5. Перспективы геномики

У человека только в четыре-пять раз больше генов, чем у нематоды. Следовательно, часть его генома должна иметь "родственников" среди известных теперь генов дрожжей и червя, что в громадной степени облегчает поиск новых генов человека. Функции неизвестных генов нематоды изучать несравненно легче, чем аналогичные гены у человека. Дело в том, что гены червя можно легко изменить (мутировать) или убить, одновременно следя за изменениями свойств организма.

Таким путем можно выявить биологическую роль генных продуктов у червя, а затем эти данные экстраполировать на другие организмы, в первую, очередь на человека. Помимо мутаций можно угнетать активность генов с помощью специальных ингибиторов (например, особых молекул специфических РНК) и следить за изменением в поведении организма. Этот путь тоже ведет к раскрытию функций неизвестных генов.

В 1990 г. началось секвенирование, темп которого составлял в 1992 г. 1 млн. пар нуклеотидов в год. Ускорение было достигнуто простейшим способом: число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100, приборы-секвенаторы и роботы функционировали круглосуточно, производительность каждой машины была увеличена.

Биологов всегда интригует вопрос о том, как регулируется работа генов. Хотя мы знаем об этом очень много, наши знания в основном получены на отдельных генах, а потому не возникает цельной картины регуляции активности всего генома. Сейчас бурно развивается техника «биочипов», или «микрочипов», одним из создателей которой был академик А.Д. Мирзабеков.

Одной из сложнейших в биологии остается проблема взаимосвязи сигнальных регуляторных путей. Дело в том, что взаимодействие белковых продуктов многих генов происходит одновременно, причем комбинации белков меняются не только во времени, но и в клеточном пространстве. В результате, изучение отдельных генов и их продуктов (что, в основном, делалось до сих пор) нередко становится неэффективным. Набор генов в сочетании с техникой «микрочипов» фактически открывает новую стратегию решения этой старой проблемы.

Каково соотношение кодирующих и некодирующих областей в геноме «С.-elegans»? Компьютерный анализ показывает, что примерно равные доли – 27% и 26% соответственно - занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК: они сохраняются в матричной РНК) и интроны (участки гена, удаляемые в процессе образования зрелой РНК). Оставшиеся 47% генома приходятся на «повторы», межгенные участки и т.д., то есть на ДНК с неизвестными функциями. Мы приходим, на первый взгляд, к достаточно парадоксальному выводу: эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с "разбавлением" генома - на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации "ни о чем", то есть для нас непонятной, непрочитанной. Это одна из больших загадок биологической эволюции.

По поводу "лишней" ДНК существуют самые разные предположения, зачастую прямо противоположные по смыслу. Много лет назад Ф. Крик, один из двух первооткрывателей двойной спирали ДНК назвал ее "эгоистической" или "мусорной". Он считал ее издержкой эволюции, платой за совершенство остальной части генома. Возможно, что небольшая доля ДНК человека и других высших организмов действительно относится к такому типу, однако, теперь ясно, что основная доля "эгоистической" ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается в размерах потому, что дает ее обладателям эволюционные преимущества.

Классическим примером "эгоистической" ДНК служат так называемые «короткие повторы»: Alu-элементы, альфа-сателлитные ДНК и др. Как выяснилось в последние годы, их структура консервативна, то есть мутации, нарушающие "правила", установленные природой для этих элементов, отбрасываются в ходе естественного отбора или компенсируются другими мутациями. Структурное постоянство - мощный аргумент в пользу идеи о том, что это отнюдь не "мусорная", а очень важная ДНК для жизни вида. Другое дело, что мы еще не знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.

Геном человека высококонсервативен. Происходящие в нем мутации могут либо его повредить, и тогда они ведут к тому или иному дефекту, а иногда и к заболеванию, либо пройти для организма не замеченными. Если они не затрагивают структуру белков или затрагивают таким образом, что их биологическая активность не меняется, мутации называют «нейтральными». Они фактически не подвергаются отбору, поскольку не имеют фенотипического проявления, то есть не влияют на признаки организма. Однако, нейтральные мутации могут распространяться в различных группах организмов, и если их доля превысит 1%, тогда это явление называют «полиморфизмом» (многообразием).

В геноме человека огромное количество участков, различающихся одним или двумя нуклеотидами, абсолютно безразличных для функций, но передающихся из поколения в поколение. Вероятно полиморфизмов и у человека более 100 тыс.

Вариабельность генома (конечно, она присуща не только человеку, но и любому другому организму), с одной стороны, вроде бы мешает исследователю, поскольку ему приходится разбираться, имеет ли он дело с истинным «полиморфизмом» или просто с ошибкой секвенировання, и как этот «полиморфизм» наследуется, а с другой стороны, создает уникальную возможность для молекулярной идентификации каждого отдельного организма, позволяет отличить его от любого другого, в том числе - близкородственного. В теоретическом аспекте вариабельность генома - это молекулярная основа генетики популяций, раньше базировавшейся только на чисто генетических данных.

Но еще важнее практический аспект - возможность идентификации личности, если говорить о геномике человека. В нашей повседневности часто возникают ситуации, когда идентификация личности абсолютно точными методами, которые не могут быть оспорены, представляет собой жизненно важную задачу, особенно в судебной медицине, криминалистике, наследовании собственности и т.д. Совершенство методов геномной дактилоскопии таково, что достаточно одной капли крови или слюны, одного волоса, чтобы с абсолютной надежностью установить родственные отношения между людьми.

В геномной дактилоскопии используют как «ядерную», так и митохондриальную ДНК (последняя передается по материнской линии и содержится в органеллах клетки - митохондриях, снабжающих все клетки энергией).

Следует напомнить, что ДНК - химически весьма стойкое соединение. В относительно благоприятных условиях оно может сохраняться не только десятки и сотни, но даже многие тысячи лет. В рамках российской «геномной программы» сейчас исследуют ДНК из останков, обнаруженных в захоронениях на севере России, которым как минимум 2000 лет. Удалось охарактеризовать ДНК, выделенную из останков мамонта, которые пробыли в слое вечной мерзлоты не менее десятка тысяч лет.

Вариабельность генома породила еще одно направление геномики, которое обычно называют этногеномикой. Речь идет о том, что этнические группы, населяющие Землю, помимо индивидуальной вариабельности имеют еще и некоторые групповые признаки, характерные для данного этноса. По этим признакам, например, можно надежно отличить европейские расы от монголоидной. Это направление исследований вызывает особенно большой интерес у этнографов, историков, археологов, лингвистов, поскольку получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках этих дисциплин.

Можно предвидеть, что многие особенности человека как существа социального в той или иной степени имеют биологические (геномные) предпосылки. Таким образом, геномика со временем внесет существенный вклад в понимание социальной природы человека.