Geum.ru

Татьяна Павловна «Южный федеральный университет»

Вид материалаДокументы

Содержание


Направления геномики
Функциональная геномика
Сравнительная геномика
Эволюционная геномика
Клиническая геномика
Подобный материал:

ГЕНОМИКА КЛЮЧ К ПОНИМАНИЮ ЖИЗНИ

Шкурат Татьяна Павловна

«Южный федеральный университет»


Человечеству дан единственный воспроизводящийся ресурс биологический. Все остальные ресурсы исчерпаемы. Именно поэтому приоритеты в науке на следующее тысячелетие постепенно смещаются в пользу наук о жизни. Человечество, естественно, стремится взять под контроль самовоспроизведение биологических ресурсов, раскрыть механизмы энергетики клетки, синтеза биологических продуктов, фотосинтеза, азотфиксации и др. Все энергетические и синтетические процессы в клетке человека в ближайшее время попытается познать и некоторые из них превратить в промышленные биотехнологии.

Мощные биотехнологические методы исследований обеспечили высокую скорость развития биологии как фундаментальной науки. С их помощью ученые расчленяют клеточные и генетические процессы на мельчайшие фрагменты, что позволяет получать представление о биологических системах на самом тонком молекулярном уровне. Но живые организмы не функционируют как набор отдельных фрагментов, поэтому единственный способ понять, что действительно происходит внутри живого организма, – это найти каждому мельчайшему фрагменту место в одной или нескольких из огромного множества взаимодействующих между собой систем, образующих организм. С этой точки зрения геномика является фундаментом для интегративной биохимии, физиологии, медицины, биотехнологии. Геномика недавно возникшее направление науки, объектом изучения которой являются геномы всех организмов.

Геномика сформировалась как особое направление в 1980-1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию (установлению нуклеотидной последовательности в молекулах ДНК) геномов некоторых видов живых организмов. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований (имеющим только основные четыре химических состояния и обозначающихся по первым буквам азотистых оснований - А, Т, Ц, Г). Например, объем генома человека составляет порядка 3 млрд. пар оснований, или 3 000 Mb, а самые крупный из известных геномов (у одного из видов амёб) - 6.7×1011 пар оснований. В каждой диплоидной клетке человека 46 хромосом, содержащих около 6пг ДНК и 3,2 х 109 пар нуклеотидов, длина всех молекул ДНК около 2м. А если учесть, что тело взрослого человека состоит примерно из 5х1013 клеток, то общая длина молекул ДНК в организме достигнет 1х1014 м, что в тысячи раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Φ-X174; (5368 kb) в 1980 г. Следующим этапным событием было секвенирование генома свободноживущего организма - бактерии Haemophilus influenzae (1.8 Mb) (1995). После этого были полностью секвенированы геномы еще нескольких видов, включая геном человека (2003 г). Первый геном который был расшифрован принадлежал Крейгу Вентеру.

Что мы узнали из проекта геном человека?
  • Человеческий геном - почти одинаковый (99.9 %) у всех людей;
  • Только приблизительно 2 % человеческого генома содержат гены, которые кодируют белки;
  • Люди имеют приблизительно 30 000 генов; функции больше чем половины из них неизвестны.
  • Количество генов, вовлеченных в развитие и функционирование органов и тканей человека чрезвычайно различно – например, мозг более 3000, сердце – более 1000, печень и лейкоцит – более 2000, глаз более -500, а тромбоцит -200 генов.

Расшифровка генома человека привела к стремительному развитию новых направлений геномики, и один за другим начали стартовать проекты : Через 5 месяцев после завершения проекта «Геном человека» группа ученых из 34 институтов Соединенных Штатов, Канады, Франции, Швеции, Бельгии, Германии, Австрии, и Финляндии сообщила о расшифровке генома первого древесного растения. Это был геном черного трехгранного тополя. На сегодняшний день расшифрована первичная последовательность геномов 4691 организма, в том числе 46 млекопитающих (шимпанзе, кошки, собаки, оппосума, мыши, крысы, слона, мамонта, и др). В 2007 стартовали проекты «Геномика рака», «Геномика мозга», «Геномика сердца», а в январе 2008 года в Америке стартовал новый беспрецентентный проект «1000 геномов человека» !!!!

Направления геномики :

Структурная геномика - изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет строение и границы генов, межгенных участков и других структурных генетических элементов. Итог структурной геномики – получение последовательности нуклеотидов (сиквенс от англ. sequence), которая представляла бы полностью каждую из хромосом от первого нуклеотида до последнего. Практическое приложение – идентификация

Как можно на практике применить полученные данные о геномах различных организмов? В первую очередь эти знания необходимы для идентификации организмов. Например в 2004 г создан всемирный консорциум «Штрих-код жизни» (The Consortium for the Barcode of Life, CBOL). Консорциум «Штрих-код жизни» объединяет 69 организаций из 31страны. Идея «Штрих-код жизни» проста: у представителя любого вида выделить в его митохондриальной ДНК стандартный для всего живого участок, секвенировать его (то есть определить последовательность нуклеотидов) и занести информацию в соответствующую базу данных, размещенную в интернете. В скором времени ожидается появление на рынке карманных мобильных секвенаторов, напоминающих мобильные телефоны и удобных для работы. Как сообщает Nature, исследователи из Королевского ботанического сада в Лондоне (Royal Botanic Gardens, Kew in London) приблизились к созданию «штрихового кодирования» для растений. Исследователи создают систему, которая позволит определять видовую принадлежность любого растения с помощью быстрого анализа его ДНК. Такая система должна работать как штриховое кодирование товаров в магазинах и может использоваться, например, для оценки биоразнообразия в охраняемых районах или для предотвращения нелегальной торговли исчезающими растениями.

Функциональная геномика идентифицирует функции каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Задачей этого направления является воссоздание суммарной карты метаболических путей живого, состоящей из частных метаболических карт, характерных для каждого организма. Выявление в разных геномах определенных наборов генов метаболических функций позволяет предположить, функциональную связь генов этого набора в едином участке метаболической цепи. Одно из направлений геномики - воссоздание суммарной карты метаболических путей живого, состоящей из частных метаболических карт, характерных для каждого организма. Выявление в разных геномах определенных наборов генов метаболических функций позволяет предположить, функциональную связь генов этого набора в едином участке метаболической цепи.

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их строения и функционирования.

Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов.

Этногеномика - изучает генофонд населения на основе анализа геномного разнообразия и геномного полиморфизма. Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для данного этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология, лингвистика.

Фармакогеномика – изучает влияние индивидуальных генетических различий на безопасность и эффективность лекарственных препаратов.

Нутригеномика исследует эффекты нутриентов и их связь с характеристиками генома. Исследует эффекты генетической вариабельности и взаимосвязи диеты и здоровья, с привлечением данных относительно чувствительных групп населения (например, лиц, имеющих диабет, целиакию, фенилкетонурию и т.д), изучает применение генных технологий в производстве продуктов питания, обогащенных теми или иными веществами. Решает вопросы формирования диеты на основе тестирования генов, принимающих участие в процессах детоксикации, оксидативного стресса, метаболизма липидов, витамина В, фолиевой кислоты, кальция, инсулинового статуса.

Клиническая геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов).

Гены могут также затрагивать нашу чувствительность к различного рода инфекционным и паразитическим агентам как через иммунную систему, так и посредством изменений во многих других молекулах, таких, например, как рецепторы на поверхности клеток. Так или иначе симптомы, которые проявляются у значительной доли пациентов, находящихся под наблюдением врачей, непосредственно или опосредованно связаны с их генотипами. Прогресс, достигнутый в анализе генома человека, помогает теперь определять вклад генетических вариантов в возникновение болезней, а в некоторых случаях удается даже спланировать оптимальные схемы лечения. Однако мы находимся еще на самых дальних подступах к индивидуализированной медицине, а реальные успехи на этом пути еще только ожидаются в будущем.

Ниже приведен пример, когда прочтение генома инфузории и исследование механизма редактирования ее генома открывает широкие перспективы для разработки новых технологий лечения широкого спектра заболеваний.

Инфузории - самые сложные из одноклеточных организмов, и вообще - верх того, что смогла создать эволюция на одноклеточном уровне. У инфузорий есть два генома — генеративный и вегетативный (соматический). Первый хранится в маленьком ядре (микронуклеусе), содержит много транспозонов и некодирующих участков, и в целом находится в нерабочем состоянии. Например, многие гены в нем разорваны на куски и перемешаны в такой клубок, что никаким сплайсингом не распутать. Но, тем не менее, это нормальный, хотя и сильно запущенный, большой эукариотический геном. Кстати, число генов у инфузорий и у человека примерно одинаково (порядка 30 тысяч). Геном микронуклеуса, естественно, не работает (он и не смог бы), и служит только для передачи генов потомству при половом размножении.

Вегетативный (соматический, рабочий) геном инфузории хранится в большом ядре (макронуклеусе) и по многим параметрам сильно отличается от других эукариотических геномов. У инфузории Oxytricha, которой посвящена обсуждаемая статья, он состоит из многих тысяч отдельных «нанохромосом». Это настоящие хромосомы, только очень маленькие, обычно содержащие всего один ген. Каждая нанохромосома, или МАК-хромосома, присутствует в макронуклеусе в очень большом количестве копий. Соответственно, и весь вегетативный геном многократно сдублирован, то есть макронуклеус является полиплоидным (микронуклеус - диплоидное ядро).

Исследователи из Принстонского университета установили, что для «распутывания» генетической информации инфузории используют образцы (матрицы), представляющие собой молекулы РНК, считанные с нанохромосом макронуклеуса (МАК-хромосом) перед тем, как макронуклеус был разрушен. Чтобы это выяснить, пришлось провести много сложных экспериментов. Из полученных результатов следует интересный эволюционный вывод. Поскольку у инфузорий уже развилась универсальная система «распутывания» измельченных и перепутанных генов, дальнейшая фрагментация МАК-генов и перестановки их частей уже не будут отсеиваться отбором. Ведь есть распутывающий механизм, ему всё равно, он всё исправит. Видимо, потому-то МАК-геномы инфузорий и пришли постепенно в состояние хаоса. Таким образом, информация о последовательности, в которой нужно сшивать обрывки генов генеративного генома, передается потомству инфузорий «неклассическим» способом - в виде молекул РНК. А ведь это не такая уж маленькая часть наследственной информации!

Могут ли подобные системы редактирования генома, основанные на использовании РНК-матриц, работать и у других организмов, а не только у инфузорий? Почему бы и нет? Нужно искать. Череда открытий последних лет однозначно показывает, что живая клетка по-прежнему таит в себе множество неизвестных нам молекулярных механизмов, в том числе и таких, которые используются для целенаправленного изменения собственного генома.

В последние годы наблюдается стремительное развитие технологий направленных на прочтение геномов (совершенствование техники секвенирования). Так геном человека уже сегодня можно прочитать за 2 месяца. В июне 2007 г на торжественной церемонии в Хьюстоне, директор Центра секвенирования генома человека, д-р Ричард А. Гиббс, и основатель компании 454 Life Sciences, д-р Джонатан М Ротберг, вручили Дж. Уотсону запись его генома на двух DVD. Геном Дж Уотсона был расшифрован на пиросеквенаторе 454 Life Sciences за 2 месяца, что обошлось менее чем в $1 млн. Планируется сделать следующий шаг в развитии этих технологий, который позволить читать геном человека за один день. Так, компании Complete Genomics и BioNanomatrix разрабатывают новый метод, который позволит секвенировать геном человека в течение одного дня. Большинство существующих методов секвенирования детектируют последовательность оснований в ДНК «буква за буквой» (каждая буква – один из четырёх нуклеотидов). Новый метод основан на детектировании целых «слов» - фрагментов длиной в пять оснований. Для этого синтезируются все возможные олигонуклеотиды длиной в пять оснований, и к каждому из них присоединяется своя флуоресцентная метка. Затем смесь с несколькими типами олигонуклеотидов добавляется к однонитевой ДНК. Олигонуклеотиды связываются с комплементарными им участками цепочки, после чего микроскоп фиксирует последовательность флуоресцентных меток. Процедура затем повторяется с другими наборами «слов», пока не будет получена полная информация о последовательности нуклеотидов в исследуемой молекуле ДНК. В качестве основы для устройства используются нанофлюидные чипы, изготовлением которых и занимается партнёр Complete Genomics –BioNanomatrix (Филадельфия, США). Малая ширина каналов на чипе (порядка 100 нм) заставляет в норме спутанную молекулу ДНК вытягиваться, что и позволяет одновременно получать информацию как о сиквенсе участка, так и об его пространственном расположении (традиционные методы основаны на многократном разрезании ДНК на короткие фрагменты и секвенировании их, после чего расположение фрагмента в цепочке восстанавливается вычислительными комбинаторными методами). К настоящему времени удалось продемонстрировать, что длинные (до 2 миллионов оснований) молекулы ДНК могут перемещаться по каналам уже существующих чипов. Однако, для успешного секвенирования необходимо создать чипы с большим количеством каналов, чтобы параллельные процессы секвенирования с разными комбинациями олигонуклеотидов можно было проводить одновременно. С другой стороны, необходимо создание флуоресцентных меток, которые можно легко и надёжно детектировать. Успех в этом направлении избавит учёных от необходимости повышать соотношение «сигнал-шум» путём амплификации ДНК и одновременного секвенирования большого числа молекул, что усложняет процедуру и повышает её стоимость.

По оценкам учёных, от успешного выхода новой технологии на рынок нас отделяет по крайней мере пять лет. Однако, возможность одномоментного секвенирования длинных последовательностей ДНК стала бы действительно значимым прорывом, в частности – в таких приложениях, как идентификация небольших изменений последовательности ДНК (делеция или инверсия коротких участков). Для сравнения, современные методы секвенируют участки длиной 30-200 оснований, что достаточно удобно для таких приложений, как, например, повторное секвенирование уже известного генома, однако создаёт трудности в других случаях.

Основными сферами инновационных биотехнологий в Южном федеральном университете могут стать наиболее динамично развивающиеся направления в геномике такие как выпуск диагностикумов для генетической идентификации растений, животных и человека, разработка и производство карманных мобильных секвенаторов для чтений «штрих-кодов жизни» , по мнению зарубежных экспертов, это - наиболее активно развивающиеся сегменты мирового рынка биотехнологий.