

С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном. Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером. Тогда уже существовал другой научный термин -- генотип, введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма. Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин -- геном. В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. И это стало новым этапом в развитии генетики.

В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов.

ДНК -- МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ГЕНОМА

Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК. Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, -- это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.

в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя).

В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.

Новые сведения о структуре генома человека

На первом этапе непосредственного исследования структуры генома человека, когда еще не существовала методология генной инженерии, для изучения ДНК применяли традиционные физико-химические методы. В этих опытах использовали суммарные препараты ДНК, целиком выделенные из ядер клеток человека.

Пожалуй, первые сведения о молекулярной структуре генома человека были получены в результате центрифугирования в пробирке растворов ДНК в хлористом цезии при довольно высоких скоростях.

Рпределение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека

Длительное время искали эффективные методы, позволяющие определять последовательность нуклеотидов в длинных молекулах ДНК (такое определение нуклеотидной последовательности получило название секвенирование, В данном случае осуществляется специфическая химическая фрагментация длинной цепи ДНК (полинуклеотида), радиоактивно меченной с одного конца. Затем препарат меченой ДНК разделяют на четыре порции и каждую из них обрабатывают реагентом, модифицирующим одно или два из четырех оснований, содержащихся в ней. После разделения в специальном геле меченых фрагментов по размерам (с помощью электрофореза) на рентгеновских пленках смотрят, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делают вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК. Однако метод оказался довольно сложным. В становлении этого метода на его начальных этапах существенную роль сыграл российский ученый академик А. Д. Мирзабеков, работавший в лаборатории У. Гилберта.

Секвенирование геномов

Однако в случае такого очень сложного генома, как геном человека, начали с другого, а именно с определения положения известных генов и других генетических маркеров на отдельных хромосомах, то есть с генетического картирования генома. Подобную задачу генетическими экспериментами на более простых объектах пытался решить еще Т. Морган, который за свои работы получил Нобелевскую премию в 1933 году. Теперь появились более эффективные методы. Один из них, называемый методом «радиационных гибридов», заключается в следующем. Клетки человека, растущие вне организма в питательной среде, облучают рентгеном, что приводит к гибели клеток в результате разрыва хромосомной ДНК на куски, содержащие от 2,5 до 25 млн. п. н. Но прежде, чем убитые облучением клетки распадутся, их сливают с клетками хомяка, в результате чего в разные клетки хомячка попадают разные наборы фрагментов ДНК человека. Затем «гибридные» клетки размножают в культуре, при этом в них наряду с собственной ДНК реплицируются и фрагменты чужеродной ДНК. Затем определяют состав известных генов и других генетических маркеров в каждой клеточной линии и, статистически обработав полученные данные, выводят наиболее вероятное их взаимное расположение в хромосомах. В качестве генетических маркеров использовали как гены, так и фрагменты ДНК с неизвестной функцией. Для картирования хромосом важным свойством маркеров являлся их полиморфизм, т. е. существование разных форм среди индивидуумов.

Так были построены первые генетические карты генома человека, на которых первоначально были отмечены различные генетические маркеры, отстоящие друг от друга на расстоянии не более 2 миллионов нуклеотидных пар (млн. н. п.).

После появления эффективных методов секвенирования ДНК и нескольких стратегий использования этого метода стал стремительно нарастать вал расшифрованных нуклеотидных последовательностей, в первую очередь таких простых организмов, как вирусы, а также отдельных клонированных фрагментов ДНК различных видов высших организмов.

Проект «Геном человека»

В 1988 году был создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Главой работ по полному секвенированию генома человека стал нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. Одновременно в России с этой же идеей выступил академик А. А. Баев. Государственная программа «Геном человека» была принята в этом же году в Советском Союзе. Позднее к программе подключились другие страны, и широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации Human Genom Organisation (HUGO).

Из 24-х хромосом генома человека ученые России в основном концентрировались на 3-й, 13-й и 19-й хромосомах. При этом непосредственно секвенированием ДНК они занимались очень мало, основное внимание было обращено на структурно-функциональные исследования генома. В материальном отношении наш вклад был настолько скромен, что сейчас при общих подсчетах его вообще не учитывают.

Проект «Геном человека» оказался одним из наиболее дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки.

Итак, на сегодняшний день в основном геном человека секвенирован, т. е. определен порядок расположения нуклеотидов во всех молекулах ДНК на всех хромосомах. Текст этот огромен. По последним данным он состоит из 3,2 миллиардов «букв». Вся эта информация теперь содержится в сверхмощных компьютерах (книга с этим текстом не издана и едва ли будет издана когда-либо).

Важно понимать, что все произошедшее не означает автоматически, что геном человека расшифрован, что мы можем уже этот текст читать как любую другую книгу без всяких проблем. Секвенирование (определение последовательностей нуклеотидов) не приводит автоматически к пониманию того, что написано (т. е. собственно говоря, к расшифровке). С имеющимся текстом предстоит еще очень долго разбираться, в частности, правильно расставить знаки пунктуации, выверить опечатки и др. Где-то они уже намечены, а где-то еще предстоит их проставить. Расшифровать нуклеотидную последовательность -- это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген значит понять, как буквы складываются в слова. Но нужно еще понять и смысл фразы. И это теперь основная проблема. Кроме того, следует еще добавить, что ДНКовый текст написан на «мертвом» языке, в расшифровке которого науке помочь попросту некому -- надеяться нужно только на себя.

На основании полученных данных мы сегодня имеем общую характеристику нуклеотидных последовательностей ДНК, образующих геном человека, которая не будет существенно пересмотрена в дальнейшем. Можно ожидать, что множество деталей еще будет уточняться и меняться, но общая характеристика безусловно останется неизменной.

Теперь вспомним основные этапы, по которым двигалась наука на пути к достижению полного секвенирования генома человека.

ОСНОВНЫЕ ВЕХИ ГЕНЕТИКИ И ГЕНОМИКИ

геном человек дезоксирибонуклеиновая кислота

1865 год

Открытие Г. Менделем (1822-1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.

1868 год

Ф. Мишер из спермы лосося выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой).

1871 год

Ч. Дарвин публикует свою книгу «Происхождение человека и половой отбор».

1875 год

Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды.

1900 год

Формальное рождение генетики как науки. Независимая публикация статей Г. де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов наследования. «Переоткрыты» и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.

1902 год

В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности.

1905 год

У. Бэтсон предлагает слово «генетика» (от греч. ???????? -- порождать) для нового направления науки.

1910 год

Т. Г. Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом (Нобелевская премия 1933 г. по физиологии и медицине за экспериментальное обоснование хромосомной теории наследственности).

А. Кёссель получил Нобелевскую премию по химии за установление того, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.

1922 год

Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» -- о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп. Закон Вавилова установил определенные правила формообразования и позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).

1925 год

Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер проводят первый цикл работ по радиационным методам индукции мутаций.

1926 год

С. С. Четвериков написал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции.

1927 год

Г. Мюллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей, за что в 1946 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

Н. К. Кольцов выдвинул идею матричного синтеза, которая и сегодня отвечает современным представлениям биологов: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул -- генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой».

1928 год

Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит).

1929-1930 годы

А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена; первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена.

1931 год

Барбара Мак-Клинток продемонстрировала наличие кроссинговера.

1934 год

Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли особый тип эффекта положения.

Б. Л. Астауров осуществил успешные опыты по получению у шелкопряда потомства из неоплодотворенных яиц (одно из самых интересных достижений в прикладной генетике того времени).

1935 год

Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк осуществили экспериментальное определение размеров гена. Ими дана трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК.

1940 год

Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали теорию «один ген -- один фермент». (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1958 г.).

1943 год

И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами.

1944 год

О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. Начало «эры ДНК».

М. Дельбрюк, С. Лурия, А. Херши произвели пионерские исследования по генетике кишечной палочки и ее фагов, после чего эти объекты стали модельными для генетических исследований на многие десятилетия. (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1969 год за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов).

Л. А. Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака.

1950 год

Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа», которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г -- числу Ц.

Б. Мак-Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. С большим опозданием (только в 1983 г.) она получила за это Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

1951 год

Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгеннограмму молекулы ДНК.

1953 год

Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. В 1962 году им совместно с М. X. Ф. Уилкинсом присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

1956 год

Ю. Тио и A. Леван установили, что диплоидный набор хромосом у человека равен 46.

А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке -- ДНК-полимеразу I. В 1959 году он совместно с С. Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизма биологического синтеза РНК и ДНК.

1958 год

М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК.

1960 год

Открытие РНК-полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом.

И. А. Рапопорт сообщил об открытии «супермутагенов».

1961 год

В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» -- кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. В 1968 году все трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которая была присуждена им «за расшифровку генетического кода и его функционирования в синтезе белков».

Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов -- структурных, отвечающих за синтез специфических (ферментных) белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. В 1965 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. М. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.

1962 год

Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка).

Дж. Кэндрью и М. Перутц были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина.

1965 год

Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.

1966 год

Б. Вейс и С. Рихардсон открывают фермент ДНК-лигазу.

1969 год

Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген.

1970 год

Открытие обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК с использованием комплементарной РНК в качестве матрицы. Это было сделано будущими Нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине (1975) Г. Теминым и Д. Балтимором.

Выделена первая рестриктаза -- фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах. За это открытие в 1978 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Д. Натансу, Х. Смиту и В. Арберу.

1972 год

В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 г. вручена П. Бергу и Г. Бойеру). Заложены основы генной инженерии.

1973 год

С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.

1974 год

С. Милстайн и Г. Келер создали технологию получения моноклональных антител. Ровно десять лет спустя они (вместе с Н. К. Ерне) получили за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Р. Д. Корнберг описывает структуру хроматина (нуклеосомы).

1975 год

С. Тонегава показал различное расположение генов, кодирующих вариабельную и константную часть иммуноглобулинов, в ДНК эмбриональных и миелоидных клеток, что дало основание для вывода о перегруппировках генов иммуноглобулинов при образовании клеток иммунной системы (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1987 г.).

Осуществлено первое клонирование кДНК.

Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцеллюлозные фильтры, метод получил название Саузерн-блот гибридизации.

1976 год

Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.

Основана первая генно-инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств.

Д. М. Бишоп и Г. Э. Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда-то давно в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было также показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль -- управляет ее ростом и делением. В 1989 г. оба этих ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за фундаментальные исследование канцерогенных генов опухоли.

1977 год

Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт.). Появилось реальное средство анализа структуры генов как основа для понимания их функций. В 1980 году У. Гильберт и Ф. Сенгер совместно с П. Бергом получили Нобелевскую премию по химии «за существенный вклад в установление первичной структуры ДНК; за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в том числе рекомбинантных ДНК».

Полностью секвенирован геном бактериофага ??174 (5386 п. н.).

Секвенирован первый ген человека -- ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин.

П. Шарп и Р. Робертс показали, что гены у аденовирусов (позднее выяснилось, что и у эукариотических организмов) имеют мозаичную экзонинтронную структуру, и открыли явление сплайсинга (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1993 г.).

К. Итакура с соавт. синтезируют химически ген соматостатина человека и осуществляет искусственный синтез гормона соматостатина в клетках кишечной палочки E. coli.

1978 год

Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок -- проинсулин.

Определена полная последовательность нуклеотидов ДНК вируса SV40 и фага fd.

1979 год

Показано, что химически трансформированные клетки содержат активированный онкоген BAS.

1980 год

Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь. В про-нуклеус оплодотворенного одноклеточного эмбриона микроинъекцией введен ген тимидин-киназы вируса простого герпеса и показано, что этот ген работает во всех соматических клетках мыши. С тех пор трансгеноз стал основным подходом как для фундаментальных исследований, так и для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.

1981 год

Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека.

Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.

1982 год

Определена полная нуклеотидная последовательность бактериофага ? (48502 п. н.).

Показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок.

1983 год

С помощью биоинформатики найдена гомология фактора роста PDGF с известным онкобелком, кодируемым онкогеном SIS.

Показано, что разные онкогены кооперируют при опухолевой трансформации клеток.

Ген болезни Хантигтона локализован на хромосоме 4 человека.

1984 год

У. Мак-Гиннис открыл гомеотические (Hox) регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных.

А. Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии, в котором нуклеотидные последовательности ДНК используются для идентификации личности.

1985 год

Создание К. Б. Мюллисом революционизирующей технологии -- полимеразной цепной реакции, ПЦР -- наиболее чувствительного до сих пор метода детектирования ДНК. Эта технология получила широкое распространение (Нобелевская премия по химии за 1993 г.).

Клонирование и определение нуклеотидной последовательности ДНК, выделенной из древней египетской мумии.

1986 год

Клонирование гена RB - первого антионкогена -- супрессора опухолей. Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования.

1987 год

Созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы -- YAC (Yeast Artificial Chromosomes). Они сыграют большую роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов.

1988 год

Создание международного проекта «Геном человека», поставившего своей целью полное секвенирование ДНК человека.

Под эгидой Комитета по науке и технике в СССР начала работу программа «Геном человека», которую возглавил Научный совет по геномной программе во главе с академиком А. А. Баевым.

Показана возможность анализа митохондриальной ДНК из очень древних образцов при исследовании мозга человека давностью 7000 лет.

Предложен метод «нокаута» генов.

1989 год

Т. Р. Чех и С. Альтман получили Нобелевскую премию по химии за открытие каталитических свойств некоторых природных РНК (рибозимов).

1990 год

Создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был российский академик А. Д. Мирзабеков.

Ф. Коллинз и Л.-Ч. Тсуи идентифицировали первый ген человека (CFTR), ответственный за наследственное заболевание (кистозный фиброз), который расположен на хромосоме 7.

В. Андерсоном осуществлено первое успешное применение генной терапии для лечения больной с наследственным иммунодефицитом.

Определена полная последовательность генома вируса осповакцины (192 т. п. н.).

1992 год

Э. Кребсу и Э. Фишеру присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие обратимого фосфорилирования белков как важного регулирующего механизма клеточного метаболизма.

1995 год

Определена полная последовательность генома первого самостоятельно существующего организма -- бактерии Haemophilus influenzae (1 830 137 п. н.). Становление геномики как самостоятельного раздела генетики.

1997 год

Определена полная последовательность нуклеотидов геномов кишечной палочки E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение болезнетворного агента белковой природы, приона, вызывающего губчатую энцефалопатию, или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота.

Я. Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее -- овцу Долли.

1998 год

Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма -- нематоды Caenorhabditis elegans.

У нематоды C. elegans обнаружен механизм РНК-интерференции.

1999 год

Полностью секвенирована ДНК хромосомы 22 человека.

Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию за открытие роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы (то есть, регулятора и переносчика сигналов) сердечно-сосудистой системы.

Клонировали мышь и корову.

2000 год

Вчерне завершено полное секвенирование генома человека и дрозофилы.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе».

Клонировали свинью.

2001 год

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.

2002 год

Полностью секвенирован геном мыши.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти.

ГЕНЫ -- ОСНОВНОЙ ТЕКСТ ГЕНОМА

Оказалось, что в геноме человека нуклеотидные последовательности, кодирующие белки (экзоны), занимают лишь 1,1-1,4% от длины всех молекул ДНК. Но именно эти мизерные проценты ДНКового текста человека и стали объектом пристального внимания. Для сравнения отметим, что у червя C. elegans доля таких последовательностей в геноме составляет 27%, у мухи дрозофилы -- 20%, у дрожжей -- 70%, а у бактерий -- 86%. То есть, просматривается закономерность: по мере усложнения организмов доля кодирующих белки участков ДНК в их геномах резко падает.
Анализ генома человека позволил на конец 2002 года обнаружить порядка 30 000-40 000 генов, кодирующих белки. Эти гены сильно отличаются друг от друга по размерам. Подсчитано, что средняя длина гена у человека составляет около 27 тыс. п. н. Такой усредненный ген содержит 9 экзонов (средний размер каждого около 150 п. н.) и 8 интронов (средний размер каждого чуть меньше 3400 п.н.). Но это лишь средние значения. Самые короткие гены содержат всего два десятка букв-нуклеотидов, например, гены эндорфинов -- полипептидов, вызывающих ощущение удовольствия. В то же время самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц, -- миодистрофин содержит 2,4 млн. п. н.

плотность расположения генов на единицу длины генома заметно падает по мере эволюционного усложнения организмов.

в генах человека, как и у других высших организмов, имеются специальные последовательности-сигналы, которые определяют начало и конец процесса транскрипции

Вирусы -- составная часть генома человека

Когда секвенировали геном человека и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами. Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2-3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами -- названными длинными концевыми повторами (ДКП), -- были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов. У человека они составляют довольно существенную часть -- около 8% генома. Такие элементы назвают часто эндогенными ретровирусами, в отличие от типичных ретровирусов, существующих в природе вне организмов (их называют экзогенными ретровирусами).

В геноме человека эндогенные ретровирусы встречаются во многих местах, но их распределение по хромосомам не совсем равномерное. Имеются участки, обогащенные ими, и в то же время некоторые области хромосом человека не содержат подобные элементы. Иногда отмечают, что местонахождение эндогенных ретровирусов и их производных коррелирует с распределение генов в геноме. Часто они располагаются в регуляторных областях генов.

(ДНК-транспозоны)

В результате секвенирования ДНК человека был раскрыт еще один секрет генома. Кроме вирусов, проникших в наш геном извне и со временем сильно размножившихся там, заметную часть генома человека составляют и гены, пришедшие к нам от других наших постоянных симбионтов -- бактерий.

Теперь стало окончательно ясно, что бактерии, также как и вирусы, внесли свой вклад в формирование генома современного человека. Все это, по-видимому, есть результат длительного сожительства человека с бактериями, когда при некоторых случайных событиях гены бактерий попали в геном человека и там закрепились.
Гены, доставшиеся человеку от бактерий, не случайно сохранились в геноме. Многие из них играют важную роль в метаболизме ксенобиотиков (чужеродных для человеческого организма веществ) и в ответе клеток на стресс.

В любом случае, геном человека представляет собой некое собрание генов, которые достались человеку от их предков, и генов, которые явно ведут свое происхождение от неродственных организмов -- вирусов и бактерий. То есть можно сказать, что наш геном -- это книга, в которой отдельные «предложения» заимствованы из других независимо написанных источников.

ЧАСТЬ II. ФУНКЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

Каждый человек уникален, следовательно, уникальным должен быть и его геном. По этой причине между любыми двумя людьми, если они не однояйцовые близнецы, всегда имеются значительные индивидуальные различия (их называют различиями в фенотипе). Они проявляются во многом, в частности, во внешности, в физических возможностях, в отношении предрасположенности к развитию определенных заболеваний, в реакции организма на воздействие факторов окружающей среды или лекарственных средств, в умственных способностях и поведении.

Выходит, что всего от одной десятой процента генома зависит, кто мы есть, -- высокие или низкие, красивые или не очень, больные или здоровые, сильные или слабые, умные или глупые, оптимисты или пессимисты, добрые или, наоборот, жестокие и так далее.

Для полного понимания жизненных процессов, протекающих в клетках и в организме в целом, для выяснения природы различных заболеваний человека необходимо тщательное изучение молекулярных механизмов, осуществляющих тонкую регуляцию работы генов. общее количество генов совсем не обязательно должно совпадать с количеством функций, присущих человеку.

Что же дало для медицины полное секвенирование генома человека?

В первую очередь то, что теперь стало возможным диагностировать большинство (а в перспективе практически все) известных наследственных заболеваний на любой стадии развития человека, в том числе и до рождения (пренатальная диагностика). ДНКовый текст позволяет обнаружить предрасположенность индивидуума к тем или иным заболеваниям, включая и заболевания, обусловленные внешними причинами (химическими факторами среды, вирусами, питанием и др.). ДНК стала базой для генотипирования, идентификации личности. Далее, детальные данные об индивидуальных особенностях генома пациента служат основой для фармакогеномики -- новой науки, изучающей, как генетика влияет на вариабельность ответа пациентов на лекарства.

Знание структуры генома человека дает сегодня медикам дополнительные возможности ставить уверенно и безошибочно диагноз многих тяжелых болезней. Важно, что при этом врачу совершенно не обязательно видеть самого пациента. Достаточно лишь «прочитать» небольшой определенный участок его ДНК, выделенной из нескольких клеточек человеческого тела (например, из капли крови или даже из волосяной луковицы).

Современная генная диагностика целиком связана со знанием структуры генома человека. Пока, к сожалению, эти знания еще далеко не полные. Из нескольких тысяч известных наследственных болезней реально лишь для двух сотен из них найдены гены, мутации в которых приводят к развитию заболевания.

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА КАК ОБЪЕКТ ИСКУССТВЕННЫХ МАНИПУЛЯЦИЙ. КЛОНИРОВАНИЕ

В связи с секвенированием генома человека и впечатляющими результатами, достигнутыми при работе с геномами лабораторных и сельскохозяйственных животных, с неизбежностью встал вопрос об искусственном вмешательстве в геном человека.

Огромное количество экспериментов, проведенных на трансгенных мышах и других лабораторных животных объектах, показало, что различные сходные с человеком патологии могут быть успешно преодолены у них с помощью искусственного внедрения в генетический аппарат половых клеток новых генов или исправления в половых клетках имеющихся «больных» генов.

Однако для человека этот подход пока неприемлем по целому ряду причин. В первую очередь это связано с непредсказуемостью тех последствий, которые могут быть вызваны такого рода манипуляциями с геномом. Не меньшую роль играют здесь и морально-этические проблемы, на которых мы подробнее остановимся в следующей главе.

Другой путь для лечения различных патологий человека, который сейчас широко обсуждается, -- это использование так называемых стволовых клеток человека. Эти клетки имеются как у эмбрионов на самых начальных этапах развития (их называют эмбриональными стволовыми клетками), так и в разных органах уже взрослого организма. В процессе жизни стволовые клетки служат постоянным источником все новых и новых специализированных клеток организма (клеток крови, печени, почек, мозга и др.). На модели лабораторных животных уже показана высокая эффективность использования таких клеток для лечения целого ряда болезней, сходных с заболеваниями человека.

Еще более серьезная проблема, возникшая на рубеже двух тысячелетий, которая имеет отношение к искусственным манипуляциям с геномом человека, -- клонирование людей. Эта проблема появилась в связи с успешной апробацией процедуры клонирования на различных лабораторных и сельскохозяйственных животных. К началу 2002 года было клонировано большое число мышей, 50 овец, 78 телят, 6 поросят и даже две обезьяны. И вот теперь подходит очередь человека.

Имеются мнения, что придумал метод клонирования еще в 40-х годах советский биолог Георгий Викторович Лопашев. А в 50-е годы американские эмбриологи Брикс и Кинг «переоткрыли» этот метод. В конце 60-х гг. английский биолог Д. Гёрдон опубликовал работу, в которой описал опыты с ядрами, выделенными из клеток кишечного эпителия, почек, кожи и легкого уже взрослых шпорцевых лягушек. результаты этих опытов Д. Гёрдона уже давно попали во многие учебники и руководства по биологии.

надежды на то, что с помощью генетической инженерии можно создавать и клонировать людей с определенными свойствами (Гегеля, Моцарта, Шварцнегера или Гитлера) пока явно не оправдываются

Таким образом, самое большое препятствие на пути к клонированию человека -- вовсе не техническая подготовленность к эксперименту, а неопределенность результата и недостаточная оценка опасностей, таящихся в этой процедуре. Ясно, что клонирование опасно прежде всего тем, что может привести к определенному обеднению генетического фонда человека, повторяя дефекты генома и не давая при этом ему никаких новых качеств. Много неожиданных проблем может возникнуть с появлением человеческих уродцев как результата манипулирования с клетками эмбрионов, с преждевременным старением клонов, с онкологией, с иммунологией и др.

Технология клонирования отработана пока лишь только на животных (единичные указания на клонирование эмбрионов человека можно не принимать во внимание, и даже если появятся сообщения о клонировании одного-двух людей, это еще не решение вопроса). Дело в том, что даже с животными не все ясно. Не накоплено достаточно данных, чтобы исключить, что клонированные организмы могут иметь такие свойства, которые порой мало совместимы с нормальной жизнью, такие, например, как укороченное время жизни (ускоренное старение), предрасположенность к развитию у них различных патологий, включая нейродегенеративные заболевания, рак и иммунологические расстройства.

Ясно, что кроме чисто научных проблем и опасений, существуют и многочисленные морально-этические проблемы, связанные как с геномом человека вообще, так и с искусственными манипуляциями с ним, и с клонированием человека.

ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ (Этика + Генетика = ГенЭтика)

Уже говорилось о том, что существующий на сегодняшний день метод пока еще нельзя считать абсолютно безопасным. Многое еще остается неясным. Так, нет ответов на вопросы, как скажется на клонах влияние так называемого генетического импринтинга (разного проявления у потомков одних и тех же генов, но произошедших от отца или матери), как будет происходить старение такого организма и его клеток, как отразятся на клонах возможные мутации в ядрах клеток-доноров, как клонирование скажется на здоровье, на склонности к различным заболеваниям, в частности, к раку.

Что такое человеческий клон?

На самом деле клон - это просто идентичный близнец другого человека, отсроченный во времени. Клоны человека будут обычными человеческими существами, Их будет вынашивать обычная женщина в течение 9 месяцев, они родятся и будут воспитываться в семье, как и любой другой ребенок. Им потребуется 18 лет, чтобы достичь совершеннолетия, как и всем остальным людям. Следовательно, клон-близнец будет на несколько десятилетий младше своего оригинала, поэтому нет опасности, что люди будут путать клона-близнеца с оригиналом. Так же как и идентичные близнецы, клон и донор ДНК будут иметь различные отпечатки пальцев. Клон не унаследует ничего из воспоминаний оригинального индивида. Благодаря всем этим различиям, клон - это не ксерокопия или двойник человека, а просто младший идентичный близнец. Человеческие клоны будут иметь те же самые юридические права и обязанности, как и любой другой человек. Клоны будут человеческими существами в самом полном смысле.

Следует подчеркнуть, что клонирование человека должно осуществляться на индивидуальной добровольной основе. Живой человек, которого планируют клонировать, должен будет дать на это свое согласие. Также и женщина, которая будет вынашивать клона-близнеца и потом растить этого ребенка, должна действовать добровольно.

Клонирование будет делаться только по просьбе и при участии обычных людей в качестве дополнительной альтернативы для воспроизводства.

Возражения, выдвигаемые против клонирования человека.

Единственное возражение, которое остается в результате анализа - технология клонирования пока не совершенна. Но это - оправдание для дальнейших исследований, а не для запрета

Давайте рассмотрим в деталях некоторые из основных возражений против клонирования людей, которые бытуют среди людей.

Сама мысль об этом противоестественна и отвратительна. Создание еще одного человека с тем же самым генетическим кодом нарушило бы человеческое достоинство и уникальность.

Желательное правительственное регулирование.

Клонирование человека - это новое и неисследованное правовое поле, которое определенно потребует некоторого законодательного регулирования для предотвращения злоупотреблений. Здесь приводится некоторые предложения, какие умеренные законы казались бы желательными.

1. Клоны людей должны официально иметь те же юридические права и ответственность, что и любое другое человеческое существо. У людей не будет права держать человеческого клона в винном погребе для запасных частей для своего тела, хоть сколько-нибудь более , чем они это могут делать с идентичными близнецами. Плохое обращение с любыми человеческими существами есть преступление безотносительно того, является ли их генетических код уникальным.

2. Живущий в настоящее время человек не должен клонироваться без его письменного согласия. Любому человеку автоматически дается право собственности на его генетический код и право им распоряжаться по собственному усмотрению; код должен оставаться под его контролем. Человеку должно быть разрешено определять по своей воле, хочет ли он разрешить клонировать себя после смерти, и при каких условиях. Мы можем пожелать запретить клонирование несовершеннолетних, т.к. они еще не достигли зрелости для принятия та кого рода решение.

3. Клоны человека должны вынашиваться и рождаться только взрослой женщиной, действующей по собственной воле, без принуждения. Выращивание человеческого плода вне тела женщины, например, в лабораторных аппаратах, должно быть запрещено. В настоящий момент не существует технологии для искусственного выращивания плода, но японские исследователи над этим работают.

4. Существует причина полагать, что предрасположенность к жестокости и убийству генетически предопределяются. Клонирование осужденных убийц и других жестоких преступников следует запретить. Клонирование Чарльза Мэнсона не должно быть законным. В мире дос таточно преступников и без искусственного их создания. Запрет несомненно должен распространяться на известных массовых убийц прошлого, таких как Гитлер, Ленин и Сталин, предвидя тот день, когда это станет возможным

Подведем итоги

Очевидно, что клонирование человека имеет громадные потенциальные преимущества и несколько возможных отрицательных последствий. Как и со многими научными достижениями прошлого, такими как самолеты и компьютеры, единственная угроза - это угроза нашей собственной узкой умственной самоудовлетворенности. Клоны человека могут сделать большой вклад в области научного прогресса и культурного развития. В определенных случаях, где предвидятся возможные злоупотребления, их можно предотвратить с помощью узконаправленного специализированного законодательства. С каплей здравого смысла и разумным регулированием, клонирование человека - не есть нечто, чего нужно бояться. Нам следует ожидать его с волнительным нетерпением и поддерживать научные исследования, которые ускорят осуществление клонирования. Исключительные люди находятся среди величайших сокровищ мира. Клонирование человека позволит нам сохранить, а со временем даже восстановить эти сокровища.

Размещено на Allbest.ru