Анализ молекул РНК, особенно ДНК, оказался намного сложнее. Первый бактериальный геном был расшифрован в 1995 году. Первые показания генома человека были опубликованы в феврале 2001 года.
Ученые расшифровали геном человека и его описали
В 1988 году ученые начали международную программу по расшифровке генома человека. Программа «Геном человека» была официально запущена в 1990 году, и были объявлены планы на первые пять лет программы и последующие 15 лет с участием России. Российские ученые описали 3-ю, 13-ю и 19-ю из 46 хромосом человека.
1990 — Запущена Международная программа «Геном человека».
Значение исследования генетического кода человека
Медицинские сообщества многих стран давно проявляют интерес и считают, что расшифровка генома человека важна для прогресса медицины и обнаружения мутаций, вызванных ядерным излучением.
- составление карты человеческого генома и определение всего 3,2 миллиарда букв
- картирование и секвенирование геномов других организмов, если это будет полезным для изучения биологии
- разработка технологий для анализа ДНК и изучения социальных, этических и правовых последствий геномных исследований.
Начало клонирования организмов
Первый секвенированный геном
В 1995 году, демонстрируя новую стратегию секвенирования, американский биолог Дж. Крейг Вентер опубликовал первый полностью секвенированный геном самовоспроизводящегося свободноживущего организма, Haemophilus influenzae.
Известная как Haemophilus influenzae, Haemophilus influenzae — это бактерия, которая может вызвать ушной менингит и респираторные инфекции у детей. До этого достижения ученым удалось установить последовательность фрагментов ДНК определенного вируса, составляющего примерно одну десятую часть бактерий гриппа.
Работа над проектом заняла около года и стала большим достижением. Его успех доказывает, что метод может быть быстро и качественно применен для идентификации целых геномов, прокладывая путь для будущих открытий.
1995 — Haemophilus influenzae — первый секвенированный геном бактерии.
В марте 2000 года ученые из разных институтов смогли успешно расшифровать генетический состав плодовых мушек. Коллективные усилия оказывают большое влияние на секвенирование генома человека, поскольку молекулярная биология и рост имеют много общего с млекопитающими.
В ходе своего исследования ученые обнаружили, что каждая клетка дрозофилы содержит 13 601 участок ДНК. Это самый большой и сложный организм, который можно было расшифровать в то время. В отличие от этого, человеческая клетка содержит 70 000 участков ДНК. Это стало важной вехой на пути программы «Геном человека» к достижению конечной цели.
2000 — Расшифровка генетического кода дрозофилы
В 2002 году ученые сделали следующий важный шаг и расшифровали геном первого млекопитающего — мыши. Благодаря этому достижению они впервые смогли сравнить геном человека с геномами других млекопитающих.
К своему удивлению, они обнаружили, что 90% мышиного кода совпадает с соответствующими точками в геноме человека. Геномы мыши и человека содержат около 30 000 фрагментов ДНК, кодирующих белки. Эти данные впервые показывают, насколько тесно генетически связаны млекопитающие.
Генеалогия — еще одно применение секвенирования. Кусочек ДНК может подтвердить гипотезу о родстве двух людей и дать ответ с определенной вероятностью.
Конкурс «био/мол/текст»-2018
Эта работа была включена в категорию «Свободная тема» конкурса Bio / Mol/Text 2018.
Генеральным спонсором тендера выступила компания Diaem, ведущий поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производства.
Приз зрительских симпатий был вручен медико-генетическим центром Genotek.
О генетике известно очень мало! Впервые я почувствовал это, когда проходил стажировку в мастерской медицинской генетики Харбинского медицинского университета. Исследовательская группа, в которой я проходила практику, занималась изучением онкогена SEI-1. Это провоцирует образование двухминутной хромосомы (DM), которая способствует канцерогенезу. Однако механизм образования онкогена SEI-1 до сих пор остается неизвестным. Тем не менее, различные генетические мутации ответственны и за другие опасные заболевания человека, помимо рака. Поэтому в данной статье изложены некоторые мысли о том, почему мы так многого не знаем о генах, а также выражено наше мнение о количестве генов, присутствующих у человека.
В 1977 году Фредерик Сэнгер стал пионером метода секвенирования ДНК 1. Он был основан на прекращении реакции ДНК-полимеразы с помощью доксинуклеотидов и был удостоен Нобелевской премии в 1980 году. Максам и Гилберт были удостоены Нобелевской премии по химии за предложение метода секвенирования ДНК, включающего химическую деградацию. В 1985 году была обнаружена первая полная последовательность ДНК бактерии (influenza haematobium), в 1996 году был захвачен первый геном эукариотической клетки (ткань Saccharomyces caravisiae), а в 1998 году был расшифрован геном гайозокумы. После завершения программы «Геном человека» в 2003 году была опубликована полная последовательность генома человека. Однако эту последовательность можно временно назвать «завершенной», поскольку на сегодняшний день не изъято около 8%.
Проект «Геном человека» и полный список генов
Определение полного списка генов необходимо для определения молекулярных механизмов, лежащих в основе рака, шизофрении3, деменции и многих других заболеваний человека. Последовательности ДНК, выделенные из тканей пациента, позволяют обнаружить мутации, такие как нуклеотидные замены, делеции и добавления, которые способствуют развитию этих заболеваний.
Рисунок 1: Художественные работы с выставки «Геномы — расшифровка норм жизни» в Национальном музее естественной истории, Вашингтон.
Этому была посвящена программа «Геном человека» (HGP) с 1990 по 2003 год. Его главной задачей было определить последовательность нуклеотидов ДНК и идентифицировать 100 000 человеческих генов (как мы считали в то время)4. Для получения сравнительной информации, необходимой для понимания функций человеческого генома, была разработана серия стандартных тканевых ДНК. Предполагалось, что информация, полученная в рамках HGP, станет руководством для биомедицины в 21 веке. Целью исследования было получение информации о причинах ряда заболеваний6. 4000 генетических заболеваний, поражающих человечество, включая мультифакторные заболевания, в которых генетическая предрасположенность играет важную роль. Считалось, что эффект секвенирования генома заключается в определении местоположения каждого гена и их общего количества. Однако последующие события показали обратное. В настоящее время существует несколько генетических баз данных, которые значительно отличаются друг от друга. Количество генов, кодирующих белки, остается неизменным, но количество других типов генов изменяется.
Проект «Протеом человека»
В 2010 году Организация по защите человека (HUPO) запустила Программу защиты человека (HPP) с целью создания полного каталога белков Homo Sapiens 7. белков, кодирующих белки, полиморфизмов нуклеотидов и их вариантов, а также типов посттрансляционных модификаций белков.8 Далее, в создании новой базы комментариев, таких как Protestant Data и NextProt, созданной в результате биомедицинских исследований ГЭС.9
В настоящее время NextProt содержит информацию о 17 487 белках, которые были подтверждены экспериментально: 1728 белков были идентифицированы на транскрипционном уровне и подтверждены неизвестной природой 515, 76 и 571 идентифицированы признанием. Особый интерес представляют белки, существование которых не доказано экспериментально, но доказано, что они кодируются геномом. Это так называемые «недостающие» белки, которые составляют около 18% всех закодированных белков. Для выявления и характеристики таких белков был создан ресурс Missing Proteinpedia 7.
Прототип человека является продолжением программы по изучению генома человека. С помощью программы «Протеом» можно надеяться узнать точное количество генов, кодирующих белки.
Генотип — это набор генов человека. Генотип определяет внешние характеристики — рост, цвет глаз, тип волос и т.д. Внешние характеристики, закодированные в генотипе, называются фенотипами.
Генетические лекарства
Генетическое тестирование позволяет найти мутации, непосредственно связанные с наследственными заболеваниями. Те, в которых только один ген вызывает заболевание, называются моногенными. Существует множество подобных заболеваний, от 6 до более чем 7 000 различных видов, но каждое из них встречается очень редко. Хотя, тем не менее, более 1% населения имеют моногенную проблему. Генетическое тестирование помогает здесь двумя способами, — говорит Артем Ельмуратов. — Во-первых, он может помочь диагностировать наследственные заболевания. Во-вторых, он может обнаружить остаточные мутации, которые не проявляются у человека, но могут выявить будущих детей, если они соответствуют остаточной мутации партнера. По моему мнению, этот тест должны проходить все пары, планирующие беременность. Никаких исключений. «
Многие из них недавно участвовали в кампаниях в социальных сетях, собирая средства на лекарства для больных детей в размере 2 млн евро на одну инъекцию. Это лишь первые глотки генетических препаратов. Это специальные вирусы, которые нацелены на конкретного человека и изменяют его ДНК, устраняя дефектные точки моногенных заболеваний. Почему этот препарат стоит 2 миллиона евро? Это связано с тем, что туда включены расходы на исследование и подготовку этого вируса.
Одним из примеров является препарат для лечения дистрофии сетчатки глаза, вызванной мутациями в одном гене — RPE65. Совсем недавно был выпущен препарат, который останавливает болезнь, восстанавливая зрение пациента. Препарат содержит вирус и здоровый ген RPE65. Благодаря вирусу ген попадает в клетки сетчатки и обеспечивает нормальный синтез белка RPE65. Свет должен быть преобразован в электрические сигналы и интерпретирован мозгом. Действительно, только 2 000 человек на планете страдают от такого заболевания. Зарегистрировано около шести таких препаратов: заболевание очень редкое, пациентов мало, а стоимость препаратов очень высока.
Фармакогенетика
Еще одно преимущество ДНК-тестирования — фармакогенетика, связанная с индивидуальными реакциями на лекарства. Почти все тесты теперь дают список допустимых доз и доз различных препаратов. Например, у меня генетически низкая чувствительность к аспирину и высокая — к побочным эффектам кофеина. Современные нейронные сети могут выявлять больше признаков многофакторных заболеваний, таких как диабет, рак, болезнь Крона и язвенный колит, оценивать риск их развития и рекомендовать изменения образа жизни для их максимального снижения. Повышают эти риски. Это логика превентивной медицины, — говорит Сергей Мусиенко. -И с финансовой точки зрения это оправдано: предотвратить болезнь в тысячу раз дешевле, чем потом ее лечить.
Тест, показывающий, что у вас есть генетические маркеры великого спортсмена, не гарантирует олимпийскую медаль. Вклад счастливого гена оценивается в 5%. Остальное — это характер чемпиона и железная воля.
Одним из наиболее распространенных случаев, когда фармакогенетика оказывается полезной, является лечение депрессии. ‘Фармакогенетические маркеры могут быть использованы для подбора лечения. Это повышает эффективность лечения и, самое главное, сокращает время, пока лечение не подействует», — объясняет Артем Ельмуратов.
Как вырастить гения
Более 30 миллионов человек в США уже прошли ДНК-тестирование. Однако их главной мотивацией было даже не собственное здоровье или история предков. Однако тестирование на отцовство накладывает определенную нагрузку на генетические лаборатории.
Многие люди хотят получить ответы на вопросы о том, что лучше в жизни и куда им следует отправить своих детей в школу. Например, мой тест показал предрасположенность к лыжным гонкам на 15 км, плаванию и хоккею. Некоторые последовательности моих генов были также обнаружены у выдающихся спортсменов. Тесты могут показать, что у ребенка больше шансов стать хоккеистом или кем-то еще, но не все зависит от генетики, — говорит Сергей Мусиенко. Характеристика образа жизни намного сильнее и превосходит генетическую характеристику. Другими словами, если хоккеист имеет возможность выбрать свой шаблон, то его многочисленные взносы будут плюс-минус 5%. Об этом свидетельствует статистика. Посмотрите на чемпионов мира. У 95% из них родители — отличные спортсмены, и не обязательно в той же области. В результате они узнали, как правильно воспитывать и мотивировать своих детей. Генетическая предрасположенность фактически добавляет 5% к мощности. Но знаете ли вы, почему у вашего сына в 1000 раз больше шансов играть в НХЛ? Что его отец играл там. Это не имеет отношения к генам, но к самому себе.
Новые гранты на общую сумму около 29,5 миллионов долларов США позволят ученым создать и поддерживать наиболее полную эталонную последовательность генома человека. Наиболее полная эталонная последовательность, известная как пан-геном, представляет 350 геномов человеческой популяции.
То же самое относится и к генетическому отбору по диете и питанию. Некоторые из них работают — например, метаболизм кофеина и алкоголя можно исследовать и сделать выводы. Тесты на непереносимость лактозы очень хороши. Можно проверить риск развития безглютеновой болезни кишечника и перейти на безглютеновую диету. Однако глютен, обычный белок, вызывает аллергию всего у 0,1% людей.
В марте 2000 года ученые из разных институтов смогли успешно расшифровать генетический состав плодовых мушек. Коллективные усилия оказывают большое влияние на секвенирование генома человека, поскольку молекулярная биология и рост имеют много общего с млекопитающими.
Состав ДНК
Если говорить о синтезе ДНК, то нуклеотиды — это основные строительные блоки, из которых состоят две нити спирали. Нуклеотиды делятся на четыре типа: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И только четыре из этих нуклеотидов записывают всю наследственную информацию и синтезируют все известные гены.
Кроме того, две нити генов по какой-то причине просто соединены спирально. Из четырех различных нуклеотидов только две пары, аденин-тимин и гуанин-цитозин, встречаются друг напротив друга на разных нитях. В науке такие пары называются комплементарными.
Между парными нуклеотидами образуются прочные водородные связи. Связь между аденином и тимином немного слабее, чем связь между гуанином и цитозином. Однако цепь закручивается по другим причинам.
Исследования показывают, что скручивание помогает сократить длину генной цепи в пять-шесть раз. А при перенасыщении (что тоже случается) длина цепи может уменьшиться в 30 раз!
Помимо того, что пары генетических клонов представляют собой спирали, существует еще и гиперспирация. Причиной этого явления является белок гистон в виде катушки ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нить. Это, несомненно, особенно полезно, поскольку спиральная структура сама по себе упаковывает наследственную информацию в более компактные клетки.
Роль в клетке
Конечно, невозможно включить всю информацию, необходимую для решения такой сложной задачи, как человеческое тело, даже в большую двойную спираль. Возможно, именно поэтому эти цепочки соединены друг с другом и похожи на букву «X». Аналогичным образом, хромосомы также располагаются парами, и у человека их 46 пар.
Помимо того, что хромосомы содержат подробные описания клеточных функций, они активируют клетки для производства специфических белков с различными свойствами и активируют соответствующие гены. Например, в борьбе с опухолями активно участвуют гены сенесценции, которые старят злокачественные клетки и не дают им делиться бесконечно.
Что такое нуклеотиды
Нуклеотиды — это четыре элемента, составляющие основу биологического языка программирования последовательности ДНК, подобно тому, как нули и единицы составляют основу ассемблера (первого из языков программирования). Единственная последовательность нуклеотидов на одной из двух нитей ДНК — это геном. Измените эту последовательность любым способом, и ген уже поврежден или скомпрометирован.
Синтез белка — это фундаментальная загадка всей человеческой физиологии. Это белки, которые инициируют и регулируют все процессы в организме на клеточном уровне. Если мы полностью изучим, какие гены и какие группы генов активируют синтез белков и сами эти белки, наука научится координировать и перестраивать весь человеческий организм.
На сегодняшний день мы знаем, что гены или участки генов активируются в двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты в ответ на различные стимулы. Информация с этих участков копируется в РНК (рибонуклеиновую кислоту), которая переносит информацию из клеточного ядра, включая хромосомы, в саму клетку. РНК выступает в роли своеобразного проповедника, читающего законы и правила всем работникам. Таким образом, РНК заставляет клетку вести себя и производить различные белки.
