Генетика и человек
СССР с конца 1940-х до середины 1960-х годов. Сейчас возникают
экологические и этические проблемы в связи с работами по созданию «химер»
– трансгенных растений и животных, «копированию» животных путем пересадки
клеточного ядра в оплодотворенную яйцеклетку, генетической
«паспортизации» людей и т.п. В ведущих державах мира принимаются законы,
ставящие целью предотвратить нежелательные последствия таких работ.
Современная генетика обеспечила новые возможности для исследования
деятельности организма: с помощью индуцированных мутаций можно выключать
и включать почти любые физиологические процессы, прерывать биосинтез
белков в клетке, изменять морфогенез, останавливать развитие на
определенной стадии. Мы теперь можем глубже исследовать популяционные и
эволюционные процессы, изучать наследственные болезни, проблему раковых
заболеваний и многое другое. В последние годы бурное развитие молекулярно-
биологических подходов и методов позволило генетикам не только
расшифровать геномы многих организмов, но и конструировать живые существа
с заданными свойствами. Таким образом, генетика открывает пути
моделирования биологических процессов и способствует тому, что биология
после длительного периода дробления на отдельные дисциплины вступает в
эпоху объединения и синтеза знаний.
Геном человека.
Международные проект «Геном человека» был начат в 1988 г. Это один из
самых трудоемких и дорогостоящих проектов в истории науки. Если в 1990 г.
на него было потрачено около 60 млн. долларов в целом, то в 1998 г. одно
только правительство США израсходовало 253 млн. долларов, а частные
компании – и того больше. В проекте задействованы несколько тысяч ученых
из более чем 20 стран. С 1989 г. в нем участвует и Россия, где по проекту
работает около 100 групп. Все хромосомы человека поделены между странами-
участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я
хромосомы.
Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных
оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е.
полностью картировать все гены человека. Проект включает в качестве
подпроектов изучение геномов собак, кошек, мышей, бабочек, червей и
микроорганизмов. Ожидается, что затем исследователи определят все функции
генов и разработают возможности использования полученных данных.
Что же представляет собой основной предмет проекта – геном человека?
Известно, что в ядре каждой соматической клетки (кроме ядра ДНК есть еще
и в митохондриях) человека содержится 23 пары хромосом, каждая хромосома
представлена одной молекулой ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в
одной клетке равна приблизительно 2 м, они содержат около 3,2 млрд. пар
нуклеотидов. Общая длина ДНК во всех клетках человеческого тела (их
примерно 5х1013) составляет 1011 км, что почти в тысячу раз больше
расстояния от Земли до Солнца.
Как же помещаются в ядре такие длиннющие молекулы? Оказывается, в ядре
существует механизм «насильственной» укладки ДНК в виде хроматина -
уровни компактизации (рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Уровни упаковки хроматина
Первый уровень предполагает организацию ДНК с гистоновыми белками –
образование нуклеосом. Две молекулы специальных нуклеосомных белков
образуют октамер в виде катушки, на которую наматывается нить ДНК. На
одной нуклеосоме размещается около 200 пар оснований. Между нуклеосомами
остается фрагмент ДНК размером до 60 пар оснований, называемый линкером.
Этот уровень укладки позволяет уменьшить линейные размеры ДНК в 6–7 раз.
На следующем уровне нуклеосомы укладываются в фибриллу (соленоид). Каждый
виток составляет 6-7 нуклеосом, при этом линейные размеры ДНК уменьшаются
до 1 мм, т.е. в 25-30 раз.
Третий уровень компактизации – петельная укладка фибрилл – образование
петельных доменов, которые под углом отходят от основной оси хромосомы.
Их можно увидеть в световой микроскоп как интерфазные хромосомы типа
«ламповых щеток». Поперечная исчерченность, характерная для митотических
хромосом, отражает в какой-то степени порядок расположения генов в
молекуле ДНК.
Если у прокариот линейные размеры гена согласуются с размерами
структурного белка, то у эукариот размеры ДНК намного превосходят
суммарные размеры значимых генов. Это объясняется, во-первых, мозаичным,
или экзон-интронным, строением гена: фрагменты, подлежащие транскрипции –
экзоны, перемежаются незначащими участками – интронами.
Последовательность генов сначала полностью транскрибируется
синтезирующейся молекулой РНК, из которой затем вырезаются интроны,
экзоны сшиваются и в таком виде информация с молекулы иРНК считывается на
рибосоме. Второй причиной колоссальных размеров ДНК является большое
количество повторяющихся генов. Некоторые повторяются десятки или сотни
раз, а есть и такие, у которых встречается до 1 млн. повторов на геном.
Например, ген, кодирующий рРНК повторяется около 2 тыс. раз.
Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас
специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не
более 60 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины
ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена.
Каковы же достижения ученых за десять с небольшим лет работы над
проектом?
Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 г. генома
бактерии Haemophilus influenzae. Позднее были полностью описаны геномы
еще более 20 бактерий, среди которых возбудители туберкулеза, сыпного
тифа, сифилиса и др. В 1996 г. картировали ДНК первой эукариотической
клетки – дрожжей, а в 1998 г. впервые был картирован геном
многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolitis elegans. К
1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене
человека, т.е. расшифрована примерно половина генетической информация
человека.
Полученные данные позволили впервые реально оценить функции генов в
организме человека (рис. 2).
[pic]
Рис. 2. Примерное распределение генов человека по их функциям.
1 – производство клеточных материалов; 2 – производство энергии и ее
использование; 3 – коммуникации внутри и вне клеток; 4 – защита клеток от
инфекций и повреждений; 5 – клеточные структуры и движение; 6 –
воспроизводство клеток; 7 – функции не выяснены
В таблице 1 приведены известные данные по количеству генов, вовлеченных в
развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека.
Таблица 1
Название органа, ткани, клетки Количество генов
1. Слюнная железа 17
2. Щитовидная железа 3 584
3. Гладкая мускулатура 127
4. Молочная железа 696
5. Поджелудочная железа 1094
6. Селезенка 1094
7. Желчный пузырь 788
8. Тонкий кишечник 297
9. Плацента 1290
10. Скелетная мышца 735
11. Белая кровяная клетка 2164
12. Семенник 370
13. Кожа 620
14. Мозг 3195
15. Глаз 547
16. Легкие 1887
17. Сердце 1195
18. Эритроцит 8
19. Печень 2091
20. Матка 1859
За последние годы были созданы международные банки данных о
последовательностях нуклеотидов в ДНК различных организмов и о
последовательностях аминокислот в белках. В 1996 г. Международное
общество секвенирования приняло решение о том, что любая вновь
определенная последовательность нуклеотидов размером 1–2 тыс. оснований и
более должна быть обнародована через Интернет в течение суток после ее
расшифровки, в противном случае статьи с этими данными в научные журналы
не принимаются. Любой специалист в мире может воспользоваться этой
информацией.
В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых
методов исследования, большинство из которых в последнее время
автоматизировано, что значительно ускоряет и удешевляет работу по
расшифровке ДНК. Эти же методы анализа могут использоваться и для других
целей: в медицине, фармакологии, криминалистике и т.д.
Остановимся на некоторых конкретных достижениях проекта, в первую
очередь, конечно, имеющих отношение к медицине и фармакологии.
В мире каждый сотый ребенок рождается с каким-либо наследственным
дефектом. К настоящему времени известно около 10 тыс. различных
заболеваний человека, из которых более 3 тыс. – наследственные. Уже
выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
