Лекция 1 Становление геномики как самостоятельного раздела молекулярной генетики

Геномика — раздел генетики, который изучает геномы и отдельные гены на молекулярном уровне, их структуру (структурная геномика) и функции (функциональная геномика), а также их использование в генной инженерии, биотехнологии и генной терапии (медицинская геномика, или геномная медицина). В задачи геномики входит:

• полное секвенирование геномов, сопоставление и оценка их генетической сложности как молекулярных систем;

• выявление ранее неизвестных генов, сравнительный анализ функционального и структурного сходства различных генов и геномов;

• выявление общих принципов организации сложных клеточных молекулярно-генетических систем управления.

По образному выражению новосибирского генетика В. А. Ратнера, геномика является одной из главных точек роста современной молекулярной генетики.

В чреде клеточных поколений происходит передача элементов генома как дискретных фрагментов ДНК, различающихся по составу нуклеотидов и по функциональным признакам. Их можно подразделить на следующие категории:

• облигатные элементы — структурные локусы, количество и расположение которых в геноме постоянны. Среди них по характеру экспрессии могут быть выделены гены «домашнего хозяйства» (housekeeping genes) — их продукты необходимы для обеспечения жизнедеятельности клеток всех типов. Тканеспецифические гены как облигатные элементы обеспечивают специализированные функции в определенных типах клеток и тканей на определенных стадиях онтогенеза;

• факультативные элементы — к ним относятся вирусы, В-хромосомы, амплифицированные копии ДНК;

• мобильные (мигрирующие) генетические элементы включают транспозоны и ретротранспозоны (рис. 47). Транспозоны перемещаются в геноме с участием комплекса белков, обеспечивающих активность фермента транспозазы, которая узнает подвижный элемент и обеспечивает его перенос на новое место. Они составляют 3 % генома человека и представлены в нем 300 000 копиями 7 разных классов. Другой класс подвижных элементов — это так называемые ретротранспозоны. В отличие от транспозонов, они не вырезаются из хромосомы. Их перемещение основано на транскрипции ретротранспозона (синтезе РНК на матрице ДНК), за которой следует «обратная транскрипция» — синтез нити ДНК (к ДНК) на РНК. Обозначения разных мобильных элементов:

  1. LINE (long interspersed elements) — семейство длинных диспергированных повторов генома человека длиной каждого 6 т. п. н.; число копий 8,5-10⁵ на геном.

  2. SINE (short interspersed elements, в том числе Alu) — семейство коротких диспергированных повторов, которые занимают в тексте ДНК генома человека в 10 раз больше места, чем белковые кодирующие последовательности. Длина каждого 100-400 п. н.; число копий 1,5 - 10⁶ на геном.

  3. LTR ретротранспозоны: размер 1,5-11 т. п. н.; число копий 4,5-10⁵ на геном.

Клеточный геном представляет собой сбалансированную систему генов, своего рода архив генетической информации, которая необходима и достаточна для контроля всего клеточного метаболизма, самовоспроизведения, развития и морфогенеза. В него входят гены всех основных генетических процессов — конвариантной редупликации, транскрипции, трансляции, репарации, рекомбинации и сегрегации.

На пути становления геномики стояли следующие знаковые открытия:

1966 — М. Геллер, Б. Вейс и С. Рихардсон открыли фермент ДНК-лигазу.

1970 — Г. Темин и Д. Балтимор независимо открыли обратную транскриптазу — фермент, синтезирующий ДНК с использованием в качестве матрицы комплементарной РНК. Лауреаты Нобелевской премии 1975 г. совместно с Р. Дальбекко.

В. Арбер, Д. Натане и X. Смит выделили рестриктазу — фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах (сайтах). Лауреаты Нобелевской премии 1978 г.

1972-1973 — Пол Берг и Г. Бойр получили рекомбинантные ДНК бактериального вируса лямбда и обезьяньего вируса SV-40. Проведен первый генноинженерный эксперимент. Нобелевская премия по химии за 1980 г.

1976 — В. А. Гвоздев, Г. П. Георгиев (Россия) и Д. Хогнесс (США) открыли мобильные генетические элементы у дрозофилы.

1975-1977 — Ф. Сэнджер и независимо А. Максам и У. Гилберт разработали методы быстрого определения нуклеотидных последовательностей ДНК (прямое секвенирование)

Ф. Сэнджер с сотр. (Кембридж) секвенировали геном бактериофага «фи-десять-174» с кольцевой одноцепочечной ДНК размером 5386 п. н. В геноме фага установлены перекрывающиеся гены и «гены внутри генов». Вместе с У. Гилбертом и П. Бергом удостоен Нобелевской премии 1980 г. Для Ф. Сэнджера это была вторая Нобелевская премия (первая — за 1958 г. по химии).

1977 год знаменовал начало новой эры в молекулярной генетике — эры геномики.

Последующий период характеризовался увеличением числа объектов секвенирования геномов и повышение эффективности методов. Среди тех и других отметим наиболее важные:

• расшифровка последовательности ДНК митохондриального генома человека в лаборатории молекулярной генетики Кембриджского университета в 1981 (Сэнджер Ф., Андерсон С. и др.);

• К. Муллис и Р. Сайки разработали метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), с помощью которого можно быстро получать миллионы копий участков ДНК. Этот метод ускорил реализацию программы «Геном человека». Удостоены Нобелевской премии 1993 г.;

• основан Международный консорциум по секвенированию генома человека (IHGSC) (1990);

• фирмой Applied Biosystems (США) разработан первый автоматический ДНК-секвенатор, модель которого подвергается ежегодному усовершенствованию. В результате секвенирование ДНК становится простой процедурой, доступной в любой молекулярно-биологической лаборатории;

• секвенированы геномы первого высшего организма — нематоды Caenorhabiditis elegans размером 8·10⁷ п. н. (1998), высшего растения арабидопсиса размером 8·10⁷ п. н. (1999), дрозофилы размером 1,75·10⁸ (2000);

• полное секвенирование генома человека Международным консорциумом (IHGSC) и частной фирмой Celera Genomisc (2001). Размер генома человека составил 3,2·10⁹ п. н.;

• полностью секвенирован геном мыши размером 2,2·10⁹ п. н. (2002) и геном неандертальца (2006).

В настоящее время секвенированы геномы у более чем 1 тыс. видов организмов. Особое внимание уделяется расшифровке структуры геномов патогенных бактерий и вирусов. Нарастающее число секвенированных нуклеотидных последовательностей у разных организмов создало проблему упорядочения их хранения и создания баз данных таких последовательностей. Достижения молекулярной генетики и геномики были бы невозможны без создания технических условий для хранения и обработки огромных массивов информации. Первой электронной базой данных о секвенированных последовательностях ДНК была Los Alamos DNA Database (1980). Затем были организованы другие банки данных генетических последовательностей с адресами в Интернете:

1) Gen Bank, США (1982);

2) EMBL Data Library, Европа (1980);

3) EMBL Nucleotide Sequence Database, Европа (1994);

4) DNA Data Bank of Japan, Япония (1986);

5) International Nucleotide Sequence Database;

6) SWISS-PROT — крупнейшая база данных аминокислотных последовательностей (1986);

7) Система WIT (What is There) разработана компанией Интергрейтид геномике инкорпорайшн (Чикаго, США) для сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей геномов и проведения «реконструкций» метаболизма по хромосомным последовательностям (2000);

8) HUMBIO — база знаний по биологии человека (1995), созданная в Институте молекулярной генетики РАН;

9) Компьютерная система GeneExpress включает большой перечень программ и баз данных, которые могут быть использованы при создании трансгеннных растений. Разработана в Институте цитологии и генетики СО РАН.

В научной литературе по геномике встречаются различные термины (биоинформатика, биология in Silico, вычислительная биология), поэтому возникла необходимость разграничения между этими дисциплинами (Александров А. А., Дроздов-Тихомиров Л. Н., Шепелев В. А., 2004; Дромашко С. Е., 2006).

Биоинформатика — быстро развивающийся раздел теории информации, который представляет собой науку о создании банков данных, разработке удобного компьютерного интерфейса, графиков, а также программно-математических методов для анализа последовательностей и пространственных структур. Целью биоинформатики является накопление биологических знаний в форме, обеспечивающей их наиболее эффективное использование, а также построение и анализ математических моделей биологических систем и их элементов. В биоинформатике существует специальный раздел — компьютерная геномика, решающая проблемы расшифровки генетических «текстов», хранящихся в последовательностях нуклеотидов ДНК (РНК). Метаболономика (протеомика) — другой раздел биоинформатики, исследующий принципиальную сторону организации метаболизма клетки и его управления со стороны генома. Ее задачами является выявление и моделирование определенной динамической структуры метаболизма, обеспечивающей поддержание гомеостаза в клетке за счет регуляторных свойств уже существующих в клетке ферментов и функционирования генома, поддерживающего существование этой структуры.

Задачами биологии in Silico (или вычислительной биологии) является анализ динамики систем макромолекул, молекулярно-генетических систем и процессов, создание математических моделей функционирования клеток и целых организмов, т. е. объединение наработок геномики и протеомики. С 1998 г. в Германии выходит международный научный журнал по вычислительной молекулярной биологии «In Silico Biology»: как электронное Интернет-издание его публикует Bioinformation Systems Е. V. (Брауншвейг), а печатную версию готовит издательство IOS Press.

В структурной геномике широко используется теоретико-информационный подход для анализа генетических текстов. Сами генетические тексты — а это уже никем не подвергается сомнению — показывают сходство с компьютерными программами, например, наличие знаков начала (промотор) и конца (терминатор транскрипции) программы, выраженных «программ», меток циклов. Эти проблемы интенсивно разрабатываются на кафедре информационной биологии Новосибирского государственного университета, где читаются спецкурсы «Компьютерная геномика». В качестве примера приведем спецкурс «Обзор задач биоинформатики, связанных с анализом и обработкой текстовых последовательностей» (Ю. Л. Орлов). В нем сформулированы основные задачи компьютерного анализа генетических текстов:

1) поиск гомологии и выравнивание генетических текстов, множественное выравнивание;

2) статистический анализ генетических текстов, исследование структуры повторов и модели порождения символьных последовательностей, сегментация геномов;

3) предсказание кодирующих участков генов и открытых рамок считывания — участок ДНК между инициирующим и стоп-кодонами (ОРС — англ. open reading frame = ORF);

4) предсказание функциональных сигналов (функциональных сайтов регуляторных районов);

5) анализ вторичной структуры РНК и сигналов трансляции;

6) анализ аминокислотных последовательностей белков, предсказание вторичной структуры, функциональных сайтов и доменов глобулярных белков по их аминокислотным последовательностям.

После рассмотрения общих вопросов геномики, ее истории, проблематики и терминологии в последующих разделах мы перейдем к конкретному описанию геномов доклеточных (вирусов и фагов), прокариот (бактерий) и эукариот.