Реферат: Международный проект "Геном человека". История проекта «Геном Человека Международный проект по расшифровке генома 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 5ґ1013) 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).

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).

В таблице 1 приведены известные данные по количеству генов, вовлеченных в развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека.

Таблица 1

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, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли. Обнаружены гены, ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. В таблице 2 приведены некоторые болезни, возникающие в результате повреждения генов, структура которых полностью расшифрована к 1997 г.

Таблица 2

Вероятно, в ближайшие годы станет возможной сверхранняя диагностика тяжелых заболеваний, а значит, и более успешная борьба с ними. Сейчас активно разрабатываются методы адресной доставки лекарств в пораженные клетки, замены больных генов здоровыми, включения и выключения боковых путей метаболизма за счет включения и выключения соответствующих генов. Уже известны примеры успешного применения генотерапии. Так, например, удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена.

Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к профессиональным заболеваниям.

Оказалось, что предрасположенность к алкоголизму или наркомании тоже может иметь генетическую основу. Открыто уже семь генов, повреждения которых связаны с возникновением зависимости от химических веществ. Из тканей больных алкоголизмом был выделен мутантный ген, который приводит к дефектам клеточных рецепторов дофамина – вещества, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Недостаток дофамина или дефекты его рецепторов напрямую связаны с развитием алкоголизма. В четвертой хромосоме обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию раннего алкоголизма и уже в раннем детстве проявляются в виде повышенной подвижности ребенка и дефицита внимания.

Интересно, что мутации генов не всегда приводят к негативным последствиям – они иногда могут быть и полезными. Так, известно, что в Уганде и Танзании инфицированность СПИДом среди проституток доходит до 60–80%, но некоторые из них не только не умирают, но и рожают здоровых детей. Видимо, есть мутация (или мутации), защищающая человека от СПИДа. Люди с такой мутацией могут быть инфицированы вирусом иммунодефицита, но не заболевают СПИДом. В настоящее время создана карта, примерно отражающая распределение этой мутации в Европе. Особенно часто (у 15% населения) она встречается среди финно-угорской группы населения. Идентификация такого мутантного гена могла бы привести к созданию надежного способа борьбы с одним из самых страшных заболеваний нашего века.

Выяснилось также, что разные аллели одного гена могут обуславливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства определенных лекарств, предназначенных различным группам пациентов. Это поможет устранить побочные реакции от лекарств, точнее, понять механизм их действия, снизить миллионные затраты. Целая новая отрасль – фармакогенетика – изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут ослабить или усилить воздействие лекарств.

Расшифровка геномов бактерий позволяет создавать новые действенные и безвредные вакцины и качественные диагностические препараты.

Конечно, достижения проекта «Геном человека» могут применяться не только в медицине или фармацевтике.

По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который позволяет идентифицировать человека по следовым количествам крови, чешуйкам кожи и т.п. Этот метод с успехом применяется в криминалистике – уже тысячи людей оправданы или осуждены на основании генетического анализа. Сходные подходы можно использовать в антропологии, палеонтологии, этнографии, археологии и даже в такой, казалось бы, далекой от биологии области, как сравнительная лингвистика.

В результате проведенных исследований появилась возможность сравнивать геномы бактерий и различных эукариотических организмов. Выяснилось, что в процессе эволюционного развития у организмов увеличивается количество интронов, т.е. эволюция сопряжена с «разбавлением» генома: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и все больше участков, не имеющих ясного функционального значения (интроны). Это одна из больших загадок эволюции.

Раньше ученые–эволюционисты выделяли две ветви в эволюции клеточных организмов: прокариоты и эукариоты. В результате сравнения геномов пришлось выделить в отдельную ветвь архебактерии – уникальные одноклеточные организмы, сочетающие в себе признаки прокариот и эукариот.

В настоящее время также интенсивно изучается проблема зависимости способностей и талантов человека от его генов. Главная задача будущих исследований – это изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в клетках разных органов и выявление различий между людьми на генетическом уровне. Это позволит создавать генные портреты людей и, как следствие, эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различия между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической обстановке и т.д.

Напоследок необходимо упомянуть об опасности распространения генетической информации о конкретных людях. В связи с этим в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие распространение такой информации, и юристы всего мира работают над этой проблемой. Кроме того, проект «Геном человека» иногда связывают с возрождением евгеники на новом уровне, что тоже вызывает тревогу специалистов.

Н.В. Князева

Анализ генома человека завершен

В Вашингтоне 6 апреля 2000 г. состоялось заседание комитета по науке Конгресса США, на котором д-р Дж.Крейг Вентер заявил, что его компания, Celera Genomics, завершила расшифровку нуклеотидных последовательностей всех необходимых фрагментов генома человека. Он ожидает, что предварительная работа по составлению последовательностей всех генов (их около 80 тыс., и они содержат примерно 3 млрд «букв» ДНК) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось. Скорее всего, окончательная расшифровка генома человека будет завершена к 2003 г.

Компания Celera включилась в исследования по проекту «Геном человека» 22 месяца назад. Используемые ею подходы сначала подвергались критике со стороны так называемого открытого консорциума участников проекта, однако завершенный ею в прошлом месяце подпроект по расшифровке генома плодовой мушки показал их действенность.

На этот раз никто не критиковал прогнозы К.Вентера, сделанные им в присутствии советника президента США по науке д-ра Н.Лэйна и представителя консорциума, крупнейшего специалиста по секвенированию генома д-ра Роберта Ватерстона.

Предварительная карта генома будет содержать около 90% всех генов, но, тем не менее, она будет большим подспорьем в работе ученых и врачей, поскольку позволит довольно точно отыскивать необходимые гены. Д-р Вентер заявил, что теперь собирается использовать свои 300 секвенаторов для анализа генома мыши, знание которого поможет понять, как работают гены человека.

Расшифрованный геном принадлежит мужчине, поэтому содержит как X-, так и Y-хромосомы. Имя этого человека не известно, и это не имеет значения, т.к. обширные данные по индивидуальной изменчивости ДНК собраны и продолжают собираться как компанией Celera, так и консорциумом исследователей. Между прочим, консорциум использует в своих исследованиях генетический материал, полученный от различных людей. Д-р Вентер охарактеризовал полученные консорциумом результаты как 500 тыс. расшифрованных, но не упорядоченных фрагментов, из которых очень трудно будет составить целые гены.

Д-р Вентер заявил, что после того, как структура генов будет определена, он устроит конференцию для того, чтобы привлечь сторонних экспертов к установлению положения генов в молекулах ДНК и определению их функций. После этого другие исследователи получат бесплатный доступ к данным по геному человека.

Между Вентером и консорциумом исследователей велись переговоры о совместной публикации полученных результатов, причем один из основных пунктов соглашения должен был предусматривать, что патентование генов возможно лишь после точного определения их функций и положения в ДНК.

Однако переговоры были прерваны из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. Проблема состоит в том, что в ДНК эукариот, в отличие от ДНК прокариот, есть фрагменты, которые не поддаются расшифровке современными методами. Размеры таких фрагментов могут быть от 50 до 150 тыс. оснований, но, к счастью, эти фрагменты содержат очень немного генов. В то же время и в участках ДНК, богатых генами, есть фрагменты, которые также не могут быть пока расшифрованы.

Определение положения и функций генов предполагается осуществить с помощью специальных компьютерных программ. Эти программы будут анализировать структуру генов и, сравнивая ее с данными по геномам других организмов, предлагать варианты их возможных функций. По мнению компании Celera, работу можно считать завершенной, если гены определены практически полностью и точно известно, как расшифрованные фрагменты располагаются на молекуле ДНК, т.е. в каком порядке. Этому определению удовлетворяют результаты Celera, в то время как результаты консорциума не позволяют однозначно определить положение расшифрованных участков относительно друг друга.

Компания Celera предполагает после составления полной карты генома человека сделать эти данные доступными для других исследователей по подписке, при этом для университетов плата за пользование банком данных будет очень низкой, 5–15 тыс. долларов в год. Это составит серьезную конкуренцию базе данных Genbank, принадлежащей университетам.

Участники заседания комитета по науке резко критиковали такие компании, как Incyte Pharmaceuticals и Human Genome Sciences, которые каждую ночь копировали данные консорциума, доступные по Интернету, а затем подавали заявки на патентование всех генов, обнаруженных ими в этих последовательностях.

На вопрос, не могут ли данные о геноме человека быть использованы для создания биологического оружия нового типа, например, опасного только для некоторых популяций, д-р Вентер ответил, что гораздо большую опасность представляют данные по геномам болезнетворных бактерий и вирусов. На вопрос одного из конгрессменов, не станет ли теперь реальностью целенаправленное изменение человеческой расы, д-р Вентер ответил, что для полного определения функций всех генов может потребоваться около ста лет, а до тех пор о направленных изменениях в геноме говорить не приходится.

Напомним, что в декабре 1999 г. исследователи Великобритании и Японии объявили об установлении структуры 22-й хромосомы. Это была первая декодированная хромосома человека. Она содержит 33 млн пар оснований, и в ее структуре остались нерасшифрованными 11 участков (около 3% длины ДНК). Для этой хромосомы определены функции примерно половины генов. Установлено, например, что с дефектами этой хромосомы связано 27 различных заболеваний, среди которых такие, как шизофрения, миелоидная лейкемия и трисомия 22 – вторая по значению причина выкидышей у беременных.

В то время британские ученые резко критиковали методы секвенирования, используемые компанией Celera, считая, что они потребуют слишком длительного времени для расшифровки последовательностей и определения взаимного расположения их фрагментов. Тогда на основе известного объема декодированного материала делались прогнозы, что следующими будут картированы 7-, 20- и 21-й хромосомы.

Через неделю после объявления о завершении расшифровки нуклеотидных последовательностей в геноме человека, состоялось собрание Американской ассоциации за прогресс в науке, на которой министр по энергетике США Билл Ричардсон объявил, что ученые Объединенного института генома определили структуры 5-, 16- и 19-й хромосом человека.

Эти хромосомы содержат примерно 300 млн пар оснований, что составляет 10–15 тыс. генов, или около 11% генетического материала человека. Пока удалось картировать 90% ДНК этих хромосом – остались не поддающиеся дешифровке участки, содержащие незначительное число генов.

На картах хромосом обнаружены генетические дефекты, которые могут приводить к некоторым заболеваниям почек, раку простаты и прямой кишки, лейкемии, гипертонии, диабету и атеросклерозу.

По словам Ричардсона, ближе к лету информация о структуре хромосом будет доступна всем исследователям бесплатно.

По материалам сообщений агентства Reuter, газет Times, Washington Post, журналов Nature и Science.

Международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать гены в человеческом геноме. Расшифровка генома человека – событие столь же важное в истории человечества, как открытие электричества, изобретение радио или создание компьютеров.

В 1988 году Национальный институт здоровья США начал проект «Геном человека» , возглавил который один из открывателей структуры ДНК нобелевский лауреат Джеймс Уотсон (рис. 10) . Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е. полностью картировать все гены человека.

Планировалось, что работа по определению нуклеотидной последовательности ДНК человека (секвенирование ДНК ) должна окончиться в 2005-м году . Однако после первого года работы стало ясно, что скорости секвенирования ДНК очень низкие и для полного завершения работы такими темпами потребуется около 100 лет . Стало очевидно, что необходим поиск новых технологий секвенирования, создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. Это было невыполнимо в рамках отдельно взятого государства , и к программе подключились другие страны. Широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации Human Genom Organisation (HUGO). С 1989 г. в проект включилась и Россия. Все хромосомы человека были поделены между странами-участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы . В проекте оказались задействованы несколько тысяч ученых из 20 стран .

В 1996 году были созданы всемирные банки данных по ДНК человека. Любая вновь определенная последовательность нуклеотидов размером более 1 тыс. оснований должна была быть обнародована через Интернет в течение суток после ее расшифровки, в противном случае статьи с этими данными в научные журналы не принимались. Любой специалист в мире мог воспользоваться этой информацией.

К началу 1998 г. было секвенировано всего около 3% генома . В это время к работе неожиданно подключилась частная американская компания «Celera Genomics» под руководством Крега Вентера , которая объявила, что закончит свою работу на 4 года раньше международного консорциума ($300-миллионный проект).

Началась беспримерная в науке гонка. Два коллектива работали независимо, не жалея сил, чтобы придти к финишу первыми. В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти методы анализа сейчас используются в медицине, криминалистике и т.д.

В июне 2000 года два конкурирующих коллектива объединили свои данные, официально объявив о завершении работ.

А в феврале 2001 года появились научные публикации чернового варианта структуры генома человека. Качество секвенирования достаточно высокое и предполагает всего 1 ошибку на 50 тыс.п.н .

В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен.

Согласно имеющимся данным, фирма Celera в основном ориентировалась на геном 1 человека, о котором известно лишь, что это белый мужчина среднего возраста. Скорее всего, это был сам глава корпорации Крег Вентер.

Международный консорциум использовал в своей работе материал не менее 7 людей различных рас .

Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах. Такие как, бактерии Escherichia coli, насекомые (дрозофила), и млекопитающие (мышь). Геном любого отдельно взятого организма (исключая однояйцовых близнецов и клонированных животных) уникален, поэтому определение последовательности человеческого генома в принципе должно включать в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена.

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 .

Геном был разбит на небольшие участки, примерно по 150 000 пар нуклеотидов в длину. Эти куски затем встраивали в вектор, известный как Искусственная бактериальная хромосома (англ.) или BAC. Эти векторы созданы из бактериальных хромосом, измененных методами генной инженерии. Векторы, содержащие гены, затем можно вставлять в бактерии, где они копируются бактериальными механизмами репликации. Каждый из кусочков генома потом секвенировали раздельно методом «фрагментирования », и затем все полученные последовательности собирали воедино уже в виде компьютерного текста. Размеры полученных больших кусков ДНК, собираемых для воссоздания структуры целой хромосомы, составляли около 150 000 пар нуклеотидов.

«Celera» было более быстрое и дешёвое секвенирование человеческого генома, чем в $3-миллиардном государственном проекте. «Геном человека» вошел в историю как один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов. В целом на моент окончания проекта на проект было потрачено в сумме более 6 миллиардов долларов.

«Celera» использовала более рискованную разновидность метода фрагментации генома, которую использовали ранее для секвенирования бактериальных геномов размером до шести миллионов пар нуклеотидов в длину, но никогда для чего-либо столь большого, как человеческий геном, состоящий из трёх миллиардов пар нуклеотидов.

Рис. 6.10. Джеймс Уотсон,один из группы ученых, открывших спираль ДНК, - основатель Международной программы по изучению генома человека

1000 Genomes Project — масштабный проект, запущенный в январе 2008 года, изначальной целью которого было полное секвенирование (расшифровка) геномов тысячи человек — представителей разных рас и национальностей. В работе приняли участие команды исследователей из США, Великобритании, Италии, Перу, Кении, Нигерии, Китая и Японии. Расшифровка полного генома человека — задача непростая, так как

он содержит 20-25 тыс. активных генов. Впрочем, это составляет очень незначительную часть всех генов — остальные относятся к так называемой «мусорной ДНК», то есть не кодируют никаких белков. Но с учетом «мусорной ДНК» объем генома человека достигает около 3 млрд пар нуклеотидов.

Масштабная работа, проделанная учеными, имеет непосредственное отношение ко всем живущим на планете людям. В ходе работы ученым удалось расшифровать геномы 2504 человек, представляющих 26 разных популяций. Исследователям удалось установить, какие именно вариации имеет каждый человеческий ген — а это может помочь в том, чтобы понять, за какое генетическое заболевание он отвечает. Ученым уже удалось понять,

какие именно генетические вариации ответственны за возникновение заболеваний сердечной мышцы (миокарда), хронических воспалений желудочно-кишечного тракта, серповидноклеточной анемии (нарушений строения гемоглобина) или болезни Гоше — наследственного заболевания, которое приводит к накоплению сложных жиров во многих тканях, включая селезенку, печень, почки, легкие, головной мозг и костный мозг.

Данные, полученные в результате работы, доступны на сайте самого проекта . В ночь со вторника на среду в журнале Nature вышли две статьи , представляющие последние обзорные данные, которые были получены в ходе работы. Корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» удалось пообщаться с тремя учеными, которые принимали непосредственное участие в расшифровке генома человека: Полом Фличеком (одним из ведущих исследователей 1000 Genomes Project и ведущим научным сотрудником Европейской молекулярно-физической лаборатории), Гонсало Абекасисом (профессором Мичиганского университета) и Адамом Отоном (Нью-йоркский медицинский колледж им. Альберта Эйнштейна) и поговорить с ними о дальнейших планах и возможности практического применения результатов семилетней работы.

— В 2008 году, когда проект только начинался, перед учеными была поставлена цель: расшифровать полный геном тысячи человек. В октябре 2012 года журнал Nature объявил о том, что окончена расшифровка 1092 геномов. На текущий момент — к окончанию проекта — вам удалось секвенировать 2504 генома. Скажите, как вам удалось так существенно перевыполнить план?

Пол Фличек: Нам удалось секвенировать так много образцов, потому что за последние годы технологии, позволяющие осуществлять секвенирование генома, получили существенное развитие. Именно поэтому нам удалось получить примерно в 25 раз больше данных, чем было заявлено изначально.

Гонсало Абекасис: Не стоит забывать и о стоимости подобного анализа. Если в 2008 году полная расшифровка генома человека стоила около $100 тыс., то теперь эта сумма составляет менее $2 тыс.

— 30 сентября было объявлено о том, что финальная стадия проекта завершена. Можно ли говорить о полном завершении работ или же вы собираетесь идти дальше и ставить перед собой новые цели?

Пол Фличек: Перед нами стоит множество новых целей, касающихся как секвенирования ДНК, так и поиска взаимосвязей между вариациями разных генов, возникновения генетических заболеваний и других характеристик человека. Завершение 1000 Genomes Project — это действительно кульминация усилий, которые мы начали предпринимать еще 15 лет назад и целью которых было создание открытого ресурса, содержащего информацию о человеческих генах.

В будущем мы планируем расширить базу наших исследований и привлечь к нему людей, представляющих большее число популяций из разных стран мира, — в Африке, Азии и на Среднем Востоке остаются популяции, не вовлеченные в исследование. Теперь эта работа будет проводиться в рамках проекта .

Гонсало Абекасис: Кроме того, в дальнейшем мы планируем фокусироваться на том, как вариации каждого гена влияют на течение конкретной болезни. Для этого нужно изучить как можно большее число случаев течения и лечения подобных заболеваний.

Адам Отон: А еще мы собираемся проверить, как генетические вариации влияют на фенотип человека.

— А можно ли применять полученную вами информацию на практике уже сейчас? Или все-таки еще требуется дополнительное время на обработку данных?

Гонсало Абекасис: Собранная нами информация полезна для исследователей уже сейчас — она помогает ученым понять, сколько вариаций имеет каждый ген, какие из этих вариаций несут ответственность за возникновение разных заболеваний. Правда, до того момента, когда эти знания приведут к разработке новых лекарств, еще пройдет определенное время.

Адам Отон: Информация активно используется, и не только врачами, а вообще всеми желающими. Если исследователь — из любой сферы — хочет узнать, какие функции выполняет какой-либо ген, как он распространен среди населения земного шара или как выглядит какой-то участок генома, он может с легкостью получить эту информацию.

Пол Фличек: Я считаю, основная практическая польза полученных нами данных — это то, что они помогают составить карту распространения какого-то гена на планете.

Допустим, у человека родом из Азии обнаружили редкое генетическое заболевание. Но данные нашего проекта говорят, что вариация какого-то гена (вызывающего это заболевание) есть только в ДНК африканцев. Это будет означать, что корни заболевания надо искать в изменениях другого гена. Кроме того, мы стали лучше понимать, как разные популяции людей мигрировали по миру.

— Если бы вас попросили описать результаты семилетней работы в одном-двух предложениях, что бы вы сказали?

Пол Фличек: Важнейший результат 1000 Genomes Рroject — это составление каталога вариаций человеческих генов и анализ методов и инструментов, которые могут быть использованы для дальнейшего секвенирования генома человека. Этот каталог полностью бесплатен и находится в открытом доступе.

Гонсало Абекасис: Теперь у нас есть каталог, где представлены разные версии каждой последовательности ДНК, а значит, каждого гена, и с помощью которого мы можем определить, в каких регионах планеты распространена каждая версия. Мы можем использовать эту информацию, чтобы сократить время и затраты, необходимые на расшифровку генома других людей.

Адам Отон: 1000 Genomes Project самым существенным образом улучшил наше понимание того, как вариации человеческих генов распространены в мире.

— И последний вопрос: что вы чувствуете сейчас, когда семилетний проект, в котором вы принимали самое непосредственное участие, завершен?

Гонсало Абекасис: Я чувствую, что пришло время принять следующий вызов: применить то, что мы узнали, на практике и начать разрабатывать методы лечения генетических заболеваний.

Адам Оттон: Проект стал базой для дальнейшей работы: все хотят знать, что вариации генов могут рассказать нам о различных заболеваниях. Несколько следующих лет обещают быть очень насыщенными.

Пол Фличек: Мне немного грустно. Наш проект был яркой демонстрацией того, на что способны современные технологии. Проект постоянно рос и развивался — вместе с развитием технологий, а его завершение действительно означает конец целой эпохи. Хотя, само собой, использование данных, полученных при расшифровке ДНК, еще только начинается, и мне кажется, что 1000 Genomes Project можно сравнить с ребенком, которому еще расти и расти.

Ученые выяснили, что основная часть генома человека - вовсе не мусор, как считалось раньше. Большой консорциум исследователей установил, что у 80 процентов ДНК есть какая-то биологическая функция. Это открытие достойно того, чтобы называться эпохальным, но правда ли ученые открыли именно то, о чем сообщается в пресс-релизах?

Не только гены

Проект, участники которого совершили столь громкое открытие, называется ENCODE (сокращение от Encyclopedia of DNA Elements, в переводе с английского - "энциклопедия фрагментов ДНК") и ставит перед собой по-настоящему всеобъемлющую цель - описать все последовательности генома человека, обладающие той или иной функцией. Задача очень важная: ДНК человека состоит из трех миллиардов "букв" (нуклеотидов), при этом собственно генов в ней всего 20 тысяч, и их общая длина слегка превышает 1 процент от всего размера генома. Зачем нужны остальные 99 процентов - долгое время было неясным.

Впрочем, один из возможных ответов на этот вопрос, крайне популярный у биологов конца прошлого века, отражен в названии, которым ученые в 1970-х окрестили весь непонятный массив генетических данных – "мусорная" ДНК (по-английски - junk DNA). Однако по мере дальнейшего изучения механизмов работы живой клетки становилось ясно, что гены - это далеко не единственное, что определяет, как будет реализована заложенная в ней наследственная информация.

Даже если в далеком будущем ученые выяснят, за что отвечает каждый из 20 тысяч генов Homo sapiens и бесчисленное множество их вариантов, то, глядя на распечатку генов конкретного человека, они все равно не смогут полностью описать, как он выглядит, насколько хорошо работают его сердце, легкие и другие органы, от каких болезней он страдает или сколько баллов наберет в тесте на IQ. Для того чтобы создать исчерпывающий портрет человека, помимо знания, какие именно у него есть гены, нужно как минимум понимать, какие регуляторные элементы управляют работой этих генов (кроме того, желательно учитывать, в каких условиях человек рос, но сегодня этот фактор считается куда менее значимым, чем раньше). Регуляторы "притягивают" специфические белки, которые могут запустить или выключить работу гена.

Но только знания последовательности генов и регуляторных элементов все равно недостаточно для создания полной картины работы генома. Еще один важный фактор - пространственное расположение в ядре фрагментов ДНК, на которых находятся гены и регуляторы. Очень может быть, что последовательность, запускающая работу гена, удалена от него на расстояние в десятки тысяч "букв" - но если нить ДНК изогнется в петлю так, что они соприкоснутся, ген будет активно функционировать.

Наконец, работа клетки зависит от того, как модифицирована ее ДНК. Ученые достаточно давно выяснили, что к "буквам" генетического кода могут быть "прикручены" различные химические довески, но истинная значимость таких изменений стала очевидной только в последние пару десятков лет. Часть модификаций (например, метилирование) "выключает" гены, другие "усовершенствования", наоборот, заставляют их работать без остановки. Помимо генов химическим изменениям могут подвергаться специфические белки под названием гистоны, вокруг которых обернута ядерная ДНК. Сложная укладка спиралей дезоксирибонуклеиновой кислоты позволяет "впихнуть" длиннющие нити в крошечное ядро - суммарная протяженность ДНК человека, например, составляет примерно два метра, а диаметр ядра при этом не превышает 20 микрометров (микрометр - миллионная часть метра).

Постепенно исследователи накапливали все больше данных о том, какие еще тонкости кроме собственно последовательности генов влияют на реализацию заложенной в организме информации. Организаторы проекта ENCODE поставили своей целью запротоколировать все эти "дополнения" к геному человека. Другими словами, они решили вычленить из массива "мусорной" ДНК все фрагменты, которые могут быть значимыми для работы клетки.

Проект стартовал в 2003 году, и в него было приглашено около 400 ученых со всего мира. Отдельные группы занимались разными "ветвями" исследования, а затем все их результаты объединялись, сравнивались и анализировались. Первый значимый рубеж был пройден в 2007 году, когда консорциум специалистов представил результаты анализа одного процента генома человека. Половина фрагментов была взята из хорошо изученных участков хромосом, а половина "представляла" геномную terra incognita . Предполагалось, что охарактеризованная учеными ДНК послужит своеобразным образцом, ориентируясь на который можно будет делать обобщающие выводы обо всем геноме.

Нынешний результат проекта ENCODE куда более существенен: на этот раз исследователи не ограничились одним процентом, а прошлись по всему человеческому геному. Всего ученые опубликовали 6 статей в одном из самых престижных научных журналов Nature , плюс еще два с половиной десятка материалов в журналах попроще. Специалисты искали все перечисленные выше потенциально значимые участки ДНК и, кроме того, оценивали, с какого процента "букв" синтезируется РНК. Этот процесс называется транскрипцией, и, собственно, именно он является прямым показателем того, что ген активен. Гены содержат информацию о белках в закодированном виде, но ферменты - строители белков расшифровывать этот код не умеют. Инструкции для них записываются на особую молекулу-посредник под названием матричная РНК (мРНК). Специальные белки считывают записанную в ДНК информацию и "переводят" ее на язык мРНК, понятный ферментам-строителям.

На заре изучения механизмов работы генома считалось, что транскрипция может идти только с генов. Один из открывателей структуры ДНК Френсис Крик даже постулировал это убеждение в своей знаменитой центральной догме молекулярной биологии, которая описывает процесс реализации генетической информации в клетке. Классический вариант центральной догмы гласит, что информация передается только по пути ДНК - РНК - белок, причем однонаправленно. Позже оказалось, что предложенная Криком схема на самом деле устроена несколько сложнее и потоки информации между тремя ее основными компонентами могут протекать более чем одним способом.

В частности, оказалось, что молекулы РНК образуются не только с генов, но и с участков той самой "мусорной" ДНК. Эти рибонуклеиновые кислоты представляют еще один тип регулировщиков работы генома и могут напрямую влиять на активность генов, определяя, как именно будет считываться записанная в них информация. Таким образом, участки ДНК вне генов, с которых идет такая транскрипция, уже нельзя причислить к "мусору". И по итогам нынешнего этапа ENCODE оказалось, что так или иначе РНК синтезируется с 60 процентами всей человеческой ДНК. Еще около 20 процентов генома подпадают под другие критерии потенциально значимых участков. И именно цифра 80 появилась во всех пресс-релизах и научно-популярных статьях, причем в большей части публикаций утверждалось, что вся эта ДНК, прежде считавшаяся ненужной, обладает некими биологическими функциями. И такую интерпретацию результатов можно назвать, как минимум, некорректной.

Легкое преувеличение

Все дело в том, что молекулярные машины, которые отвечают за внутреннюю кухню вокруг ДНК, несовершенны. Несмотря на удивительную точность и прецизионность своей работы - даже самая сложная человеческая техника пока далеко отстает от этого уровня - иногда эти машины ошибаются. Ферменты, копирующие ДНК, вставляют не ту "букву", белки, которые чинят поломки генома, вдруг пропускают целые куски или, наоборот, добавляют пару лишних фрагментов и так далее. Нередко такие ошибки оказываются для организма смертельными или же приводят к тяжелому недугу, но, с другой стороны, именно они формируют тот ресурс мутаций, без которых невозможны эволюционные изменения.

Многие из этих мутаций никак не сказываются на работе клетки, и эти безразличные для организма ошибки выпадают из "поля зрения" естественного отбора. Если лишняя копия гена не мешает работе остальных, то она может оставаться в геноме сколь угодно долго. Постепенно в ней будут накапливаться мутации, но если "буквы" в начале гена останутся неизменными, то ненужная копия будет продолжать транскрибироваться. Ферменты, синтезирующие РНК, узнают именно передние части генов (промоторы) и не умеют определять, "правильный" перед ними ген или "неправильный". Они начинают транскрипцию даже если ген обрывается на середине или от него вообще остался только коротенький "огрызок". В результате образуются короткие РНК, которые сразу же утилизируются специальными клеточными "мусорщиками". Недоделанные РНК не выполняют в клетке никакой полезной работы, однако по стандартам проекта ENCODE будет считаться, что участок ДНК, с которого идет подобная транскрипция, имеет какую-то функцию.

Так как ферменты могут ошибиться в любой момент, за миллионы лет в геноме появились не только лишние гены, но и лишние копии регуляторных участков, которые контролируют работу генов. И хотя такой регулятор давно не "привязан" ни к какому осмысленному фрагменту ДНК, его по-прежнему будут узнавать специальные белки, а значит, он попадет в список потенциально функциональных участков ENCODE.

Помимо генных фрагментов, порожденных ошибочной работой ферментов, в человеческих хромосомах очень много так называемых мобильных генетических элементов и остатков древних вирусов, которые умеют встраивать свои гены в ДНК клетки-хозяина. Мобильными генетическими элементами называют куски ДНК, способные перемещаться по геному. Они были открыты в конце 1940-х годов американской исследовательницей Барбарой Макклинток, однако у научного сообщества идея прыгающей ДНК получила признание только 30 лет спустя (а Нобелевскую премию за свои работы Макклинток получила и вовсе в 1983 году). И мобильные элементы, и когда-то встроившиеся в геном вирусы несут промоторы, так что с них тоже может идти транскрипция. Большинство чужеродных человеческому геному элементов давно перестали работать, но РНК с них зачастую синтезируются, и значит, эти фрагменты генома будут определяться проектом ENCODE как функциональные.

Таким образом, далеко не все участки ДНК из выделенных участниками ENCODE 80-ти процентов на самом деле выполняют в клетке хоть какую-нибудь функцию. Собственно, сами ученые и не утверждают, что все, найденное ими, действительно важно: биоинформатик Эван Бирни (Ewan Birney), координирующий процесс анализа полученных данных, в своем блоге признает, что сама по себе транскрипция, идущая с некоего участка ДНК, не является надежным показателем его функциональности. Главным признаком того, что данный фрагмент ДНК для чего-то используется, Бирни и его коллеги считают узнавание специфическими белками, которые запускают транскрипцию или выполняют функции регуляторов. Доля таких участков во всем геноме, по оценкам специалистов ENCODE, составляет около 20 процентов, причем сюда входят и участки ДНК внутри генов.

Однако и эту цифру рано называть окончательной - как уже говорилось выше, привлекать специфические белки могут остатки вирусной ДНК или фрагменты, оказавшиеся в геноме из-за "недосмотра" ферментов. Чтобы найти действительно важные для клетки последовательности, необходимо выяснить, какие из попавших в перечень ENCODE фрагментов ДНК сохраняются в геноме на протяжении длительного времени. Другими словами, ученым нужно отделить последовательности, находящиеся под давлением естественного отбора. Изменения в таких последовательностях приводят к гибели организма или делают его неспособным к размножению - и вот они, с большой долей вероятности, действительно выполняют в клетке какие-либо важные функции.

"Задача отделить действительно функциональные элементы от участков, которые транскрибируются случайно, потребует гораздо больше работы, чем уже было проделано", - считает ведущий исследователь Национального центра биотехнологической информации США Евгений Кунин. "Более того, это теоретически невозможно, чтобы 80 процентов последовательностей генома выполняло ту или иную биологическую функцию. Не может такая значительная часть генома быть предметом отбора", - пояснил Кунин "Ленте.ру".

Бирни признает, что окончательным маркером функционально важных участков ДНК должна быть их устойчивость при передаче из поколения в поколение. Однако ученый отмечает, что некоторые последовательности могут выпадать из этого правила - скажем, гены, отвечающие за форму носа, очень вероятно, не находятся под строгим давлением отбора. Но это не значит, что они не интересны исследователям, занимающимся генетикой человека.

Но если участники проекта ENCODE ориентируются на показатель в 20 процентов - почему во все пресс-релизы (в том числе, и пресс-релиз журнала Nature ) попала в четыре раза большая цифра? Бирни объясняет эту странность так: "Сначала я настаивал на [использовании обеих цифр]. Но поместить в один абзац сразу два процентных показателя - значит, потребовать слишком много усилий от читателей. Им необходимо понять, почему между этими двумя цифрами такая большая разница, а соответствующие объяснения могут оказаться чуть более длинными, чем способны вытерпеть большинство людей". В итоге исследователи остановились на варианте 80 процентов, потому что в него включены данные всех экспериментов ENCODE. Кроме того, он лучше подчеркивает главную мысль проекта, а именно, что геном - это не массив "мертвой" ДНК, а структура, наполненная жизнью и активностью.

Ложка меда

Собственно, словосочетание "биологическая функция" тоже появилось только в пресс-релизах. В оригинальных статьях ученые используют куда более нейтральное определение "биохимическая функция", которое прямо не указывает на значимость этой "функции" для организма.

Небольшая подмена понятий, которую позволили себе участники ENCODE, отнюдь не умаляет достоинств проекта. Это колоссальное по своим масштабам исследование, которое дает ученым массу ценнейшей информации для работы. Некоторые практические результаты есть уже сегодня. Проанализировав мутации (так называемые однонуклеотидные полиморфизмы или снипы), которые повышают вероятность, что у человека разовьется тот или иной недуг, специалисты выяснили, что до трети таких изменений располагаются в регуляторных участках, причем многие из этих участков активны только в иммунных клетках. Подобные данные уже позволяют исследователям искать причины заболеваний прицельно в конкретном типе клеток, а не перебирать все возможные варианты.

"Такие масштабные геномные проекты - это всегда позитивно, - считает директор института биологии гена РАН Павел Георгиев. - Они позволяют очень сильно экономить средства. В таких проектах большое сообщество ученых целенаправленно решает одну конкретную задачу, и это всегда эффективнее по сравнению с ситуацией, когда какие-то отдельные лаборатории с довольно ограниченными возможностями самостоятельно пытаются что-то сделать".

У всех подобных проектов, за исключением разве что самых "очевидных", вроде "Генома человека", есть одна общая проблема: как донести до публики их ценность. Результаты работы исследователей зачастую очень специфичны, и для того, чтобы объяснить их суть, требуется много времени. Отсюда и берутся громкие заголовки и передергивания вроде 80-процентной функциональности генома. Намеренно вводить читателей в заблуждение, конечно, нехорошо, но, с другой стороны, иногда только такой прием позволяет привлечь внимание к по-настоящему важному проекту. Так что лукавых ученых, наверное, можно понять.

Член-корреспондент Российской академии наук Л. КИСЕЛЕВ, председатель Научного совета Российской национальной программы "Геном человека" Министерства науки и технологий России.

Достижение века: после восьми лет работы многих исследовательских групп удалось точно определить 97 миллионов пар нуклеотидов и их местонахождение в спирали ДНК, хранящей полную наследственную информацию микроскопического червячка Сaenorhabditis elegans.

Так выглядит при сильном увеличении героиня грандиозного эксперимента - нематода С. elegans. Ее истинная величина - 1мм.

Просматриваются фрагменты расшифровки строения генома.

Сотрудники Сенгеровского центра в Кембридже, принимавшие участие в расшифровке генома C. elegans.

На рисунке показано строение C. elegans: 1 - так называемый желудочек, 2 - тонкий отдел кишечника, 3 - яичник, 4 - яйца.

Машины, применявшиеся для секвенирования генома С. elegans.

С самых древних времен люди задумывались над вопросом о том, как особенности живых организмов передаются их потомкам. Разрабатывались самые разные теории, иногда очень остроумные и не противоречащие многим фактам, но по-настоящему материальные основы наследственности начали проясняться лишь 45 лет назад, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик расшифровали строение ДНК. Оказалось, что в этой скрученной двойным жгутом гигантской молекуле записаны все признаки организма.

Каждая прядь молекулы ДНК представляет собой цепочку из четырех типов звеньев - нуклеотидов, повторяющихся в разном порядке. Нуклеотиды обычно считают парами, как сапоги или перчатки, потому что в молекуле ДНК две цепочки и их нуклеотиды соединены поперечными связями попарно. Четыре сорта нуклеотидов, четыре "буквы" позволяют записать генетический "текст", который прочитывается механизмом синтеза белка в живой клетке. Группа из трех стоящих подряд нуклеотидов, действуя через довольно сложный передаточный механизм, заставляет рибосому - внутриклеточную частичку, занимающуюся синтезом белков, - подхватывать из цитоплазмы определенную аминокислоту, следующие три нуклеотида через посредников "диктуют" рибосоме, какую аминокислоту ставить в цепочку белка на следующее место, и так постепенно получается молекула белка. А белки - не только основной строительный материал живого организма: многие из них - ферменты - управляют процессами в клетке. Так что информации, записанной в ДНК тройками пар нуклеотидов, достаточно для построения нового организма со всеми его особенностями.

Еще задолго до открытия всех этих (и многих других) молекулярных тонкостей, изучая передачу наследственных признаков при скрещивании, биологи поняли, что каждый признак определяется отдельной частицей, которую назвали геном. Удалось понять, что гены лежат в ядре клетки, в хромосомах. А после открытия роли ДНК и механизма синтеза белков стало ясно, что ген - это участок цепочки ДНК, на котором записано строение молекулы определенного белка. В некоторых генах всего 800 пар нуклеотидов, в других - около миллиона. У человека около 80-90 тысяч генов. Набор генов, присущий организму, называется его геномом.

В последние годы зародилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты - сначала вирусов, бактерий, дрожжевых грибков. А сейчас впервые удалось полностью прочитать геном многоклеточного животного - обитающего в почве микроскопического червячка длиной около миллиметра. В лабораториях мира полным ходом идет расшифровка генома человека. Эта международная программа была начата в 1989 году, тогда же благодаря инициативе и энергии выдающегося биолога, ныне покойного академика А. А. Баева, к программе подключилась и Россия. В феврале этого года в Черноголовке под Москвой прошла конференция "Геном человека-99", посвященная десятилетию начала этих работ и памяти их инициатора, руководившего российской частью программы первые пять лет. Сейчас в разных странах мира, в лабораториях, разделивших между собой "фронт работ" (всего надо прочитать около трех миллиардов пар нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все ускоряется.

Об успехах и перспективах геномики рассказывает публикуемая статья.

Как это было

Биология, по всеобщему признанию, заняла доминирующее положение среди естественных наук во второй половине уходящего века. В конце 1998 года эта точка зрения получила новое мощное подтверждение: завершена восьмилет няя работа по расшифровке строения генома (совокупности генов и межгенных участков) многоклеточного животного, круглого червя, нематоды, имеющего латинское название Caenorhabditis elegans.

Хотя это очень маленький червь, скорее червячок, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном этой нематоды состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК, округленно 0,1 миллиарда пар. Геном человека, согласно большинству оценок, - 3 миллиарда нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно эта работа, о которой идет речь, окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы.

Расшифровка, или, как говорят биологи, секвенирование, генома C. elegans была осуществлена по совместному проекту двумя исследовательскими группами: из Центра геномного секвенирования Вашингтонского университета (США) и Сенгеровского центра (Кембридж, Англия). В журнале "Science" от 11 декабря 1998 года опубликована серия статей, подробно рассказывающая об этой поистине грандиозной работе. Число авторов этой работы столь велико, что журнал не опубликовал списка, отослав читателей к Internet, а авторов назвал просто "Консорциум секвенаторов C. elegans". Это, вероятно, первый случай в истории науки, когда открытие с самого начала и с согласия авторов как бы становится анонимным. Эту работу можно с полным правом считать знаковой, символизирующей "индустриальную" науку. Зримый символ современной науки, где огромные финансовые вложения, роботизация, автоматизация, менеджмент, дисциплина, координация играли определяющую роль, оттеснив на этом этапе роль интеллекта и творческой изобретательности отдельных участников проекта.

Будет справедливым напомнить о том, кто первым обратил внимание на C. elegans как на объект исследования. В середине 1960-х годов Сидней Бреннер, выдающийся молекулярный генетик, внесший огромный вклад в изучение генетического кода, работал в знаменитой лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в Англии (в ней трудились нобелевские лауреаты Ф. Крик, Дж. Кендрю, М. Перутц, А. Клуг и другие знаменитые исследователи). После работы над кодом С. Бреннер решил посвятить себя изучению нервной системы и путей ее возникновения и формирования. Он обратил внимание на малюсенького червя (C. elegans), состоящего всего из 959 клеток, из которых 302 нейроны, нервные клетки. Замечательным свойством нематоды была ее прозрачность: можно следить за поведением и судьбой каждой отдельной клетки! Сидней Бреннер привлек в свою "нематодную" лабораторию талантливых молодых исследователей, сделавших немало важных открытий. Многие из них стали "мотором" проекта секвенирования, который был реализован в Сенгеровском центре.

Естественно, расшифровать геном таких гигантских размеров, как у названной нематоды (напомню: 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК), невозможно без огромной подготовительной работы. Ее в основном завершили к 1989 году. Прежде всего была построена физическая карта всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях один от другого.

И вот с 1990 года началось само секвенирование. Его темп составлял в 1992 году 1 миллион пар нуклеотидов в год. Если бы такой темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100 лет! Ускорить работы удалось простейшим способом - число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100. Люди и аппараты работали круглосуточно, производительность каждой машины была увеличена за счет большего числа дорожек, на которых секвенировали фрагменты ДНК.

По мере того, как раскрывалась нуклеотидная последовательность ДНК C. elegans, пришлось расстаться с двумя заблуждениями. Во-первых, оказалось, что генов у нее не 15 тысяч, как предполагали вначале, а 19099. Во-вторых, надежда на то, что гены сосредоточены в середине хромосом, а к концам сильно редеют, оправдалась лишь отчасти, гены распределены вдоль хромосом относительно равномерно, хотя в центральной части их все-таки больше.

Если у дрожжей функция половины генов в геноме неизвестна (так называемые молчащие гены), то у червя эта доля еще больше: из 19 тысяч генов 12 тысяч остаются пока загадочными.

Два исследовательских центра, решившие гигантскую по сложности задачу, приобрели уникальный опыт - и в ходе получения самих результатов, и в ходе их осмысления, хранения и переработки. Поэтому неудивительно, что обе группы недавно заявили, что они готовы раскрыть структуру половины генома человека, то есть выполнить работу в 15 раз большую по объему, чем то, что было сделано на геноме червя. И это реально. Приведу такие цифры. Сейчас во всем мире в день расшифровывается более 1 миллиона пар нуклеотидов - столько, сколько за весь 1992 год. Скорость возросла в 365 раз!

Значение секвенирования генома нематоды, конечно, выходит далеко за рамки того, что можно назвать полигоном для расшифровки генома человека. C. elegans - первый многоклеточный организм, геном которого раскрыт практически полностью. Можно напомнить: два года назад был расшифрован первый геном эукариотического организма - дрожжей, то есть организма, клетки которого содержат оформленные ядра. (К эукариотам относятся все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие. Дрожжи, согласно биологической систематике, относятся к одноклеточным грибам.) Иначе говоря, за два года был пройден путь от генома одноклеточного до генома многоклеточного организма. Биологи знают, это гигантская дистанция на лестнице эволюции и, следовательно, на пути усложнения геномов. Поразительно, как невероятно быстро пройден этот путь!

Сравнивая теперь геномы бактерий (известно уже более 20 геномов) с геномами дрожжей и нематоды, биологи-эволюционисты имеют уникальную возможность сравнивать не отдельные гены и даже не генные ансамбли, а целиком геномы - такой возможности в биологии еще десять лет назад просто не существовало, об этом только мечтали. В ближайшие месяцы, когда полученные огромные объемы информации начнут осваивать и осмысливать, следует ждать появления принципиально новых концепций в теории биологической эволюции.

Новые данные и перспективы биологии

Каковы же ближайшие перспективы, открывающиеся сейчас в биологии? Вот самые очевидные. У человека только в пять раз больше генов, чем у нематоды. Следовательно, по крайней мере около 20% генома человека должно иметь родственников среди известных теперь генов C. elegans. Это в громадной степени облегчает поиск новых генов человека. Функции еще не известных генов нематоды изучать несравненно легче, чем аналогичные гены у человека. Гены червя можно легко изменить (мутировать), одновременно следя за изменениями структуры гена и свойств организма. Таким путем можно выявлять биологическую роль генных продуктов (то есть белков) у червя, а затем экстраполировать эти данные на другие организмы, в первую очередь на человека. А можно угнетать активность генов (например, с помощью особых молекул специфических РНК) и следить, как меняется поведение организма. Этот путь тоже раскрывает функции неизвестных генов и, разумеется, сильнейшим образом повлияет на изучение генома человека и других высших организмов.

Биологов всегда интригует вопрос: как регулируется работа генов? Хотя мы знаем об этом очень много, наши знания получены в основном на отдельных генах, а потому не дают цельной картины регуляции работы всего генома как единого целого. Сейчас бурно развивается техника так называемых биочипов (по аналогии с микрочипами в кибернетике). Это маленькие пластинки, на которые с помощью прецизионных приборов в тысячи точек, на строго фиксированных расстояниях одна от другой, наносят микроскопические количества фрагментов ДНК.

Такой микрочип может, например, содержать все 19000 генов нематоды - по одному гену в каждой точке, и его можно использовать для того, чтобы определить, какие гены работают в данной клетке червя, а какие молчат. Разумеется, здесь возможно использовать клетки на любой стадии развития и из любой части тела червя. В результате исследователь получит информацию о функциональном состоянии всех генов любой клетки на любой стадии развития червя. Опыты уже начаты, есть все основания не сомневаться, что еще в текущем году мы узнаем о первых результатах. Это будет действительно революционным прорывом для биологии развития. Помимо совершенной микротехники эти опыты требуют и совершенных компьютерных программ, чтобы полученные фактические данные можно было осмыслить и интерпретировать.

Методика биочипов открывает новую стратегию в решении одной из сложнейших в биологии проблем - проблемы взаимосвязи сигнальных регуляторных путей. Основная трудность заключается в том, что взаимодействие белковых продуктов многих генов происходит одновременно, причем комбинации белков меняются не только во времени, но и в клеточном пространстве. В результате изучение отдельных генов и их продуктов (что в основном делалось до сих пор) нередко было неэффективным.

Каково соотношение областей в геноме C. elegans, кодирующих синтез белков (экзоны) и не кодирующих (интроны)? Компьютерный анализ показывает, что экзоны и интроны занимают в геноме нематоды примерно равные доли (27 и 26%), остальное (47%) приходится на повторы, на межгенные участки и т. д., то есть на ДНК с неизвестными науке функциями.

Если сравнить по этим данным дрожжевой геном и геном человека, то станет очевидным, что в ходе эволюции доля кодирующих участков в расчете на весь геном резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, а у человека очень мала. Об этом знали сравнительно давно, но сейчас названные соотношения приобрели не только количественную меру, но и структурную основу. Мы приходим, на первый взгляд, к достаточно парадоксальному выводу. Эволюция у эукариот от низших форм к высшим сопряжена с "разбавлением" генома - на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации "ни о чем", то есть для нас непонятной, непрочитанной.

Это одна из больших загадок биологической эволюции. По поводу "лишней" ДНК существуют самые разные предположения, зачастую прямо противоположные по смыслу. Много лет назад Ф. Крик, один из отцов двойной спирали ДНК, назвал эту "лишнюю" ДНК "эгоистической", или "мусорной". Он считал ее издержкой эволюции, накапливающейся в геноме в результате неполного совершенства генетических процессов, "балластом", платой за совершенство остальной части генома. Возможно, что некоторая небольшая "эгоистическая" доля в ДНК человека и других высших организмов действительно относится к такому типу. Однако теперь стало ясно, что основная доля "эгоистической" ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается, потому что она дает ее обладателям эволюционные преимущества.

Классическим примером "эгоистической" ДНК служат так называемые короткие повторы участков ДНК (Alu-элементы, альфа-сателлитные ДНК и другие). Как выяснилось в последние годы, их структура абсолютно консервативна, то есть мутации, нарушающие "правила", установленные природой для этих элементов, не сохраняются, они "отбрасываются" отбором. Структурное постоянство - мощный аргумент в пользу идеи о том, что такие участки являются отнюдь не "эгоистическими", а это очень важная часть ДНК для жизни вида. Другое дело, что мы еще не знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.

Геномика человека и будущее человечества

Сегодня почти каждый день широкая пресса США и западноевропейских стран сообщает о все новых и новых генах человека и об их функциях или связи с теми или иными заболеваниями. В 1998 году правительство США истратило на проект по изучению генома человека 300 миллионов долларов, а частные компании, прежде всего биотехнологические, - даже больше этой суммы. По крайней мере 20 самых развитых стран мира имеют свои национальные программы по изучению генома человека.

Сейчас геномная программа уже доказала свое выдающееся значение для развития наших знаний о жизни в целом. Интересно вспомнить, как эти идеи были встречены в момент их первоначального обсуждения и создания программы. Научное сообщество тогда разделилось на две части: одна встретила идею геномной программы с энтузиазмом, тогда как другая - со скепсисом, недоверием и подозрительностью. Среди этой второй группы были и выдающиеся ученые, например, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор, один из отцов обратной транскрипции. Основное возражение противников: создание геномной программы направлено на то, чтобы привлечь большие финансовые средства (и тем самым отобрать их у других направлений биологии), а не получить новые знания.

Истекшие 10 лет показали, что новый уровень понимания биологических проблем, сложившийся благодаря результатам геномных исследований, уже сейчас с лихвой оправдал все организационные усилия и финансовые вложения. Более того, стало ясно, что добытая информация не могла быть получена простой поддержкой сотен отдельных исследовательских групп, даже высококвали фицированных и хорошо оснащенных. Но вместе с тем теперь мы понимаем, что 10 лет назад трудно было оценить глубину и широту влияния геномики (области биологии, изучающей геномы) человека на биологию в целом.

Один из сильных аргументов против геномной программы состоял также в том, что "индустриализация" биологии приведет к утрате ее творческого потенциала, исчезновению "малой" биологии - небольших исследовательских групп, возглавляемых талантливыми, оригинально мыслящими исследователями, которые не захотят пойти работать на "фабрики секвенирования ДНК". Среди ученых, придерживавшихся таких взглядов, был, например, и Брюс Олбертс, нынешний президент Национальной академии США.

Безусловно справедливо, что одно из основных звеньев геномной программы - секвенирование, которое в столь гигантском масштабе достижимо только индустриальными методами. Однако само достижение этой фазы требовало больших интеллектуальных усилий, новой приборной базы, новых методов, новых инструментов исследования. Здесь требовалось творческое усилие отдельных ученых. И это творческое начало как необходимый компонент индустриализации было недооценен о скептиками.

Разработанные в геномике человека идеи и методы имеют универсальное значение и применимы для решения огромного круга биологических проблем, далеко отстоящих от собственно генома человека. Напомним только о некоторых из них.

Для картирования генома (обязательная стадия исследований, предшествующая секвенированию) разработаны высокоэффективные техники, такие, как радиационные гибриды (коллекции клеток, в которых удалены разные небольшие фрагменты каждой из хромосом), или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие огромные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека... Новые техники в совокупности позволили построить детальную карту генома человека, которая к концу 1998 года содержала более 30 тысяч маркеров, создававших детальную карту генома.

Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез резко ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК), созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.

Важно подчеркнуть, что вся эта приборная база и методология в полной мере может применяться к любым геномам, от бактерий до сельскохозяйственных животных и растений.

Пожалуй, от развития геномики человека в настоящее время выиграла больше всего микробиология, поскольку уже расшифровано более 20 полных геномов, в том числе возбудителей многих опасных болезней (туберкулеза, сыпного тифа, язвы желудка и других). Можно с уверенностью утверждать, что без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и, вероятно, в гораздо меньшем объеме. Знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно для создания вакцин (причем рационально сконструированных), для диагностики и других медицинских целей. Велико влияние геномики и на медицинскую генетику, которая занимается генодиагностикой наследственных болезней, генетическими основами предрасположенности ко многим распространенным болезням.

Частные компании, кредитовавшие проект, получили тысячи патентов на новые гены, фрагменты ДНК, новые методики и
т. д. Это имеет как бы двойной эффект. С одной стороны, геномика получает мощный дополнительный импульс к развитию, а с другой - коммерциализация геномики ведет к тому, что многое из полученной информации фирмы засекречивают, особенно по геномике микроорганизмов, заставляя и некоторых ученых поступать аналогичным образом.

Геномные методы идентификации личности, разработанные и практически реализованные в геномике человека, имеют далеко идущие последствия для общества. Действительно, криминалистика получила в свое распоряжение абсолютно надежный метод доказательства виновности или невиновности человека. Для такого геномного анализа (его часто называют геномной дактилоскопией) достаточно одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы, слюны, перхоти и т. д. Сегодня в мире тысячи людей осуждены или оправданы только на основании геномного анализа. Идентификация родственных связей людей решает сейчас проблемы отцовства и материнства, проблемы наследования прав и имущества между родственниками и неродственни ками, если эти вопросы возникают.

Огромный интерес вызывает вторжение геномики в историю человечества, этнографию, лингвистику и другие области гуманитарного знания. В эту орбиту уже вовлечены и такие биологические науки, как антропология и палеонтология, теория эволюции. Многие спорные вопросы истории цивилизаций в древние времена будут, скорее всего, решены не историками, а геномоведами. Например, уже сейчас ясно (хотя эти работы начались совсем недавно), что происхождение и миграцию многих народов в мире (и, конечно, в том числе в России) легче всего будет проследить по геномным маркерам, которые дают количественную и однозначную информацию.

Программа "Геном человека", как уже говорилось, - программа общечеловеческая. Каждая лаборатория, в какой бы стране она ни находилась, вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то удается раскрыть структуру нового гена, эта информация немедленно поступает в Международный банк данных, доступный каждому исследователю. Без преувеличения надо сказать, что развитие информатики играет поистине огромную роль в успехе мировой геномной программы.

В России по этой программе работают около 100 исследовательских групп. Есть оригинальные работы, получившие международное признание (только в прошлом году участники программы опубликовали более 70 статей в международных журналах). Первые пять лет главным в программе было картирование, иначе говоря - расстановка "опознавательных значков", попытка понять: где, в какой части хромосомы ученые находятся - подобно тому, как географы прошлого составляли первые карты Земли.

Теперь акцент сместился, и исследователи пытаются уже определить функции отдельных генов. Это переход от "индустриальной науки", требующей прежде всего оборудования, к науке интеллектуальной. И на этом этапе мы надеемся преуспеть. "Массовое производство" было нам недоступно прежде всего из-за недостатка финансирования, а кроме того - русские ученые никогда не любили механическую работу.

Оглядываясь на 10 лет назад, можно увидеть, что значение геномики было недооценено, а ее влияние оказалось гораздо шире и глубже, чем ожидалось. Ясно также, что создание геномного проекта было огромным достижением для биологов всего мира, так как впервые поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные проекты с огромным не только общенаучным, но и практическим выходом. Сравнивая геномный проект с проектом освоения космического пространства (программа полетов к Луне и Марсу, программа околоземных станций), видно, что биологическая программа, будучи во много раз дешевле, по своему влиянию на жизнь людей не только не уступает, но и в конечном итоге, безусловно, превзойдет достижения космических программ, поскольку окажет влияние в XXI веке почти на каждого жителя Земли.