Генетические аспекты человека

Современный век считается веком генетики. Именно она поставила перед собой цель: решение главной задачи, интересующей ученых – расшифровки генома человека.

Геном человека – международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов, их локализация в геноме, а по сути дела – картирование генов.

Геном человека состоит из почти трех миллиардов пар азотистых соединений. Составление карты генома человека потребовало более 15 лет напряженной работы биологов, к которой призвал в 1986 г. американский иммунолог С.Д. Эдвардс. Он воззвал к претворению в жизнь этой грандиозной программы, в частности, для понимания роли генов в развитии рака – болезни, которая остается до сих пор неизлечимой.

Расшифровка генома ускорилась благодаря появлению автоматизированных устройств секвенирования.

В 1977 г. биохимик из Великобритании Ф. Сенгер разработал способ расщепления (разрезания) ДНК на участки, соответствующие любой длине исходной ДНК. Этот метод использовал замещающую нуклеотидом в последовательности, необходимой для создания всей ДНК. На этом основан сенгеровский метод обрыва цепи [замещающим нуклеотид] дидезокси [рибонуклеозидтрифосфатом] для секвенирования ДНК.

Центр исследования человеческого генома был образован в 1990 г. на основе Национального института генома человека в США. Это подразделение, состоящее из сети институтов, объединенных названием Национального института здоровья под руководством Д. Уотсона. Программа была задумана как международная с включением специалистов США, Великобритании, Франции, Германии и Японии.

В России в 1988 г. с идеей секвенирования генома человека выступил академик А.А. Баев, и в 1989 г. в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик РАН А.Д. Мирзабеков.

Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-й и 19-й хромосом. Вскоре финансирование этих работ в нашей стране было урезано в связи с кризисными явлениями в России девяностых годов прошлого столетия, и реального участия в секвенировании Россия не принимала.

Разработка соответствующих устройств позволила резко увеличить темпы секвенирования азотистых соединений (до 12 тыс. в день). Началась гонка за то, чтобы «пролистать» страницы длинных последовательностей генетических букв в поисках немногих нужных генов или участков генома, где закодированы белки. В 1991 г. Вентер при секвенировании посредством экспрессируемых ярлыков определил около 330 активных генов в человеческом мозге. Это составляло приблизительно 10% известных миру человеческих генов.

Секвенирование посредством экспрессируемых ярлыков – своего рода «ярлыки», маркирующие гены, которые заносят в банк данных и по которым позже можно идентифицировать эту последовательность, если она будет выделена из других источников. Метод был описан химиком-биологом П. Шиммелом в 1983 г.

В 1996 г. усилиями более чем сотни лабораторий Европы, США, Канады и Японии удалось завершить составление генома пивных дрожжей (эукариотный организм содержит в своей ДНК 6 тыс. генов, собранных из 12 млн пар оснований нуклеотидов). Однако к этому времени было расшифровано только 3% генома человека. Поэтому международный консорциум попытался ускорить свою работу по исследованию генома человека путем секвенирования дроблением.

Идея заключалась в том, чтобы ультразвуком рассечь ДНК на тысячи кусочков произвольной длины и затем на специальных устройствах произвести отдельное секвенирование всех участков. После закладываются данные в ЭВМ, и специальные программы должны отыскивать перекрывающиеся участки, чтобы можно было «сшить» математические кусочки, создавая одну непрерывную ДНК.

Метод оказался результативным. Однако и он был не столь быстрым, чтобы завершить проект генома человека. Для этого понадобилось открытие М. Ханкапиллера. Он вместе с Л. Худом создал устройство, при котором ДНК пропускали сквозь тонкие капиллярные трубочки, заполненные жидкостью. Наличие многих трубок при одном прогоне дало ощутимое увеличение скорости секвенирования по сравнению с существующими. А К. Виннер создает новую компанию по расшифровке генома человека, цель которой – за три года выполнить долгожданную работу.

Международный консорциум «Проект генома человека» вступил в соревнование с компанией К. Виннера, и, наконец, противоречия, которые возникли между ними по поводу первенства расшифровки генома, были устранены. 26 июня 2000 г. президент США Клинтон в разговоре с премьер-министром Великобритании Т. Блэром сообщил: «Современная наука подтвердила то, что мы впервые узнали из верований предков. Самое важное свидетельство жизни на Земле – это наша человеческая общность».

Однако гонка по расшифровке генома человека в действительности началась заново, поскольку ДНК содержит информацию о схеме работы всего организма, но прежде эта информация должна быть переписана, как было показано выше, на РНК, которая передается белкам, а уж те приступают к конструкции каждой отдельной клетки по заданной ДНК-РНК программе. Таким образом, геном указывает РНК, какие белки следует собирать, прежде чем они начнут выполнять свои функции. Так что знание последовательности нуклеотидов в геноме в результате ничего не дало, поскольку это только схема. А секвенирование оказалось лишь первой ступенью к расшифровке генома человека.

Подробная последовательность нуклеотидных оснований в человеческом геноме определяет порядок сборки РНК аминокислот для получения заданной белковой молекулы. Прежде считали, что один ген представлен одной молекулой. Оказалось, что между заданной ДНК и конечными белками, определяющими работу клетки, возникают отклонения. Один ген может создать целую гамму различных белков. Так что «бес опять оказался скрытым в подробностях».

Человеческий геном состоит из 30 тыс. генов, что составляет лишь 2% общего количества пар нуклеотидных оснований. Остальные 98% генома неверно называют «бросовыми» из-за того, что мы не знаем их предназначения. Полный состав человеческих белков, закодированных в геноме – протеом, – превышает 100 тыс. или достигает даже миллиона. Белки – ключ к устройству и работе клетки, которые определяют ее биологические признаки. Поэтому в 2001 г. на конференции по протеомике был принят новый «Проект протеома человека».

Протеомика сосредоточена на выяснении того, как разветвляется сеть белков и как они управляют клетками и тканями. Для этого необходимо было:

• выяснить полный состав белков в клетке, ткани и организме;

• выявить взаимодействия белков с другими, образующими разветвленную структуру взаимодействующих белков;

• выявить трехмерную структуру каждого белка, что, наконец, позволит находить связывающие участки, которые могут быть восприимчивы, предположим, к действию каких-то соединений (например, лекарств для лечения болезней).

В 2002 г. две группы ученых сообщили о составлении карт по белковому взаимодействию для пивных дрожжей, о составлении карты генома риса (из Пекинского института геномики). Оказалось, что рис содержит 430 млн пар нуклеотидных оснований, у кукурузы – 4 млрд, а у пшеницы – 16 млрд. То есть генов у них оказалось больше, чем у человека.

Почему так обеспокоены ученые по поводу исследования генома живых организмов? Ими движет не только (и не столько!) любопытство, сколько практические следствия этой грандиозной по замыслам работы генетиков.

Практические следствия протеомики заключаются в решении проблем сельского хозяйства, поскольку можно будет изменять признаки, которые необходимы для получения более высоких урожаев. Производство, например, более усваиваемой пищи для растений, животных и человека, растений и животных, устойчивых к инфекционным заболеваниям и т.д.

Поскольку наследственные признаки у человека зависят от генов, то специалисты могут отбирать те признаки, которые будут устойчивы к заболеванию человека. Но самое перспективное направление связано с изучением и получением стволовых клеток (клетки, способные развиться в любой клетке организма, называются зародышевыми, или стволовыми клетками). После оплодотворения яйцеклетки зародыш содержит всю генетическую информацию о дальнейшем развитии организма в зародышевых стволовых клетках.

По мере роста организма клетки специализируются, утрачивая гибкость стволовых клеток. Возникла идея выращивания стволовых клеток и использования их для восстановления поврежденных органов (мышц сердца, тканей позвоночника и т.д.). Однако проблема выращивания стволовых клеток натолкнулась на ряд этических проблем, которые только обострили проблему клонирования.

Под клонированием понимается процесс замены ядра яйцеклетки ядром другой клетки с последующим внедрением новой яйцеклетки в матку суррогатной матери. Она даст потомство, чьи генетические свойства будут одинаковыми со свойствами пересаженного ядра яйцеклетки. Успешные опыты были проведены на мышах, свиньях, коровах, обезьянах, на овцах (известная всему миру овечка Долли).

Возник вопрос: а можно ли клонировать человека? На это наука отвечает утвердительно. В не меньшей, а может быть, и большей степени общество волнует другой вопрос. А нужно ли вообще клонировать человека? Эта проблема уже лежит в этической плоскости, и решение ее зависит от того, какую позицию займет общество.

Сегодня возникла возможность другого варианта клонирования (генетических технологий) путем использования рестрикционных ферментов для вырезания и вкливания человеческой ДНК в ДНК животных с последующим клонированием животных. Отсюда возникает возможность производства целых органов для пересадки людям при повреждении или заболевании их собственных органов.

Таким образом, исследования генетиков в части передачи информации от ДНК через РНК к белкам открыли громадные перспективы генной инженерии, расцвет которой в настоящем веке неизбежен.

Исследования генома человека сопровождалось секвенированием геномов огромного числа других организмов, что явилось основой возникновения нового направления в биологии – сравнительной геномики.

При сравнении геномов человека и шимпанзе выяснилось, что шимпанзе – близкие к нам из числа живущих родственников человека. Почти 99% ДНК человека и шимпанзе оказались идентичными. С момента расхождения эволюционных путей примат от человекообразных обезьян (6 млн. лет назад) ДНК человека изменились всего на 1%. Ученым удалось выявить небольшие участки ДНК, присущие исключительно современным людям¹. Части генетического кода, претерпевшие небольшие изменения со времени разделения шимпанзе и человека, представляют собой как раз те самые последовательности, благодаря которым человек стал человеком. Последовательность из 118 нуклеотидов, отвечающих за ускоренное развитие человека (HARI), является частью гена активного в мозге. Предполагается, что HARI во время эволюции каким-то образом активизировалось, и это позволило обеспечить разделение направления развития мозга человека и шимпанзе.

Человеческая HARI располагается в двух перекрывающих генах. Общая для них последовательность является представителем совершенно нового структурного типа РНК, обнаруженного сверх шести известных классов генов РНК. Они охватывают более тысячи различных семейств генов РНК, которые различаются структурой и функцией кодируемой ими РНК. HARI, таким образом, представляет первый известный в генетике пример последовательности кодирующей РНК, которая подверглась эволюции. То есть давлению естественного отбора.

В настоящее время выявлено несколько других последовательностей (кроме HARI), которые отличают нас от шимпанзе.

HAR2 – управляет активностью генов при формировании запястья и большого пальца руки, благодаря чему, как полагают ученые, руки человека оказались приспособленными для изготовления орудий труда.

FOXP2 – способствует артикуляции слов. Тем самым делает возможной современную человеческую речь.

AMY1 – облегчает переваривание крахмала. Это позволило предкам человека освоить новые пищевые продукты.

ASPM – управляет размерами мозга, который в процессе эволюции человека увеличился в три раза.

LCТ – дает возможность взрослым людям переваривать молочный сахар. Это позволяет употреблять в пищу молоко домашних животных.

Самое же поразительное заключалось в том, что благодаря проекту «Геном человека» исследователи обнаружили следующее. В ходе секвенирования человеческого генома гены, кодирующие протеины, составляют всего 1,5% нашей ДНК. Остальные 98,5% содержат регулярные последовательности, сообщающие другим генам, когда им следует включаться и выключаться, а также гены, кодирующие РНК, которая не транслируется в белки.

Долгое время мутации, которые никак не сказываются на синтезе белка, кодируемого геном, где они возникли, называли «молчащими». Белки участвуют практически во всех клеточных – от ферментативных биохимических реакций до распознавания чужеродных агентов. И если с ними ничего существенного не происходит, то ничего не происходит и с организмом. Ученые, таким образом, считали, что «молчащие» ДНК не оказывают никакого влияния на организм. Но в ходе исследования генома человека было установлено, что многие «молчащие» ДНК сохраняются в ходе эволюции, а стало быть, они зачем-то ему нужны. Оказалось, что некоторые заболевания человека частично или полностью определяются «молчащими» мутациями. Они влияют на несколько стадий процессов, имеющих отношение к образованию белков, – от транскрипции белков до трансляции. Одна из таких стадий – редактирование первичного транскрипта, которое начинается сразу после его образования и состоит в удалении из РНК некодирующих участков – интронов. Данный процесс называется сплайсингом. Конечный продукт сплайсинга – функциональная мРНК. Однако, как показали дальнейшие исследования, было бы ошибочно считать, что отрицательное влияние «молчащих» мутаций на организм исчерпывается нарушением сплайсинга. Даже если удаление интронов происходит безошибочно, мРНК может принять неправильную пространственную конфигурацию.

Исследования показали, что естественный отбор не проходит мимо «молчащих» мутаций, что подтвердило сложность процесса белкового синтеза.

Сравнение геномов других видов с геномом человека позволило также установить, что наибольшее значение в эволюции видов имеет то, в какой именно части генома происходят изменения, а не изменение их общего количества. То есть в ходе эволюции нет необходимости изменять геном для создания нового вида организма. Достаточно внести изменения в те места, где они окажут более значительное влияние на функционирование всего организма. Это открывает широкие возможности для генной инженерии.