§28. Международный проект «Геном человека». Биологическое значение исследований, проведенных в рамках проекта
Цель изучения этой темы: обсудить значение международного проекта «Геном человека».
Что такое геном? Кто авторы двуспиральной модели молекулы ДНК?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 7 – учебник для 10 класса.
Центральная догма молекулярной биологии. После исследования основных процессов хранения и реализации наследственной информации в 60-х годах ХХ в. сформировалась центральная догма молекулярной биологии, выраженная в виде схемы (см. § 5):
Джеймс Уотсон
(1928 жылы туған)
ДНК → РНК → белок
Согласно центральной догме молекулярной биологии основная программа химических процессов, происходящих в любом организме, записана в последовательности пар оснований молекулы ДНК. В связи с этим была поставлена цель – полностью расшифровать последовательность всех нуклеотидов в 23 хромосомах ДНК хотя бы одного человека. В 1986 г. в США группа ученых начала работу над этим проектом. В 1988 г. известный ученый Джеймс Уотсон инициировал создание международного проекта «Геном человека». Лаборатории ведущих стран мира объединили свои усилия для реализации этой сложной задачи.
Цель – выяснение последовательности азотистых оснований и расположения генов (картирование) в каждой из 23 молекул ДНК клетки человека. Проект состоял из пяти основных этапов:
1) составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более чем на 2 млн оснований, на языке специалистов – с разрешением 2 Мб (мегабаза, от англ. слова base – «основание»);
2) завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
3) получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
4) полное секвенирование ДНК (разрешение – 1 основание);
5) нанесение на карту с разрешением в 1 Мб оснований всех генов человека.
В июле 2000 г. лидеры стран «Большой восьмерки» на саммите на острове Окинава официально объявили о том, что геном человека расшифрован. По мнению специалистов, 85% информации абсолютно достоверно, поскольку перепроверено многократно.
В результате проведенных исследований пришло понимание, что основной путь к исправлению несовершенств человека лежит через детальное изучение строения и работы его наследственной информации, содержащейся в геноме.
Интересен тот факт, что исследовали ДНК не какого-то случайного, «гипотетического» человека, а вполне конкретной личности. Как вы, наверное, догадались, в качестве образцов для исследования использовались биологические материалы, содержащие ДНК самого Джеймса Уотсона, одного из двух авторов модели молекулы ДНК.
Среди наиболее значимых результатов расшифровки генома человека следует выделить изучение последовательностей нуклеотидов в генах, повреждение которых вызывает наследственные болезни человека.
В настоящее время описано примерно 10 тыс. различных заболеваний человека. Из них около 3000 – наследственные болезни. Они необязательно должны быть наследуемыми, т. е. передаваться от поколения к поколению. Слово «наследственный» означает, что причина болезни – поломка наследственного аппарата, т. е. генов (в том числе в соматиче ских клетках, а не только в генеративных). Выявление молекулярной причины «поломки» генов прямо вытекает из результатов исследования генома. Можно видеть, как год от года растет число изученных генов, провоцирующих заболевания. На основе изучения генома человека предполагается последующее изучение каждого гена в отдельности.
Есть надежда, что эти сведения помогут разобраться в генетических программах развития и функционирования организма человека, в причинах возникновения как наследственных, так и онкологических заболеваний и процессов старения.
Предполагается, что выявление молекулярных основ заболеваний обеспечит следующие результаты:
1) перевести на новый уровень методы их ранней диагностики, а значит, вести более утонченно и успешно борьбу с заболеваниями;
2) совершенствовать методы «адресной доставки» лекарств в пораженные клетки;
3) замещать больные гены здоровыми (методика на уровне клеток существует, но на уровне организмов не отработана);
4) включать/выключать боковые пути метаболизма за счет включения/выключения соответствующих генов и т. д.
У человечества появилась надежда, что эти и многие другие манипуляции с геномом, методы его улучшения перестанут быть предметом умозаключений фантастов, а станут наконец частью арсенала современной медицины.
Кроме всего вышесказанного, реализация международного проекта «Геном человека» дала толчок развитию передовых технологий в самых разных отраслях. Она привела к появлению новых подходов в вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине. Появилась новая отрасль – фармакогенетика. Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для идентификации личности. Разработан метод «генетической дактилоскопии». Достигнут значительный прогресс в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечении болезней человека.
В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире. Это отразилось не только на объемах промышленного производства, но и на финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объему купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, на что тратят десятки миллиардов долларов в год. Они же монополизировали выпуск химических веществ для быта, добавок к продукции строительной индустрии и т. п. Уже не десятки тысяч, а, возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии. Именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок.
Главная стратегическая задача будущего сформулирована следующим образом: изучить однонуклеотидные вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить различия между индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возможность не только подойти к созданию индивидуальных генных портретов людей, но и определить различия между популяциями, выявлять географические районы повышенного риска. Это поможет давать четкие рекомендации по очистке территорий от загрязнения и выявлять производства, на которых есть большая опасность поражения геномов персонала. Что касается индивидуальных различий, то исследования, в частности, дают возможность лучше лечить болезни, опираясь на индивидуальные особенности каждого человека, такие как переносимость медицинских препаратов, восприимчивость к возбудителям болезней, аллергические реакции и т. д.
Такая грандиозная задача рождает не одни радужные ожидания все общего блага, но и вполне осознанную тревогу юристов и борцов за индивидуальные права человека. Так, в частности, высказываются возражения против распространения персональной информации без разрешения тех, кого она касается. Конгресс США уже принял ряд законов, строго запрещающих распространение генетической информации отдельных людей, и юристы всего мира интенсивно работают в данном направлении.
Международный проект «Геном человека», фармакогенетика, метод «генетической дактилоскопии».
Знание и понимание
1. Какие цели ставились перед проектом «Геном человека»?
2. Завершен ли международный проект «Геном человека»?
Применение
1. Назовите причины, по которым важно было исследовать геном человека.
2. Определите связь между генетическими исследованиями и развитием фармакологической промышленности.
Анализ
1. Проанализируйте этапы исследования генома человека в рамках международного проекта.
2. Докажите на примерах, что исследование генома человека открывает широкие перспективы по улучшению методов лечения и профилактике многих, не только генетических, но и инфекционных и хронических заболеваний.
Синтез
1. Порассуждайте, считаете ли вы возможным в перспективе разработку и применение «индивидуальных» лекарств. Выскажите аргументы ЗА и ПРОТИВ.
2. Смоделируйте ситуацию: «В ближайшем будущем расшифровка и манипуляция с индивидуальными данными генома каждого человека позволят не только прогнозировать и предупреждать болезни, но и отклонения в поведении, выбор рода деятельности, продуктов питания, вида спорта, спутника жизни («второй половинки») и т. д.». Как вы считаете, возможно ли это?
Оценка
1. Обсудите следующее высказывание: «Со временем стало ясно, что все упирается в биологию человека, а вся биология подвластна геному».
2. Оцените медицинские, экономические и юридические последствия получения, хранения и распространения информации о региональных, национальных и индивидуальных особенностях генома каждого человека и любой группы людей (социальной, расовой, национальной).
Заключение по разделу «Закономерности наследственности и изменчивости»
Изменения наследственного материала – мутации. Они могут быть естественные и искусственные – индуцированные. Самые мелкие и часто встречаемые изменения – точковые, или генные, мутации связаны с изменениями одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена. Часто такие мутации возникают в ходе репликации как ошибки процесса самокопирования молекулы ДНК.
При выпадении, вставке или удвоении нуклеотидов смещается вся «рамка считывания» триплетов ДНК и могут измениться все или множество аминокислот в белке. При замене нуклеотида изменяется максимум одна аминокислота.
Более крупные хромосомные мутации (абберации) происходят при рекомбинации. В широком смысле под рекомбинацией понимают новое сочетание генетического материала. Классической, общей, гомологичной или немутантной рекомбинацией называют результаты конъюгации и кроссинговера родительских хромосом в ходе гаметогенеза, возникающего в профазе мейоза I. Так потомству достаются комбинированные или рекомбинированные хромосомы, состоящие из частей, принадлежащих отцовскому и материнскому организму. Эта основа комбинативной изменчивости.
Такие мутации, как транслокации, возникают как «ошибки» рекомбинации. Это процесс встраивания части одной хромосомы в другую (с выпадением этой части из хромосомы, которая в результате становится короче). Транслокации называют незаконной (мутантной) рекомбинацией, или неравным кроссинговером. Кроме транслокаций встречаются и другие виды изменения ДНК, связанные с встраиванием в геном чужеродного наследственного материала. Такой процесс возможен с транспозонами – частицами генома бактерий, способными мигрировать между клетками подобно вирусам, и с геномами реальных вирусов (как правило, безопасных), способными встраиваться в определенные участки генома бактерий и получивших название сайт-специфичных.
Одним из перспективных направлений исследования в современной молекулярной генетике является расшифровка нуклеотидной последовательности молекул ДНК – секвенирование. Для секвенирования создаются копии коротких фрагментов ДНК в большом количестве. Чаще всего с этой целью применяют ПЦР – полимеразную цепную реакцию. Благодаря международной программе «Геном человека» ученые расшифровали последовательность всех нуклеотидов ДНК в гаплоидном наборе (23 хромосомы), использовав в качестве материала геном Джеймса Уотсона. Полученные результаты планируется применить для развития генной терапии, медицинской генетики и фармакологии.