Так виглядає при сильному збільшенні героїня грандіозного експерименту - нематода С. elegans. Її справжня величина - 1мм.
Проглядаються фрагменти розшифровки будови геному.
Співробітники Сенгеровского центру в Кембриджі, які брали участь в розшифровці генома C. elegans.
На малюнку показано будову C. elegans: 1 - так званий шлуночок, 2 - тонкий відділ кишечника, 3 - яєчник, 4 - яйця.
Машини, що застосовувалися для секвенування генома С. elegans.
<
>
З найдавніших часів люди замислювалися над питанням про те, як особливості живих організмів передаються їхнім нащадкам. Розроблялися різні теорії, іноді дуже дотепні і не суперечать багатьом фактам, але по-справжньому матеріальні основи спадковості почали прояснюватися лише 45 років тому, коли Дж. Уотсон і Ф. Крик розшифрували будову ДНК. Виявилося, що в цій скрученої подвійним джгутом гігантської молекулі записані всі ознаки організму.
Кожна пасмо молекули ДНК являє собою ланцюжок з чотирьох типів ланок - нуклеотидів, що повторюються в різному порядку. Нуклеотиди зазвичай вважають парами, як чоботи або рукавички, тому що в молекулі ДНК два ланцюжки і їх нуклеотиди з'єднані поперечними зв'язками попарно. Чотири сорти нуклеотидів, чотири "букви" дозволяють записати генетичний "текст", який прочитується механізмом синтезу білка в живій клітині. Група з трьох стоять поспіль нуклеотидів, діючи через досить складний передавальний механізм, змушує рибосому - внутрішньоклітинну частинку, що займається синтезом білків, - підхоплювати з цитоплазми певну амінокислоту, наступні три нуклеотиду через посередників "диктують" рибосоми, яку амінокислоту ставити в ланцюжок білка на наступне місце , і так поступово виходить молекула білка. А білки - не тільки основний будівельний матеріал живого організму: багато хто з них - ферменти - управляють процесами в клітині. Так що дані, що зберігаються в ДНК трійками пар нуклеотидів, досить для побудови нового організму з усіма його особливостями.
Ще задовго до відкриття всіх цих (і багатьох інших) молекулярних тонкощів, вивчаючи передачу спадкових ознак при схрещуванні, біологи зрозуміли, що кожна ознака визначається окремою часткою, яку назвали геном. Вдалося зрозуміти, що гени лежать в ядрі клітини, в хромосомах. А після відкриття ролі ДНК і механізму синтезу білків стало ясно, що ген - це ділянка ланцюжки ДНК, на якому записано будову молекули певного білка. У деяких генах всього 800 пар нуклеотидів, в інших - близько мільйона. У людини близько 80-90 тисяч генів. Набір генів, властивий організму, називається його геномом.
В останні роки виникла нова галузь генетики - геноміка, що вивчає не окремі гени, а цілі геноми. Досягнення молекулярної біології та генної інженерії дали людині можливість читати генетичні тексти - спочатку вірусів, бактерій, дріжджових грибків. А зараз вперше вдалося повністю прочитати геном багатоклітинного тваринного - що мешкає в грунті мікроскопічного черв'ячка довжиною близько міліметра. У лабораторіях світу повним ходом йде розшифровка генома людини. Ця міжнародна програма була розпочата в 1989 році, тоді ж завдяки ініціативі та енергії видатного біолога, нині покійного академіка А. А. Баєва, до програми підключилася і Росія. У лютому цього року в Черноголовке під Москвою пройшла конференція "Геном людини-99", присвячена десятиріччю початку цих робіт і пам'яті їх ініціатора, який керував російською частиною програми перші п'ять років. Зараз в різних країнах світу, в лабораторіях, що поділили між собою "фронт робіт" (всього треба прочитати близько трьох мільярдів пар нуклеотидів), щодня розшифровується понад мільйон нуклеотидних пар, причому темп робіт все прискорюється.
Про успіхи і перспективи геноміки розповідає публікується стаття.
Як це було
Біологія, за загальним визнанням, зайняла домінуюче положення серед природних наук у другій половині минулого століття. В кінці 1998 року ця точка зору отримала новий потужний підтвердження: завершена восьмиріччям ня робота з розшифрування будови генома (сукупності генів і міжгенних ділянок) багатоклітинного тваринного, круглого хробака, нематоди, має латинську назву Caenorhabditis elegans.
Хоча це дуже маленький черв'як, швидше за черв'ячок, з нього без всякого перебільшення починається нова ера в біології. Геном цієї нематоди складається з 97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК, округлено 0,1 мільярда пар. Геном людини, згідно з більшістю оцінок, - 3 мільярди нуклеотидних пар. Різниця в 30 разів. Однак саме ця робота, про яку йде мова, остаточно переконала навіть найзатятіших скептиків, що розшифровка будови всього генома людини не тільки можлива, а й досяжна в найближчі роки.
Розшифровка, або, як кажуть біологи, секвенування, генома C. elegans була здійснена за спільним проектом двома дослідницькими групами: з Центру геномного секвенування Вашингтонського університету (США) і Сенгеровского центру (Кембридж, Англія). У журналі "Science" від 11 грудня 1998 року опубліковано серію статей, докладно розповідає про цю воістину грандіозну роботу. Число авторів цієї роботи настільки велике, що журнал не опублікував списку, відіславши читачів до Internet, а авторів назвав просто "Консорціум секвенаторов C. elegans". Це, ймовірно, перший випадок в історії науки, коли відкриття з самого початку і за згодою авторів як би стає анонімним. Цю роботу можна з повним правом вважати знаковою, що символізує "індустріальну" науку. Зримий символ сучасної науки, де величезні фінансові вкладення, роботизація, автоматизація, менеджмент, дисципліна, координація грали визначальну роль, відтіснивши на цьому етапі роль інтелекту і творчої винахідливості окремих учасників проекту.
Буде справедливим нагадати про те, хто першим звернув увагу на C. elegans як на об'єкт дослідження. В середині 1960-х років Сідней Бреннер, видатний молекулярний генетик, який зробив величезний внесок у вивчення генетичного коду, працював у знаменитій лабораторії молекулярної біології в Кембриджі в Англії (в ній працювали нобелівські лауреати Ф. Крик, Дж. Кендрю, М. Перутц, А . Клуг і інші знамениті дослідники). Після роботи над кодом С. Бреннер вирішив присвятити себе вивченню нервової системи і шляхів її виникнення і формування. Він звернув увагу на маленького черв'яка (C. elegans), що складається всього з 959 клітин, з яких 302 нейрони, нервові клітини. Чудовим властивістю нематоди була її прозорість: можна стежити за поведінкою і долею кожної окремої клітини! Сідней Бреннер залучив до своєї "Нематодниє" лабораторію талановитих молодих дослідників, які зробили чимало важливих відкриттів. Багато з них стали "мотором" проекту секвенування, який був реалізований в Сенгеровском центрі.
Природно, розшифрувати геном таких гігантських розмірів, як у названій нематоди (нагадаю: 97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК), неможливо без величезної підготовчої роботи. Її в основному завершили до 1989 року. Перш за все була побудована фізична карта всього генома нематоди. Фізична карта являє собою невеликі ділянки ДНК відомої структури (маркери), розташовані на певних відстанях один від іншого.
І ось з 1990 року почалося саме секвенування. Його темп становив в 1992 році 1 мільйон пар нуклеотидів в рік. Якби такий темп зберігся, на розшифровку усього генома знадобилося б майже 100 років! Прискорити роботи вдалося найпростішим способом - число дослідників в кожному центрі зросла приблизно до 100. Люди і апарати працювали цілодобово, продуктивність кожної машини була збільшена за рахунок більшого числа доріжок, на яких секвенували фрагменти ДНК.
У міру того, як розкривалася нуклеотидних послідовність ДНК C. elegans, довелося розлучитися з двома помилками. По-перше, виявилося, що генів у неї не 15 тисяч, як припускали спочатку, а 19099. По-друге, надія на те, що гени зосереджені в середині хромосом, а до кінців сильно рідшають, виправдалася лише частково, гени розподілені уздовж хромосом відносно рівномірно, хоча в центральній частині їх все-таки більше.
Якщо у дріжджів функція половини генів в геномі невідома (так звані мовчазні гени), то у хробака ця частка ще більше: з 19 тисяч генів 12 тисяч залишаються поки загадковими.
Два дослідницькі центри, які вирішили гігантську за складністю завдання, придбали унікальний досвід - і в ході отримання самих результатів, і в ході їх осмислення, зберігання і переробки. Тому не дивно, що обидві групи недавно заявили, що вони готові розкрити структуру половини генома людини, тобто виконати роботу в 15 разів більшу за обсягом, ніж те, що було зроблено на геномі хробака. І це реально. Наведу такі цифри. Зараз у всьому світі в день розшифровується більше 1 мільйона пар нуклеотидів - стільки, скільки за весь 1992 рік. Швидкість зросла в 365 разів!
Значення секвенування генома нематоди, звичайно, виходить далеко за рамки того, що можна назвати полігоном для розшифровки генома людини. C. elegans - перший багатоклітинний організм, геном якого розкритий практично повністю. Можна нагадати: два роки тому був розшифрований перший геном еукаріотичного організму - дріжджів, тобто організму, клітини якого містять оформлені ядра. (До еукаріотів відносяться всі вищі тварини і рослини, а також одноклітинні і багатоклітинні водорості, гриби і найпростіші. Дріжджі, згідно біологічної систематики, належать до одноклітинних грибів.) Інакше кажучи, за два роки був пройдений шлях від генома одноклітинного до генома багатоклітинного організму. Біологи знають, це гігантська дистанція на сходах еволюції і, отже, на шляху ускладнення геномів. Вражаюче, як неймовірно швидко пройдено цей шлях!
Порівнюючи тепер геноми бактерій (відомо вже більше 20 геномів) з геномами дріжджів і нематоди, біологи-еволюціоністи мають унікальну можливість порівнювати не окремі гени і навіть не генні ансамблі, а цілком геноми - такої можливості в біології ще десять років тому просто не існувало, про це тільки мріяли. У найближчі місяці, коли отримані величезні обсяги інформації почнуть освоювати і осмислювати, слід чекати появи принципово нових концепцій в теорії біологічної еволюції.
Нові дані і перспективи біології
Які ж найближчі перспективи, що відкриваються зараз в біології? Ось найочевидніші. У людини тільки в п'ять разів більше генів, ніж у нематоди. Отже, принаймні близько 20% генома людини повинно мати родичів серед відомих тепер генів C. elegans. Це у величезній мірі полегшує пошук нових генів людини. Функції ще не відомих генів нематоди вивчати незрівнянно легше, ніж аналогічні гени у людини. Гени хробака можна легко змінити (мутувати), одночасно стежачи за змінами структури гена і властивостей організму. Таким шляхом можна виявляти біологічну роль генних продуктів (тобто білків) у хробака, а потім екстраполювати ці дані на інші організми, в першу чергу на людину. А можна пригнічувати активність генів (наприклад, за допомогою особливих молекул специфічних РНК) і стежити, як змінюється поведінка організму. Цей шлях теж розкриває функції невідомих генів і, зрозуміло, найсильнішим чином вплине на вивчення геному людини та інших вищих організмів.
Біологів завжди інтригує питання: як регулюється робота генів? Хоча ми знаємо про це дуже багато, наші знання отримані в основному на окремих генах, а тому не дають цілісної картини регуляції роботи всього генома як єдиного цілого. Зараз бурхливо розвивається техніка так званих биочипов (по аналогії з мікрочіпами в кібернетиці). Це маленькі пластинки, на які за допомогою прецизійних приладів в тисячі точок, на строго фіксованих відстанях одна від одної, наносять мікроскопічні кількості фрагментів ДНК.
Такий мікрочіп може, наприклад, містити всі 19000 генів нематоди - по одному гену в кожній точці, і його можна використовувати для того, щоб визначити, які гени працюють в даній клітині хробака, а які мовчать. Зрозуміло, тут можливо використовувати клітини на будь-якій стадії розвитку і з будь-якої частини тіла хробака. В результаті дослідник отримає інформацію про функціональний стан всіх генів будь-якої клітини на будь-якій стадії розвитку хробака. Досліди вже розпочато, є всі підстави не сумніватися, що ще в поточному році ми дізнаємося про перші результати. Це буде дійсно революційним проривом для біології розвитку. Крім досконалої мікротехніки ці досліди вимагають і досконалих комп'ютерних програм, щоб отримані фактичні дані можна було осмислити й інтерпретувати.
Методика биочипов відкриває нову стратегію у вирішенні однієї з найскладніших в біології проблем - проблеми взаємозв'язку сигнальних регуляторних шляхів. Основна складність полягає в тому, що взаємодія білкових продуктів багатьох генів відбувається одночасно, причому комбінації білків змінюються не тільки в часі, але і в клітинному просторі. В результаті вивчення окремих генів і їх продуктів (що в основному робилося досі) нерідко було неефективним.
Яке співвідношення областей в геномі C. elegans, що кодують синтез білків (екзонів) і не кодують (інтрони)? Комп'ютерний аналіз показує, що Екзони і інтрони займають в геномі нематоди приблизно рівні частки (27 і 26%), решта (47%) припадає на повтори, на міжгенних ділянки і т. Д., Тобто на ДНК з невідомими науці функціями.
Якщо порівняти за цими даними дріжджовий геном і геном людини, то стане очевидним, що в ході еволюції частка кодують ділянок в розрахунку на весь геном різко зменшується: у дріжджів вона дуже висока, а у людини дуже мала. Про це знали порівняно давно, але зараз названі співвідношення придбали не тільки кількісну міру, а й структурну основу. Ми приходимо, на перший погляд, до досить парадоксального висновку. Еволюція у еукаріот від нижчих форм до вищих пов'язана з "розведенням" генома - на одиницю довжини ДНК доводиться все менше інформації про структуру білків і РНК і все більше інформації "ні про що", тобто для нас незрозумілою, непрочитаної.
Це одна з великих загадок біологічної еволюції. З приводу "зайвої" ДНК існують найрізноманітніші припущення, часто прямо протилежні за змістом. Багато років тому Ф. Крик, один з батьків подвійної спіралі ДНК, назвав цю "зайву" ДНК "егоїстичної", або "сміттєвої". Він вважав її витратою еволюції, що накопичується в геномі в результаті неповного досконалості генетичних процесів, "баластом", платою за досконалість решті частини геному. Можливо, що деяка невелика "егоїстична" частка в ДНК людини та інших вищих організмів дійсно відноситься до такого типу. Однак тепер стало ясно, що основна частка "егоїстичної" ДНК зберігається в еволюції і навіть збільшується, тому що вона дає її власникам еволюційні переваги.
Класичним прикладом "егоїстичної" ДНК служать так звані короткі повтори ділянок ДНК (Alu-елементи, альфа-сателітні ДНК і інші). Як з'ясувалося в останні роки, їх структура абсолютно консервативна, тобто мутації, що порушують "правила", встановлені природою для цих елементів, не зберігаються, вони "відкидаються" відбором. Структурний сталість - потужний аргумент на користь ідеї про те, що такі ділянки є аж ніяк не "егоїстичними", а це дуже важлива частина ДНК для життя виду. Інша справа, що ми ще не знаємо, в чому конкретно полягає її біологічна роль.
Геноміка людини і майбутнє людства
Сьогодні майже кожен день широка преса США і західноєвропейських країн повідомляє про все нових і нових генах людини і про їх функції або зв'язку з тими чи іншими захворюваннями. У 1998 році уряд США витратив на проект з вивчення генома людини 300 мільйонів доларів, а приватні компанії, перш за все біотехнологічні, - навіть більше цієї суми. Принаймні 20 найрозвиненіших країн світу мають свої національні програми з вивчення геному людини.
Зараз геномної програма Вже довела своє видатних значення для розвитку наших знань про життя в цілому. Цікаво згадаті, як ЦІ Ідеї були зустрінуті в момент їх первісного Обговорення и создание програми. Наукове співтоваріство тоді розділілося на две части: одна зустріла ідею геномної програми з ентузіазмом, тоді як Інша - зі скепсисом, недовірою и підозрою. Серед цієї другої групи були і видатні вчені, наприклад, лауреат Нобелівської премії Девід Балтімор, один з батьків зворотної транскрипції. Основне заперечення противників: створення геномної програми направлено на те, щоб залучити великі фінансові кошти (і тим самим відібрати їх у інших напрямків біології), а не отримати нові знання.
Минулі 10 років показали, що новий рівень розуміння біологічних проблем, що склався завдяки результатам геномних досліджень, вже зараз з лишком виправдав всі організаційні зусилля і фінансові вкладення. Більш того, стало ясно, що видобута інформація не могла бути отримана простий підтримкою сотень окремих дослідницьких груп, навіть висококваліфікова них і добре оснащених. Але разом з тим тепер ми розуміємо, що 10 років тому важко було оцінити глибину і широту впливу геноміки (області біології, що вивчає геноми) людини на біологію в цілому.
Один з сильних аргументів проти геномної програми складався також в тому, що "індустріалізація" біології призведе до втрати її творчого потенціалу, зникнення "малої" біології - невеликих дослідних груп, очолюваних талановитими, оригінально мислять дослідниками, які не захочуть піти працювати на "фабрики секвенування ДНК ". Серед вчених, які дотримувалися таких поглядів, був, наприклад, і Брюс Олбертс, нинішній президент Національної академії США.
Безумовно справедливо, що одне з основних ланок геномної програми - секвенування, яке в настільки гігантському масштабі можна досягти тільки індустріальними методами. Однак саме досягнення цієї фази вимагало великих інтелектуальних зусиль, нової приладової бази, нових методів, нових інструментів дослідження. Тут потрібно творче зусилля окремих вчених. І це творче начало як необхідний компонент індустріалізації було недооцінено про скептиками.
Розроблені в геноміки людини ідеї і методи мають універсальне значення і застосовні для вирішення великого кола біологічних проблем, далеко віддалених від геному людини. Нагадаємо тільки про деякі з них.
Для картування геному (обов'язкова стадія досліджень, що передує секвенированию) розроблені високоефективні техніки, такі, як радіаційні гібриди (колекції клітин, в яких вилучені різні невеликі фрагменти кожної з хромосом), або штучні дріжджові хромосоми, містять величезні фрагменти хромосом людини, бактеріальні та фагів вектори , що дозволяють розмножити (клонувати) фрагменти ДНК людини ... Нові техніки в сукупності дозволили побудувати детальну карту геному людини, яка до кінця 1998 року сприяння Ержан більш 30 тисяч маркерів, що створювали детальну карту геному.
Швидко прогресувала техніка секвенування (наприклад, багатоканальний капілярний електрофорез різко прискорив і здешевив розшифровку первинної структури ДНК), створені комп'ютерні програми, що дозволяють знаходити гени в розшифрованих ділянках ДНК.
Важливо підкреслити, що вся ця база прилади та методологія в повній мірі може застосовуватися до будь-яких геномам, від бактерій до сільськогосподарських тварин і рослин.
Мабуть, від розвитку геноміки людини в даний час виграла найбільше мікробіологія, оскільки вже розшифровано понад 20 повних геномів, в тому числі збудників багатьох небезпечних хвороб (туберкульозу, висипного тифу, виразки шлунка та інших). Можна з упевненістю стверджувати, що без геномного проекту ці дані були б отримані набагато пізніше і, ймовірно, в набагато меншому обсязі. Знання геномної структури патогенних бактерій дуже важливо для створення вакцин (причому раціонально сконструйованих), для діагностики та інших медичних цілей. Великий вплив геноміки і на медичну генетику, яка займається генодіагностика спадкових хвороб, генетичними основами схильності до багатьох поширених хвороб.
Приватні компанії, що кредитували проект, отримали тисячі патентів на нові гени, фрагменти ДНК, нові методики і
т. д. Це має як би подвійний ефект. З одного боку, геноміка отримує потужний додатковий імпульс до розвитку, а з іншого - комерціалізація геноміки веде до того, що багато з отриманої інформації фірми засекречують, особливо з геноміки мікроорганізмів, змушуючи і деяких вчених надходити аналогічним чином.
Геномні методи ідентифікації особистості, розроблені і практично реалізовані в геноміки людини, мають далекосяжні наслідки для суспільства. Дійсно, криміналістика отримала в своє розпорядження абсолютно надійний метод докази винності або невинності людини. Для такого геномного аналізу (його часто називають геномної дактилоскопії) достатньо однієї краплі крові, однієї волосинки, шматочка нігтя, слідів поту, сперми, слини, лупи і т. Д. Сьогодні в світі тисячі людей засуджені або виправдані тільки на підставі геномного аналізу. Ідентифікація родинних зв'язків людей вирішує зараз проблеми батьківства і материнства, проблеми успадкування прав і майна між родичами і неспоріднених ками, якщо ці питання виникають.
Величезний інтерес викликає вторгнення геноміки в історію людства, етнографію, лінгвістику і інші області гуманітарного знання. У цю орбіту вже залучені і такі біологічні науки, як антропологія і палеонтологія, теорія еволюції. Багато спірні питання історії цивілізацій в стародавні часи будуть, швидше за все, вирішені істориками, а геномоведамі. Наприклад, вже зараз ясно (хоча ці роботи почалися зовсім недавно), що походження і міграцію багатьох народів в світі (і, звичайно, в тому числі в Росії) найлегше буде простежити за геномних маркерів, які дають кількісну і однозначну інформацію.
Програма "Геном людини", як уже говорилося, - програма загальнолюдська. Кожна лабораторія, в якій би країні вона не знаходилася, вносить в неї посильний внесок. І як тільки комусь вдається розкрити структуру нового гена, ця інформація негайно надходить в Міжнародний банк даних, доступний кожному досліднику. Без перебільшення треба сказати, що розвиток інформатики грає воістину величезну роль в успіху світової геномної програми.
У Росії за цією програмою працюють близько 100 дослідницьких груп. Є оригінальні роботи, які отримали міжнародне визнання (тільки в минулому році учасники програми опублікували понад 70 статей в міжнародних журналах). Перші п'ять років головним в програмі було картування, інакше кажучи - розстановка "розпізнавальних значків", спроба зрозуміти: де, в якій частині хромосоми вчені знаходяться - подібно до того, як географи минулого становили перші карти Землі.
Тепер акцент змістився, і дослідники намагаються вже визначити функції окремих генів. Це перехід від "індустріальної науки", що вимагає перш за все обладнання, до науки інтелектуальної. І на цьому етапі ми сподіваємося досягти успіху. "Масове виробництво" було нам не бачити перш за все через нестачу фінансування, а крім того - російські вчені ніколи не любили механічну роботу.
***
Озираючись на 10 років назад, можна побачити, що значення геноміки було недооцінене, а її вплив виявилося набагато ширше і глибше, ніж очікувалося. Ясно також, що створення геномного проекту було величезним досягненням для біологів усього світу, так як вперше поставило біологію в ряд тих наук, які здатні реалізувати глобальні проекти з величезним не тільки загальнонаукових, а й практичним виходом. Порівнюючи геномної проект з проектом освоєння космічного простору (програма польотів до Місяця та Марса, програма навколоземних станцій), видно, що біологічна програма, будучи в багато разів дешевше, за своїм впливом на життя людей не тільки не поступається, але і в кінцевому підсумку, безумовно, перевершить досягнення космічних програм, оскільки вплине в XXI столітті майже на кожного жителя Землі.
Біологів завжди інтригує питання: як регулюється робота генів?Elegans, що кодують синтез білків (екзонів) і не кодують (інтрони)?
