Частина 1. Молекулярні основи спадковості

1. Введення в молекулярну біологію.

Предмет молекулярної біології. Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Практичне значення молекулярної біології. Сучасні найважливіші досягнення біотехнології, перспективи її використання в клінічній медицині. Поняття про молекулярну медицину.

Предмет молекулярної біології. Молекулярна біологія - наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярного, а у ряді випадків і що досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому є з'ясування того, яким чином і якою мірою характерні прояви життя, такі, як спадковість, мінливість, розмноження, біосинтез, збудливість, зростання і розвиток, зберігання і передача інформації, перетворення енергії, рухливість і т. д., обумовлені структурою, властивостями і взаємодією молекул біологічно важливих речовин, в першу чергу двох головних класів високомолекулярних біополімерів — білків і нуклеїнових кислот. Відмінна риса молекулярної біології — вивчення явищ життю на неживих об'єктах або таких, яким властиві найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні утворення від клітинного рівня і нижче: субклітинні органеллы, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосомы, хромосоми, клітинні мембрани; далі — системи, що стоять на межі живої і неживої природи, — віруси, в т.ч. і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії — нуклеїнових кислот і білків. У основі концепції молекулярної біології лежить уявлення, що організми – це динамічні форми живої матерії, частинки (молекули) якої і сили, що діють на них, безперервно змінюються і взаємодіють один з одним і з відкритим середовищем.

Біологічні процеси, що відбуваються в різних формах організмів, підкоряються загальним законам фізики і хімії. У зв'язку з цим при вивченні структури молекул, а також їх систем, слід звертати особливу увагу на хімічні зв'язки, кінетику хімічних реакцій і інші фізичні і хімічні внутри- і міжмолекулярні взаємодії.

Проте певні стереохимические відмінності і індивідуалізація молекул ДНК приводять до того, що одні і ті ж хімічні компоненти зв'язуються один з одним в різних послідовностях, положеннях, кількостях, забезпечуючи появу індивідуальних і різних форм життя.

Кінцевий результат біохімічного дослідження може бути представлений у вигляді тієї або іншої системи хімічних рівнянь, зазвичай повністю вичерпуваною їх зображенням на площині, тобто в двох вимірюваннях. Відмінною рисою молекулярної біології є її тривимірність. Суть молекулярної біології убачається М. Перуцем в тому, щоб тлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури.

Вирішальної ролі набувають взаємне розташування атомів і їх угрупувань в загальній структурі макромолекули, їх просторові взаємини. Це торкається як окремих, індивідуальних, компонентів, так і загальній конфігурації молекули в цілому. Саме в результаті виникнення строго детермінованої об'ємної структури молекули біополімерів набувають тих властивостей, через які вони виявляються здатними служити матеріальною основою біологічних функцій. Такий принцип підходу до вивчення живого складає найбільш характерну, типову межу молекулярної біології.

Предметом вивчення молекулярної біології є також дослідження молекулярних чинників вірулентності і специфічності імунохімії.

Молекулярні чинники вірулентності. Специфічні ділянки і компоненти мікробних макромолекул і крупніших структур, здатні викликати помітні физико-хімічні, функціональні і структурні зміни в більш високоорганізованій живій одиниці, такий, наприклад, як людина, можна назвати чинниками вірулентності.

У мікроорганізмів, що мешкають в більш високорозвинутих господарях, основний механізм зв'язку господар-паразит є специфічною реакцією на молекулярному рівні, що викликає згубні зміни, як в господарі, так і в паразитові.

Взаємодії між вірулентним агентом і господарем мутанта, що втратив один або декілька своїх ферментів або структур, необхідних для асоціації паразита з господарем і для репродукції вірулентного агента, не викликають таких згубних наслідків.

Очевидно, вірулентність залежить, по суті, від взаємодії між унікальними по конформації субъединицами патогенних мікроорганізмів і комплементарними субъединицами в чутливому господарі. В результаті цих взаємодій в господарі руйнуються життєво важливі біомолекули і біоструктури. Проте молекулярна природа вірулентності вивчена недостатньо.

Молекулярні чинники специфічності імунохімії. Властивості імунохімій молекули складаються з двох основних чинників. Перший – це імуногенність або здатність викликати утворення специфічних імуноглобулінів, що містять ділянки (сайти), комплементарні специфічним областям поверхні молекули. Другий – здібність до об'єднання, направлена безпосередньо на стереохимические сайти макромолекули імуноглобуліну, комплементарній молекулі, що індукувала дану конфігурацію. Як випливає з квантової імунохімії, імунна реакція індукується у тому випадку, коли електрони атомів иммунокомпетентной клітки отримують енергію від молекул антигена, внаслідок чого вони переходять в збуджений стан з більшою енергією. Поглинання енергії приводить до молекулярних перебудов в клітках, які передаються кліткам потомства. Ці клітки продукують молекули імуноглобулінів з певною електронною конфігурацією, які можуть завдяки цьому специфічно реагувати з початковою молекулою антигена. Лише молекули антигена і антитіла, утворені в результаті поглинання і передачі квантів енергії і що відрізняються по енергії зовнішніх орбиталей їх електронів, можуть взаємодіяти з утворенням продуктів імунної реакції. Для прояву імуногенності необхідна, очевидно, наявність кільцевої структури молекул. Так, прості цукру і олігосахариди стають иммуногенами, якщо приєднують принаймні одну молекулу з кільцевою структурою.

Антигенність молекул білків і пептидів в основному залежить від присутності молекул певних амінокислот, наприклад тирозина або глутамина, розташованих на поверхні білкової або пептидної молекули. Антигенний характер молекули визначається розташуванням, просторовою конфігурацією і послідовністю амінокислот або моносахаридів на поверхні макромолекули.

Іммунохимічеськи активна ділянка (сайт) на білковій макромолекулі – це така ділянка, в якій певні залишки амінокислот наближаються до новосинтезирующейся молекули імуноглобуліну на відстань зв'язку, що становить приблизно 0.2 нм.

Зв'язуючий центр молекул імуноглобулінів можна наочно представити у вигляді неглибокої порожнини розміром близько 700 А0. Залежно від класу імуноглобулінів в молекулі антитіла можна виявити від двох до десяти зв'язуючих сайтів або комплементарних областей.

Завдання молекулярної біології. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на яких очікується від молекулярної біології (М. би.), на першому місці коштує проблема молекулярних основ злоякісного зростання, далі — шляхи попередження, а мабуть, і подолання спадкових захворювань — молекулярних хвороб. Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, тобто дії ферментів. До сучасних найважливіших напрямів М. би. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми дії гормонів, токсичних і лікарських речовин, а також з'ясувати деталі молекулярної будови і функціонування таких клітинних структур, як біологічні мембрани, що беруть участь в регуляції процесів проникнення і транспорту речовин. Віддаленіші цілі М. б.— пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті і так далі Один з найважливіших розділів М. б.— генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямована операція генетичним апаратом (геномом) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (у останньому випадку перш за все в цілях радикального лікування спадкових захворювань і виправлення генетичних дефектів). Відносно мікробів, рослин, а можливо, і з.-х. тварин такі перспективи вельми обнадійливі (напр., отримання сортів культурних рослин, що володіють апаратом фіксації азоту з повітря і що не потребують добрив). Вони засновані на вже досягнутих успіхах: ізолювання і синтез генів, перенесення генів з одного організму в іншій, застосування масових культур кліток як продуценти господарських або медичних речовин.

Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Молекулярна біологія — нова область природознавства, тісно пов'язана з напрямами досліджень, які охоплюються біохімією, біофізикою і біоорганічною хімією, що давно склалися. Розмежування тут можливо лише на основі обліку вживаних методів і по принциповому характеру використовуваних підходів.

Фундамент, на якому розвивалася М. би., закладався такими науками, як генетика, біохімія, фізіологія елементарних процесів і так далі По витоках свого розвитку М. би. нерозривно пов'язана з молекулярною генетикою, яка продовжує складати важливу частину М. би., хоча, і сформувалася вже в самостійну, дисципліну.

Величезне значення досліджень біологічних проблем на молекулярному рівні передбачав І. П. Павлов, що говорив про останній ступінь в науці про життя — фізіологію живої молекули. Самий термін «Молекулярна біологія» був вперше спожитий на початку 40-х років англійським ученим У. Астбері в додатку до досліджень, що стосувалися з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними і біологічними властивостями фибриллярных (волокнистих) білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів. Широко застосовувати термін «Молекулярна біологія» стали з початку 50-х рр. 20 ст. Виникнення М. би., як науки, що сформувалася, прийнято відносити до 1953г., коли Дж. Уотсоном і Ф. Кріком в Кембріджі (Великобританія) була розкрита тривимірна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Це дозволило говорити про те, яким чином деталі даної структури визначають біологічні функції ДНК як матеріальний носій спадкової інформації. В принципі, про цю роль ДНК стало відоме декілька раніше (1944) в результаті робіт американського генетика О. Т. Ейвері із співробітниками, але не було відоме, якою мірою дана функція залежить від молекулярної будови ДНК. Це стало можливим лише після того, як в лабораторіях У. Л. Брегга, Дж. Бернала і ін. були розроблені нові принципи рентгеноструктурного аналізу, що забезпечили застосування цього методу для детального пізнання просторової будови макромолекул білків і нуклеїнових кислот.

У 1957 Дж. Кендрю встановив тривимірну структуру міоглобіну, а в подальші роки це було зроблено М. Перуцем відносно гемоглобіну. Були сформульовані уявлення про різні рівні просторової організації макромолекул.

Найбільш наочним прикладом того, як молекулярна тривимірна структура визначає біологічні функції молекули, служить ДНК.

Так само і у разі гемоглобіну виявилось, що його біологічна функція — здатність оборотно приєднувати кисень легенів і потім віддавати його тканинам — найтіснішим чином пов'язана з особливостями тривимірної структури гемоглобіну і її змінами в процесі здійснення властивою йому фізіологічній ролі. При скріпленні і дисоціації О2 відбуваються просторові зміни конформації молекули гемоглобіну, спорідненість атомів заліза, що містяться в нім, що веде до зміни, до кисню. Зміни розмірів молекули гемоглобіну, що нагадують зміни об'єму грудної клітки при диханні, дозволили назвати гемоглобін «молекулярними легенями».

Одна з найважливіших рис живих об'єктів — їх здатність тонко регулювати всі прояви життєдіяльності. Крупним внеском М. би. у наукові відкриття слід рахувати розкриття нового, раніше невідомого регуляторного механізму що позначається як аллостерический ефект. Він полягає в здатності речовин низькою молекулярною массы— т.з. лигандов — видозмінювати специфічні біологічні функції макромолекул, в першу чергу каталітично белков—ферментов, що діють, гемоглобіну, рецепторних білків, що беруть участь в побудові біологічних мембран, в синаптической передачі.

В світлі представлень М. би. сукупність явищ життю можна розглядати як результат поєднання трьох потоків: потоку матерії, що знаходить свій вираз в явищах обміну речовин, тобто асиміляція і дисиміляція; потоку енергії, рушійною силою, що є, для всіх проявів життєдіяльності; і потоку інформації, пронизливого собою не тільки все різноманіття процесів розвитку і існування кожного організму, але і безперервну низку поколінь, що змінюють один одного. Саме уявлення про потік інформації, внесене до вчення про живий світ розвитком М. би., накладає на неї свій специфічний унікальний відбиток.

Молекулярна генетика (М.г.), розділ генетики і молекулярної біології, що ставить за мету пізнання матеріальних основ спадковості і мінливості живих істот шляхом дослідження процесів передачі, реалізації і зміни генетичній інформації, а також способу її зберігання, що протікають на субклітинному, молекулярному рівні.

М. р. виділилася в самостійне, напрям в 40-х рр. 20 ст. у зв'язку з впровадженням в біологію нових фізичних і хімічних методів (рентгеноструктурный аналіз, хроматографія, электрофорез, високошвидкісне центрифугування, електронна мікроскопія, використання радіоактивних ізотопів і т. д.), що дозволило набагато глибше і точніше, чим раніше, вивчати будову і функції окремих компонентів клітки і всю клітку як єдину систему. З новими методами в біологію прийшли нові ідеї фізики і хімії, математики і кібернетики. Велику роль в швидкому розвитку М. р. зіграло перенесення центру тяжіння генетичних досліджень з вищих організмів (эукариотов) — основних об'єктів класичної генетики, на нижчих (прокариоты) — бактерії і багато інших мікроорганізмів, а також віруси. Переваги використання простіших форм життя для вирішення генетичних проблем полягають в швидкій зміні поколінь у цих форм і можливості вивчати одночасне величезне число особин; завдяки цьому сильно зростає роздільна здатність генетичного аналізу і підвищується його точність. Крім того, порівняльна простота організації бактерій і особливо вірусів полегшує з'ясування молекулярної природи генетичних явищ. Висловлювана іноді думка про тотожність М. р. і генетики мікроорганізмів помилково. М. р. вивчає молекулярні основи генетичних процесів як у нижчих, так і у вищих організмів і не включає приватної генетики прокариотов, що займає видне місце в генетиці мікроорганізмів.

За свою недовгу історію М. р. досягла значних успіхів, поглибивши і розширивши уявлення про природу спадковості і мінливості, і перетворилася на те, що веде і найбільш напрям генетики, що швидко розвивається .

Одне з головних досягнень М. г.— з'ясування хімічної природи гена. Класична генетика встановила, що всі спадкові потенції організмів (їх генетична інформація) визначаються дискретними одиницями спадковості — генами, локалізованими гл. обр. у хромосомах клітинного ядра, а також в деяких органеллах цитоплазми (пластидах, мітохондріях і ін.). Проте методи класичної генетики не дозволяли розкрити хімічну природу генів, що було відмічене ще в 1928г. видатним біологом Н. До. Кольцовим, що обгрунтував необхідність вивчення механізму спадковості на молекулярному рівні. Перший успіх в цьому напрямі був досягнутий при вивченні генетичної трансформації у бактерій. У 1944 американський учений О. Т. Ейвері із співробітниками виявив, що спадкові ознаки одного штаму пневмококів можуть бути передані іншому, генетично відмінному штаму шляхом введення в його клітки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), виділеної з першого штаму. Згодом подібна генетична трансформація за допомогою ДНК була відкрита у інших бактерій, а останнім часом — і у деяких багатоклітинних організмів (квіткові рослини, комахи). Т. о., було показано, що гени складаються з ДНК. Цей вивід був підтверджений дослідами з ДНК-СОДЕРЖАЩИМІ вірусами: для розмноження вірусу достатньо введення молекул вірусної ДНК в клітку сприйнятливого господаря; всі інші компоненти вірусу (білки, ліпіди) позбавлені інфекційних властивостей і генетично інертні. Аналогічні досліди з вірусами, що містять замість ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, що у таких вірусів гени складаються з РНК. З'ясування генетичної ролі ДНК і РНК послужило могутнім стимулом для вивчення нуклеїнових кислот біохімічними, физико-хімічними і рентгеноструктурными методами. У 1953 американський учений Дж. Уотсон і англійський учений Ф. Крік запропонували модель структури ДНК, припустивши, що її гігантські молекули є подвійною спіраллю, що складається з пари ниток, освічених нуклеотидами, розташованими аперіодично, але в певній послідовності. Кожен нуклеотид однієї нитки спарений з нуклеотидом другої нитки, що протилежить, за правилом комплементарності. Численні експериментальні дані підтвердили гіпотезу Уотсона і Крику. Декілька пізніше було встановлено, що аналогічною структурою володіють молекули разных РНК, тільки вони переважно складаються з однієї полинуклеотидной нитки. Подальші роботи, в яких хімічні і физико-хімічні методи поєднувалися з точними генетичними методами (використання різноманітних мутантів, явищ трансдукции, трансформації і т. д.), показали, що різні гени розрізняються як числом вхідних в них пар нуклеотидов (від декількох десятків до півтора тисяч і більш), так і строго визначеною для кожного гена послідовністю нуклеотидов, в якій закодована генетична інформація. Принципово схожу хімічну структуру мають і гени, що складаються з РНК, - у вірусів РНК-типа.

Класична генетика розглядала ген як дискретну і неподільну одиницю спадковості. Велике значення в перегляді цієї концепції мали роботи А. С. Серебровського і його учнів, в 1930-х рр. тих, що вперше вказали на можливість подільності гена. Проте роздільна здатність методів класичної генетики була недостатньою для вивчення тонкої будови гена. Тільки з розвитком М. р. вдалося в 50—60-х рр. вирішити цю проблему. Багатьма роботами, проведеними спочатку на бактеріях і вірусах, а потім і на багатоклітинних організмах, було з'ясовано, що ген володіє складною будовою: він складається з десятків або сотень ділянок — сайтів, здатних незалежно мутувати і рекомбинировать. Межею дробленої гена, а, отже, і мінімальним розміром сайту є одна пара нуклеотидов (у вірусів, які містять одну нитку РНК, - один нуклеотид). Встановлення тонкої будови генів дозволило значно поглибити уявлення про механізм генетичної рекомбінації і закономірностях виникнення генних мутацій, воно сприяло також з'ясуванню механізму функціонування генів.

Дані про хімічну природу і тонку будову генів дозволили розробити методи їх виділення. Вперше це було виконано в 1969г. американським ученим Дж. Беквітом із співробітниками для одного з генів кишкової палички. Потім те ж вдалося здійснити у деяких вищих організмів (земноводних). Ще значніший успіх М. р. — перший хімічний синтез гена (що кодує аланиновую транспортну РНК дріжджів), здійснений X. Корану в 1968г. Роботи в цьому напрямі ведуться у ряді лабораторій миру. Для позаклітинного синтезу крупніших генів успішно застосовані новітні біохімічні методи, засновані на явищі так званій зворотній транскрипції. Використовуючи ці методи, З. Спігелмен, Д. Балтімор, П. Ледер і їх співробітники (США) в 1972г. змогли синтезувати ген гемоглобіну.

Таким чином, М. р. вже з'ясувала в принципі питання про те, як записана і зберігається генетична інформація, що отримується нащадками від батьків, хоча розшифровка конкретного змісту цієї інформації для кожного окремого гена вимагає ще величезної роботи.

Встановлення структури ДНК відкрило можливості для експериментального дослідження біосинтезу молекул ДНК — їх реплікації. Цей процес лежить в основі передачі генетичній інформації від клітки до клітки і від покоління до покоління, тобто визначає відносну постійність генів. Вивчення реплікації ДНК привело до важливого виводу про матричний характер біосинтезу ДНК: для його здійснення необхідна наявність готової молекули ДНК, на якій, як на шаблоні (матриці), синтезуються нові молекули ДНК. При цьому подвійна спіраль ДНК розкручується і на кожній її нитці синтезується нова, комплементарна нею нитка, так що дочірні молекули ДНК складаються з однієї старої і одній новій нитці (напівконсервативний тип реплікації). Виділений білок, що викликає розкручування подвійної спіралі ДНК, а також ферменти, що здійснюють біосинтез нуклеотидов і їх з'єднання («зшивання») один з одним. Поза сумнівом, що в клітці є механізми, регулююча синтез ДНК. Шляхи такої регуляції ще в багато чому неясні, але очевидно, що вона у великій мірі визначається генетичними чинниками.

М. р. досягла видатного успіху і в рішенні найважливішої задачі, сформульованою ще класичною генетикою, - яким чином ген визначає ознака, або як відбувається реалізація генетичної інформації. Передумовою послужило сформульоване ще в 1941 Дж. Бідлом і Е. Тейтемом положення «один ген — один фермент». Це положення дозволило поставити питання в наступному вигляді: як гени, т. е., по суті справи, ділянки молекули ДНК, визначають хімічну структуру і властивості білків, специфічних для даного організму? Розкриття хімічної структури ДНК і білка дало можливість зіставити ці два типи біополімерів, що привело до концепції генетичного коду, згідно якої порядок чергування 4 сортів нуклеотидов в ДНК визначає порядок чергування 20 сортів амінокислот в білковій молекулі. Від послідовності розташування амінокислот в білковій молекулі (її первинної структури) залежать всі її властивості. Розшифровка принципів, на яких заснований генетичний код, була здійснена в 1962 Ф. Кріком із співробітниками в генетичних дослідах з мутантами одного бактерійного вірусу. Виявилось, що кожна трійка нуклеотидов в ланцюзі ДНК (триплет, кодон) визначає, яка саме з 20 амінокислот займе дане місце в полипептидной ланцюзі білка, що синтезується, тобто кожен триплет кодує певну амінокислоту. Подальші роботи дозволили повністю розшифрувати генетичний код і встановити його властивості.

Розшифровка генетичного коду зіграла видатну роль в з'ясуванні механізму біосинтезу білка.

Як показали в 1961г. французькі учені Ф. Жакоб і Ж. Моно, біосинтез білка в бактерії знаходиться під подвійним генетичним контролем. Ними запропонована і модель оперону.

З розвитком М. р. глибшим стало розуміння мутаційного процесу, тобто зміни генетичній інформації. Було показано, що мутаціями є або заміни окремих нуклеотидов, або вставки або випадання нуклеотидов в молекулі ДНК. Мутації виникають як унаслідок випадкових помилок при реплікації ДНК, так і в результаті ушкоджувального нуклеїнові кислоти дії різних фізичних і хімічних агентів — мутагенів.

Вивчення репарації відкрило нові підходи до дослідження механізму рекомбінації зчеплених (тобто лежачих в одній хромосомі) генів, що представляє одну з причин комбинативной мінливості, яка разом з мутаціями грає важливу роль в еволюції. Класичною генетикою було показано, що рекомбінація зчеплених генів відбувається шляхом обміну гомологичных хромосом ділянками (кросинговер), але тонкий механізм такого обміну залишався невідомим. Експериментальні дані останніх років дозволяють розглядати внутрішньохромосомну і внутрішньогенну (межсайтовую) рекомбінацію як ферментативный процес, що відбувається при взаємодії молекул ДНК. Акт рекомбінації здійснюється шляхом розривів і з'єднання в новому поєднанні відрізків полинуклеотидных ниток.

М. р. своїми чудовими відкриттями зробила плідний вплив на всі біологічні науки. Вона з'явилася тією основою, на якій виросла молекулярна біологія, значно прискорила прогрес біохімії, біофізики, цитології, мікробіології, вірусології, біології розвитку, відкрила нові підходи до розуміння походження життя і еволюції органічного миру.

Так, дослідження в області генетики мікроорганізмів разом з вирішенням загальнобіологічних проблем мають і свої специфічні мікробіологічні завдання. Основними з них є пізнання молекулярних основ спадковості і мінливості мікробів, розробка методів і принципів управління їх життєдіяльністю і отримання видів мікробів, корисних для людини. Стосовно завдань медичної мікробіології генетичні дослідження мають на меті пізнання генетичних основ патогенності і імуногенних властивостей мікробів, отримання на основі цих даних вакцинних штамів, продуцентів антибіотиків і усунення шкідливої дії мікробів.

Численні дослідження мінливості мікробів, поза сумнівом, мали і мають найважливіше практичне значення. Вони дають можливість ставити точніший мікробіологічний діагноз інфекційних захворювань, вибирати найбільш повноцінні штами для виробництва вакцин.

В кінці 80-х років XX ст. група учених на чолі з Д. Уотсоном (один з авторів моделі ДНК) склали програму розшифровки генома людини, роботи над якою почалися в 1990 р. Всього на її виконання витрачено близько 6 млрд доларів. Разом з цим досліджувалися і геноми інших організмів (близько 820 видів).

Першим крупним успіхом стало повне картирование в 1995 р. генома бактерії Haemophilus influenzae. Пізніше були повністю описані геноми ще більше 20 бактерій, серед яких збудники туберкульозу, висипного тифу, сифілісу і ін. У 1996 р. картировали ДНК першої эукариотической клітки - дріжджів, а в 1998 р. вперше був картирован геном багатоклітинного організму - круглого черв'яка Caenorhabditis elegans. До 1998 р. встановлені послідовності нуклеотидов в 30 261 гені людини, тобто розшифрована приблизно половина, як тоді вважали, генетичною інформація людини. Отримані дані дозволили вперше реально оцінити функції генів в організмі людини.

У грудні 1999 р. дослідники Великобританії і Японії оголосили про встановлення структури 22-ої хромосоми. Це була перша декодована хромосома людини. Вона містить 33 млн пар підстав, і в її структурі залишилися нерозшифрованими 11 ділянок (близько 3% довжини ДНК). Для цієї хромосоми визначені функції приблизно половини генів, з 545 виявлених. Встановлено, наприклад, що з дефектами цієї хромосоми пов'язано 27 різних захворювань, серед яких такі, як шизофренія, миелоидная лейкемія і трисомия 22 - друга за значенням причина викиднів у бременных.

У квітні 2000 року була розшифрована структура 21 хромосоми і виявлено 225 генів. Наявність даних про число генів в двох різних хромосомах, яких припадає на частку 2 % ДНК генома, дозволило розрахувати загальне число генів в каріотипі людини рівним 40 000.

У лютому 2001 р. було опубліковано дві попередні версії генома людини. Це результат багаторічної роботи багатьох учених, які склали дві групи. Перша з них — Міжнародний некомерційний проект «Геном людини» — Human Genom Ргоyесt (НGP) — об'єднав 20 лабораторій, сотні учених з різних країн світу. Ця група поставила перед собою мету розшифровку генома людини і отримання даних, які могло б стати загальнодоступним. Приватна ж компанія «Целера Геномікс» (Сеlега Gеnomics) також поставила перед собою завдання розшифровки генома людини, але планувала надавати отриману інформацію на комерційній основі.

Обидві версії містять ще багато білих плям і неточностей, тому робота продовжується. Проте отримані результати дозволили зіставити геном людини з геномами інших эукариотов (дріжджів, червя, мухи дрозофилы і рослини). Встановлено, що послідовність генома людини, як і інших эукариотов, складається з ділянок, які кодують білки (? 2 %), ділянок, які кодують РНК (? 20 %), а понад 50 % складають повторювані послідовності, які важко клонуються і тому створюється багато пропусків.

Отже, велика частина генома людини не кодує білки. У цю частину входять фрагменти, які кодують тільки РНК і ділянки ДНК повторів.

Тисячі генів у людини тільки транскрибируются і продукують РНК, яка не кодує білок (нкРНК). Ідентифіковано також близько 500 генів для транспортних РНК. Поки немає повних послідовностей для рибосомальних РНК (рРНК), хоча інтерес до них дуже великою враховуючи їх роль в утворенні пептидних зв'язків при трансляції.

Крім того, ідентифіковано близько 80 маленьких ядерних РНК, які беруть участь в сплайсинге незрілою РНК, а також майже сотня генів маленьких ядерцевих РНК, які беруть участь в процесингу.

Гени нкРНК і псевдогени, які утворилися з них, по своїх розмірах є маленькими і не діляться на групи — це специфічні структурні особливості, пошук їх за допомогою комп'ютерних методів дуже важкий, хоча вони дуже поширені в геномі людини.

У 2003 г Національний інститут досліджень (США) геномів завершив розшифровку (секвенирование) генома людини.

Не дивлячись на певні успіхи в секвенировании генома людини (він просеквенирован на 99%), ніхто з генетиків не може з упевненістю назвати точну кількість генів у людини. У останніх даних згадувалася цифра в межах 22-25 тисяч, проте американські учені, в статті, опублікованій в журналі PLoS Computational Biology (2006), заявили про знахідку додаткових 5286 регіонів, які можуть транскрибироваться.

Підставою для такого затвердження є успішне застосування нового підходу в обробці даних, що дозволяє виявляти так звані відбитки геномів транскрипції, невидимі звичайними методами. Учені припускають, що в більшості випадків знайдені ними гени немає белок-кодирующими, але виконують визначені, і поки невідомі функції.

Розшифровка генома підняла наукову планку в ембріології, вірусології, клітинній біології, теорії еволюції, біотехнології, медичній генетиці. Вже з'явився термін «New biology», нова біологія - наука, яка почалася ще в лютому 2001 року.

Структура генів людини набагато складніша, ніж у інших эукариотов. Часто вони перериваються великими интронами, приблизно 35 % генів можуть прочитуватися з різними рамками, 40 % иРНК можуть піддаватися альтернативному сплайсингу. Отже, одна послідовність ДНК може кодувати більше, ніж один тип иРНК.

Сама карта топографії генів на хромосомах нагадує глобус або контури Землі, видимі з літака. Основна частина генів збита у великі і малі «міста», які розділені величезними млявими просторами. Чоловіча статева хромосома, збіднена генами, нагадує Візантійську імперію, що вже пережила епоху зльоту. За минулий період історії багато генів покинули цю територію і перебралися в інші «країни».

Навпаки, дев'ятнадцята хромосома людини нагадує генетичну «столицю» - весь інформаційний непотріб і старі віджилі споруди викинуті з цієї функціонально просунутої території. Насилу на цій хромосомі вдалося відшукати вакантні місця, не забудовані генами, тобто проекти тривимірного життя миру білків і білкових машин, що не несуть в реальний світ. От чому аномалії 19-ої хромосоми закінчуються смертю вже в утробі матери.

На техногенній мові - будь-яка функція клітки закодована пристроєм білкових машин. На дев'ятнадцятій і двадцять першій хромосомі добре видно порядок життя в «містах»: уздовж головної вулиці квартали забудовуються дупликацией генів, тобто всі родичі селяться поряд. Хоча бувають виключення, коли нові нащадки генів починають освоювати далекі території. Хромосоми людини відрізняються від хромосом бактерій, дрозофилы і нижчих багатоклітинних максимальними перепадами щільності генів по довжині подвійної спіралі ДНК. У людини - максимальне число «мегаполісів» генів разом з величезними порожніми просторами нісенітниці. Саме на межі «генних міст» і «пустирів» народяться нові проекти перевлаштування старих генів або правил використання старих генів для нової функції.

Практично кожен ген людини відрізняється вариабельностью. У геномі людини є ділянки з підвищеною і зниженою вариабельностью. Наприклад, ділянки головного комплексу гистосовместимости (МНС), які кодують білки гистосовместимости, відрізняються значними вариабельностью, визначаючи імунологічну індивідуальність людини.

Генетичний поліморфізм має велике біологічне значення для людини. Так, поліморфізм гена апоЕ4 надає сприяння збільшенню щільності бляшок при хворобі Альцгеймера, а делеция гена, який кодує хемокиновый рецептор Ссr 5, збільшує стійкість імунодефіциту людини щодо вірусу. Цей корецептор, разом з рецептором Сd4, є необхідним для скріплення і проникнення вірусу в Т-лимфоцит. При порівнянні розташування і частоти одиночних замін у хворих і здорових людей виявляються ті заміни, які связанны з тією або іншою хворобою. Такі зіставлення дають можливість з'ясувати роль певних генів в розвитку мультифакториальных захворювань. Дослідження в цьому напрямі дуже перспективні і інтенсивно розвиваються.

У 1994 р. в молекулярній біології виник новий термін — протеом. Він, фактично, покликаний описати все сукупності білків, які синтезуються впродовж життя кліток організму. Область дослідження структури і функції білків — продуктів функціонування генів — получила назва протеомика. Її значення в медицині є украй важливим, оскільки будуть ідентифіковані білкові маркери різних хвороб. Перспективно також вивчення ефектів взаємодії лікарських речовин з геномом людини (фармакогеномика).

Слід зазначити, що розшифровка первинної структури білків на основі вивчених генів, які кодують білки, ще не указує на розкриття функцій тих або інших продуктів генів. За цим слідуватиме тривалий систематичний аналіз протеома людини. Велике значення в розшифровці ролі певних генів, які синтезують білок, має порівняння первинної структури білків з відомими і невідомими функціями, які отримані від представників видів різного рівня еволюційного розвитку. Сьогодні така робота починається. На основі виявлення тільки первинної структури білка не можна встановити його точну функцію. Проте вивчення генома дає важливу інформацію про виникнення білкових доменів, про розширення їх сімейств, сімейств самих білків і так далі

У геномі людини виявлені гени, гомологичные таким в геномі мухи (61 %), в геномі червя (43 %), в геномі дріжджів (46 %). Це основний набір генів, які кодують головні життєві процеси в клітці: основний метаболізм, реплікація і репарація ДНК, біосинтез білка.

Виявлено також понад 220 генів, продукти яких схожі на білки бактерій, але не схожі на білки дріжджів, рослин, безхребетних. Швидше за все, ці гени потрапили в геном людини від бактерій шляхом перенесення.

Зіставлення генома людини і досліджених безхребетних дало можливість виявити значно більшу кількість генів, які відповідають за різні регуляторні функції в організмі: захист і імунітет; структура і функції центральної нервової системи; білків, які беруть участь в побудові цитоскелета і русі везикул; внутренне- і міжклітинна сигналізація в розвитку і гомеостазі; транскрипція і трансляція; гемостаз; апоптоз і ін.

Секвенірованіє генома стало поштовхом до дослідження генів, які «відповідають» за хвороби людини. Необхідним є проведення функціональної класифікації самих генів і їх продуктів — білків. Всі гени (923), які викликають моногенні захворювання або підвищують вірогідність виникнення хвороби, характеризувалися по функції їх продуктів щодо патологічного процесу і клінічних проявів. Найбільшу функціональну групу складали ферменти (31 %). Друга за величиною група — білки-активатори і стабілізатори, білки, які беруть участь в правильному згортанні полипептидных ланцюгів (14 %). Будь-яка із залишку груп (рецептори, чинники транскрипції, трансмембранные переносники і ін.) складали менше 10 % від всіх генів, які викликають хвороби. Кореляційний аналіз між функцією продуктів генних хвороб і віком хворих показав, що хвороби, пов'язані з порушеннями функції ферментів, виявляються на всіх етапах розвитку. У теж час хвороби, пов'язані з генами, які кодують чинники транскрипцій, виявляються на етапі внутріутробного розвитку.

Таким чином, секвенирование генома людини свідчить про ускладнення генома в ході еволюції — від дріжджів до людини. Проте кількість генів збільшилася лише в 5 разів. Ускладнення полягає у виникненні великої кількості білків, а не генів, які синтезують білок. Організм людини, використовуючи відомі структурні конструкції, збирає нові білки з новими функціями. Можливо, це досягається за допомогою складних механізмів процесів транскрипцій поста.

Слід зазначити, що описані досягнення ще не є розшифровкою генетичного «тексту». Справжнє читання генетичного тексту, переклад його з мови молекул на мову характеристик морфологічних і функціональних особливостей людини, його хвороб тільки починається.

Перспектива отримати відповідь на цих і інші питання щодо генома людини з'явилася в грудні 2002 р., коли було завершено секвенирование генома миші. Це шостий секвенированный эукариотический геном і другий після людини — ссавця.

Порівняння геномів людини і миші дозволить краще розуміти еволюцію і функціонування генома. За попередніми даними, у миші кількість генів, які кодують білок, орієнтування складає 27-35,5 тис., а у людини, як вже було вказано вище, — 30-40 тис. Таким чином, у ссавців кількість генів, які кодують білок, всього 30-40 тис., а не 100 тис., як прогнозувалося раніше. Ймовірно, що дивергенція початкового генома загального предка почалася 75-65 млн років тому. При цьому частота перебудов виявилася досить низькою, а деякі гени залишилися практично незмінними, завдяки чому стало можливим розпізнати синтенные райони, які відносно збереженими передалося від загального предка.

У миші 99% генів мають схожі до генома людини послідовності, 96 % з них знаходяться усередині синтенных ділянок хромосом миші і людини. У геномі миші визначено 558 ортологосних маркерів для виявлення консервативних синтенних ділянок. Обидва геноми можна розподілити на 342 синтенных сегменту, тобто максимально довгі ділянки, в яких послідовності маркерів в хромосомі миші і людини мають однаковий порядок. Близько 90,2 % генома людини і 93,3 % генома миші містять консервативні синтенные сегменти.

Крім того, було виявлено 217 синтенных блоків. Синтенний блок — один або більше синтенных сегментів, розташованих на однаковій хромосомі у людини і миші, але які можуть відрізнятися порядком розташування або орієнтації. Наприклад, Х-хромосома — цілий синтенный блок, а хромосома 20 людини, окрім невеликого центрального сегменту, практично цілком відповідає хромосомі 2 миші. Хромосома 17 людини відповідає частині хромосоми 11 миші. Інші хромосоми людини і миші відрізняються між собою значно більше. Карта консервативних синтенных сегментів геномів миші і людини дала можливість припустити мінімальну кількість перебудов, необхідну для трансформації одного генома в іншій. З урахуванням 342 синтенных сегментів, це, за вельми скромними підрахунками, — 295 перебудов. Причому в деяких ділянках хромосом перебудови могли відбуватися повторно. На підставі знань генома тільки двох видів ссавців неможливо визначити порядок генів в хромосомах загального попередника або відновити точну послідовність перебудов.

Майже 40 % генома людини є спорідненим геному миші на нуклеотидном рівні. Ймовірно, це ортологосные послідовності, які збереглося від загального предка. Менше 1 % генома миші не має гомологичных ділянок в геномі людини і навпаки. Зроблений також вивід про ідентичність амінокислотної послідовності в 78,5 % випадків. Він базується на схожості майже 13 тис. генів людини і миші.

Аналіз генома миші і зіставлення його з геномом людини дало можливість виявити нові гени людини, як, наприклад, новий ген сімейства АРОА -АРОАV, який бере участь в метаболізмі ліпідів, був виявлений при порівнянні нуклеотидной послідовності миші і синтенного ділянки хромосоми 11 людини.

Порівняння геномів двох видів надало можливість також визначити відмінності між механізмами, які формували геном, включаючи різницю між мутаційним і селективним тиском. У геномі миші виявлена експансія генів, які «відповідають» за репродукцію, нюх, захист.

При порівнянні двох геномів з'явилися також і нові питання. Виявилось, що подібні типи повторюваних послідовностей накопичуються у відповідних ділянках генома обох організмів, що свідчить об деяких додаткових чинниках, що впливають на перебудову генома транспозонами.

Завершення секвенирования генома миші має найважливіше практичне значення. Воно дасть можливість точніше моделювати біологічні процеси і хвороби людини. Лабораторна миша — експериментальний ключ до генома людини, яка дозволить маніпулювати кожним геном людини.

Миша використовується як об'єкт лабораторних досліджень впродовж всього XX ст. У 1909 р. була виведена перша инбредная лінія мишей DВА. На мишах инбредных ліній було проведено величезну кількість експериментів, але дані, отримані в експерименті на мишах, не завжди можна екстраполювати на людину, особливо щодо медичних аспектів. Проблема аналізу хвороб людини, які моделюються на мишах, була частково дозволена шляхом створення трансгенних мишей, першу з яких було отримано в 1982 р., коли в ембріон миші вбудували ген гормону зростання щура під контролем Zn-зависимого промотора. У 1989 р. створили першу «нокаут» миша з селективною инактивацией гена в ембріональних стволових клітинах.

Знання нуклеотидних послідовностей і синтенных ділянок людини і миші дозволить цілеспрямовано вбудовувати певні гени людини або инактивировать подібні ділянки ДНК миші. Аналіз фенотипов таких мишей дає можливість виявити невідому зараз функцію окремих генів людини. Вивчення мишачих моделей полігенних хвороб людини і наявність подібних послідовностей в геномі людини дасть можливість виявити і локалізувати гени, які відповідають за розвиток цих захворювань. Знання відмінностей геномів також запобігатиме створенню неповноцінних моделей при видаленні одного гена в миші, якщо в її геномі він представлений декількома копіями.

Знання відповідності між послідовностями ДНК миші і людини дозволить точно вбудовувати гени людини в синтенные ділянки генома миші і отримати «олюднену» за певними ознаками мишу. Особливий інтерес такі миші складають для фармацевтичної промисловості. Так, дослідження генома миші показало експансію у неї четверо підродин генів цитохрома Р450. Ці гени відповідають за ферменти, які активно беруть участь в метаболізмі ксенобіотиків, у тому числі і лікувальних засобів. Генетично модифікована по генах цитохромов миша може стати точною моделлю людини в процесі дослідження біотрансформації лікувальних препаратів.

Із завершенням в найближчому майбутньому секвенирования генома ще однієї лабораторної тварини — крысы — моделювання хвороб людини буде набагато достовірніше. Заплановане секвенирование геномів шимпанзе, собаки, корови значно збільшить наші знання про геном ссавців і, відповідно, людину. Досягнення в області молекулярної біології на рубежі XX і XXI ст. надало сприяння виникненню молекулярної медицини — нового напряму в природознавстві. Це, у свою чергу, ініціювало розвиток прогресивних технологій, які удосконалювали старі і створювали нові методи. Переважна більшість цих методів автоматизовані і об'єднуються з комп'ютерними технологіями. Наочними прикладами цього є автоматичні підходи секвенирования генома людини і наступний етап — дослідження людського протеома. Нові технології дають можливість досить швидко отримати колосальний об'єм інформації про структуру до цих пір невідомих білків. Подальше виявлення і вивчення їх функцій зробить можливим вдосконалення досліджень клітинних процесів, механізмів індивідуального розвитку, еволюції живого миру.

Ідентифікація нових білків укріпить інтеграцію біології і фундаментальної медицини, яка приведе до відкриття нових діагностичних маркерів, виявлення білків-мішеней для фармакологічних препаратів. Великі надії покладаються на вивчення протеома пухлин, що дозволить поліпшити їх діагностику і особливо лікування.

Парадоксальність ситуації, що складається зараз в геномике, полягає в тому, що об'єм інформації, який мають в своєму розпорядженні дослідники, набагато більше того, що можна осмислити, проаналізувати і використовувати в експериментальній роботі. Тому розвиток нових математичних методів, обчислювальної техніки, програмного забезпечення, вдосконалення способів опису і зберігання інформації генома стають надзвичайно актуальними. Цими проблемами активно займається біоінформатика, що включає і геноинформатику.

Біоінформатика аналізує ситуацію як би на чотирьох тісно зв'язаних один з одним рівнях. Перший - це генетичний текст, тобто нуклеотидная послідовність ДНК; другий - теж текст, але спочатку у формі РНК, а потім у формі амінокислотної послідовності білка; наступний, третій рівень - просторова структура білка. Як відомо, вона цілком визначається первинною структурою, а експериментально встановлюється за допомогою рентгеноструктурного аналізу кристалів білків або за допомогою ядерного магнітного резонансу в розчині для білків невеликого розміру.

Хоча методи прогнозу тривимірної структури білка (вторинної і третинної структури) по його амінокислотній послідовності все ще украй неточні, проте, завдяки тому, що в банках даних вже є інформація про тривимірну структуру сотень білків, можна на її основі, використовуючи відомості про нуклеотидной і амінокислотною послідовностях невідомого білка, передбачати у багатьох випадках і тривимірну структуру з достатньою точністю. Нарешті, останній, четвертий рівень - це прогноз функції білка на підставі знання його первинної структури і передбаченої тривимірної структури. Таким чином, структурна і порівняльна геномика через біоінформатику як би переходять в новий розділ геномики, який зазвичай називають функціональними геномикой.

Всю більшу увагу учених привертає проблема різноманітності генома людини. Ці дослідження направлені на вирішення фундаментальних наукових проблем, пов'язаних з походженням людини, і на з'ясування генних відмінностей, пов'язаних з чутливістю або стійкістю людини до різних захворювань і дій середовища.

Генетичні тексти двох чоловік відрізняються один від одного приблизно однією буквою з тисячі. Останні 999 нуклеотидов у них однакові. Звичайно ж, заміни не розподілені рівномірно в геномі - їх більше в некодуючих ділянках. У кожній зародковій клітці виникає декілька мутацій, що відрізняють її геном від батьківського. У деяких ділянках хромосом, що кодують особливо важливі білки або рибосомную РНК, заміни нуклеотидов зустрічаються відносно рідко, в інших частота виявлення мутацій може бути в десятки разів вище. Найчастіше зустрічаються мутації в гені рецептора гормону зростання - в цій ділянці вони виявляються у одного з 100 000 чоловік.

Поки люди живуть разом, мутації, що з'являються у них, розповсюджуються по всій групі. Якщо ж групи розділилися, процес накопичення мутацій йде в них незалежно. Спосіб датування еволюційних подій по генетичних змінах заснований на постійності числа накопичених мутацій за певний відрізок часу. Лише невелика частина цих мутацій (переважно в белок-кодирующих областях) шкідлива.

Більшість мутацій, по сучасних уявленнях, нейтральні, тобто не роблять якого-небудь корисного або шкідливого впливу на їх володаря. Вони не відсіваються відбором і, раз з'явившись, передаються з покоління в покоління. Метод, запропонований англійським біохіміком Лайнусом Полінгом для амінокислотних замін в білках, був названий «молекулярними годинами». Пізніше швидкість ходу «молекулярного годинника» була встановлена за швидкістю зміни ДНК тих видів, час розбіжності яких був відомий по викопних останках. Проте точність цих методів по статистичних причинах не дуже висока - помилка в молекулярних датуваннях може складати 20-30%.

«Молекулярний годинник» допоміг визначити дату розділення гілок людини і мавп - від 5 до 7 млн років назад. До цього палеонтологи вважали, що розділення відбулося близько 25 млн років назад. Проте тепер «молекулярне» датування є загальноприйнятим. Вважається, що предки людини і шимпанзе розділилися близько 5 млн років назад, відділення горил відбулося раніше, і ще раніше, близько 10-15 млн років назад, відокремилася гілка орангутангів. Перегляд уявлень про походження людини пов'язаний з розвитком методів молекулярної генетики, зокрема, з впровадженням в практику досліджень полимеразной ланцюговий реакцій, яка дозволяє швидко напрацьовувати потрібну для аналізу кількості ДНК навіть якщо в зразку присутньо всього декілька фрагментованих молекул, і з розробкою методів автоматичного аналізу ДНК і комп'ютерної обробки даних. Нові відомості отримані також у зв'язку із збільшенням числа вивчених останків стародавніх гоминид і з розвитком в останні десятиліття нових методів палеонтології (датування останків термолюмінесцентними методами і методом електронного резонансу спину), які дозволили уточнити дати в період 200 - 50 тис. років.

За останнє десятиліття молекулярна антропологія і палеогенетика зайняли гідне місце в дослідженнях антропогенезу. Для порівняльного дослідження генетичної спорідненості популяцій використовують і ядерну ДНК, і ДНК, що міститься в клітинних органеллах мітохондріях. Мітохондрії людини містять кільцеву молекулу ДНК (мтДНК), що складається з 16 500 пар нуклеотидов, - це зовсім небагато в порівнянні з ДНК хромосом, що знаходяться в ядрі клітки і складаються з десятків і сотень мільйонів пар підстав. Крім того, мтДНК передається тільки по материнській лінії і не бере участь в рекомбінації, що спрощує її аналіз. Оскільки мтДНК мутує в 10 разів частіше, ніж ядерна ДНК, це робить «годинник» точнішим.

Дослідження, що здобули популярність, виявили спільність походження мтДНК людей, що нині живуть, були проведені в 1987 р. Аланом Уїлсоном і його колегами з Каліфорнійського університету в Берклі. Вони вивчили мтДНК представників різних рас - африканців, азіатів, европеоидов. Найбільший рівень різноманітності ДНК був знайдений в Східній Африці, що указує на африканське походження людини сучасного типу. По ступеню різноманітності мтДНК сучасних людей Уїлсон оцінив час існування предковой послідовності для всіх вивчених мтДНК. Відповідно до його виводів, загальна «прамати», до якої сходять всі типи мтДНК сучасних людей, жила в Східній Африці менше 200 000 років тому. Владарку цієї мтДНК тут же охрестили «мітохондріальною Євою», що породило невірні тлумачення - ніби все людство відбулося від однієї жінки. Мова йде лише про збереження до теперішнього часу однієї з декількох ліній мтДНК, але не решти генів. Сучасники «Єви» внесли свій генетичний внесок. Вивчення різноманітності ДНК інших генів, що знаходяться в різних хромосомах, показало, що чисельність популяції в період видообразования складала близько 10 000 чоловік.

Близькі оцінки часу існування загального предка отримані і при вивченні що передається тільки по батьківській лінії Y-хромосомы. До радості генетиків виявилось, що «Адам» жив в тому ж районі і приблизно в той же час, що і «Єва». Еволюційна історія мтДНК і Y-хромосомы відрізняється, оскільки пов'язана з різними шлюбними традиціями, різною поведінкою чоловіків і жінок при переселеннях, завоюваннях або колонізації. На основі розподілу частот різних аллелей генів Y-хромосомы і мтДНК складена карта розселення людей з Африканської прабатьківщини.

Різні групи генетиків, виходячи з оцінок генетичної різноманітності сучасних популяцій людини, прийшли до висновку, що впродовж останнього мільйона років чисельність прямих предків людини коливалася від 40 до 100 тисяч. В період проходження «темно-зеленої шийки» 130 000 років тому вона скоротилася до 10 тисяч індивідів, тобто на 75-90%, що привело до втрати значної частини генетичної різноманітності.

Порівняльні дослідження мтДНК різних популяцій сучасних людей дозволило висунути припущення, що ще до виходу з Африки, близько 60-70 000 років тому (у цей період також спостерігалося зниження чисельності, але не таке значне, як попереднє) предковая популяція розділилася по украй мірі на три групи, що дали почало трем расам, - африканською, азіатською і європейською.

Вивчення генетичної різноманітності популяцій людини має істотне значення не тільки для розуміння процесу антропогенезу, але і для розуміння механізмів адаптації популяцій до різних умов проживання, стійкості або сприйнятливості до тих або інших захворювань, для розробки методів ДНК-ідентифікації особи і для ДНК-діагностики спадкових і онкологічних захворювань. Не тільки спадкові захворювання, але і схильність до інфекційних захворювань має генетичну основу. Різні люди різною мірою сприйнятливі до різних інфекцій. «Чума» ХХ століття - СНІД - поки невиліковне захворювання. Але деякі люди (у Європі близько 1-2 %) несприйнятливі до зухвалого СНІД вірусу імунодефіциту людини (ВІЧ) із-за мутації в гені хемокинового рецептора. Хемокиновий рецептор розташований на поверхні кліток і служить «посадочним майданчиком» для вірусу СНІДУ. У відсутності цього білка вірус, потрапивши в організм, не здатний проникнути всередину клітки і не приводить до захворювання. Описані і інші мутації, що приводять до підвищеної стійкості до ВІЧ.

Інший приклад - епідемія «коров'ячого сказу» (губчаста хвороба мозку), що розповсюдилася в Англії у зв'язку із зміною технології приготування кісткової муки, використовуваної як кормова добавка для худоби (була понижена температура обробки) і що уразила 160 000 тварин. Пік епідемії припав на 1992 р. Захворювання викликається белком-прионом - дивовижним інфекційним агентом, що не містить ДНК і що викликає зміну конформації клітинних білків і порушення функцій кліток нервової системи. Хоча заражену яловичину вживав багато хто, тільки два десятки чоловік захворіли. Всі хворі люди мали одну і ту ж мутацію, відому раніше і що вважалася нейтральною.

Останніми роками особливу увагу приділяють поширеності в різних популяціях аллелей генів схильності до тих або інших захворювань і так званих генів «зовнішнього середовища». Зокрема, це гени, контролюючі детоксикацию чужорідних речовин. Всі речовини, що поступають в організм, метаболизируются в два етапи. На першому етапі утворюються проміжні генотоксические речовини. На другому етапі ці проміжні метаболиты перетворюються на нешкідливі розчинні з'єднання, які виводяться з організму.

Показано, що при зниженні активності детоксикационной функції плаценти (вона пов'язана з ферментом, званим плацентарною глютатион-трансферазой) зростає ризик ранніх спонтанних абортів.

То, як організм реагує на шкідливі дії середовища, наприклад, на тютюновий дим, також значною мірою визначається активністю системи детоксикации. Наприклад, у 3% жінок зустрічається поєднання генів, відповідальних за знешкодження канцерогенів тютюнового диму ферментами печінки, яке в 10 разів підвищує ризик розвитку раки молочної залози. Таким жінкам палити строго протипоказано. Впливають гени і на ефективність лікування різними препаратами. Так, лікування ендометріозу - захворювання, що зустрічається майже у 10% жінок білої раси, - широко використовуваним препаратом циклофероном у частини хворих безрезультатно по причинах генетичного характеру.

Знайдені гени, що захищають від захворювання деякими формами раки. Особливо ефективно вони діють у поєднанні із сприятливими умовами середовища. Наприклад, вірогідність розвитку раки товстої кишки знижується у присутності деяких аллелей генів детоксикации, також як і при споживанні капусти брокколі або зеленого чаю.

Отримання інформації про власні генетичні особливості для кожної людини з наукової перспективи перетворюється на повсякденну реальність. Це дає можливість ще до народження передбачити, до яких спадкових захворювань буде схильна людина, які заходи профілактики і лікування можуть бути прийняті. Менше відомо про те, що можна отримати і певні рекомендації по вибору професії, встановити яка діяльність буде пов'язана з підвищеним ризиком для даного індивіда.

Наприклад, давно відома асоціація між аніліновими фарбниками і ризиком виникнення раки сечового міхура. Недавно, проте, було встановлено, що до такого грізного «виробничого» ускладнення особливо схильні індивідууми, у яких поєднується підвищена активність ферментів першої фази детоксикации із зниженою активністю ферментів другої фази.

З частотою 15% зустрічається аллель гена аполипопротеина Е (білок, отвественный за скріплення ліпідів), що приводить до погіршення регенерації нервових тканин після травм або струсів мозку, особливо якщо індивід гомозиготен по даному аллелю. Значить, таким людям не варто вибирати професію боксера або автогонщика. Інший приклад - у носіїв мутації, що приводить до таласемії (захворюванню крові) при підвищеному фізичному навантаженні може наступити смерть від надлишку кисню в крові. Такі випадки зафіксовані в армії США - з цієї причини загинуло декілька темношкірих солдатів. Очевидно, що тестування талассемической мутації може бути доцільним при відборі пілотів авіалайнерів – адже їм іноді доводиться застосовувати кисневі маски, які у разі носійства мутації представляють загрозу життю пілота, а тим самим і загрозу життю всіх пасажирів.

Прочитаний в 2005 році геном шимпанзе відкрив перед біологами небувалі перспективи. Порівнюючи геноми людини і його найближчого родича, учені розраховують знайти ті генетичні відмінності, які, власне, і роблять нас людьми, а не мавпами.

Геноми людини і шимпанзе ідентичні на 98%. Очевидно, унікальні людські властивості зашифровані в двох відсотках, що залишилися. Проте розшифрувати їх не так-то просто.

2% ДНК, відмінні у нас і шимпанзе, повинні створювати всі радикальні відмінності між нами, у тому числі і в будові головного мозку.

Згідно виводам міжнародної дослідницької групи, людська гілка відокремилася від загального з приматами генеалогічного дерева від 2 до 7 мільйонів років назад. Вірогідною причиною цього могла бути втрата людськими предками єдиного гена, яка відбулася буквально перед тим, як скромний попередник великого Нomo sapiens піднявся на задні кінцівки, а, може, і незабаром після цього. Цей втрачений ген контролює синтез один з сахаров, який називається Neu5Gc і розташований на зовнішній стороні мембрани всіх кліток організму.

Річ у тому, що поверхня всіх кліток нашого тіла несе певні молекули, зокрема, цукру, які відповідають за велику кількість функцій. Наприклад – за здатність клітки захоплювати з міжклітинної рідини ті або інші речовини, за взаємну координацію кліток при зростанні організму і так далі Від цих молекул також залежить здатність клітки бути ураженою вірусом або іншим збудником: немає молекули, з якою взаємодіють рецептори патогена, і організм стійкий до інфекції. Не виключено, що ген, відсутній, у людини міг відповідати за процеси формування нервової тканини. Коли відбулася його втрата, стародавні людиноподібні істоти вже сильно нагадували сучасну людину по будові кінцівок і іншим ознакам, не виключено, також, що він вже був прямоходящим. Він був дуже схожий на сучасну людину, але не зовсім. Основна відмінність полягала в тому, що об'єм головного мозку був не більший, ніж у шимпанзе. Означає 2% ДНК, відмінною у нас і шимпанзе, і повинні створювати всі радикальні відмінності між нами, зокрема в будові головного мозку. І ген Neu5Gc, продукт діяльності якого представлений на кожній клітці організму, цілком претендує на цю роль. Зараз учені займаються обробкою отриманих результатів і прогнозами того, які це може мати наслідку.

Сьогодні учені багатьох країн ведуть полювання за «достовірно людськими» особливостями в геномі людини, і перші результати – один іншого цікавіше – вже отримані. Наприклад, виявлені відмінності в генах людини і шимпанзе, пов'язані з емоційною регуляцією поведінки (эти различия могли изменить мотивацию наших поступков); знайдено 1500 відмінностей в генах, пов'язаних з онкологією (это поможет выяснить, почему шимпанзе почти не болеют раком).

Недавно виявилося, що еволюційний шлях від мавпи до людини супроводжувався безліччю втрат. Деякі гени, які у шимпанзе нормально працюють, у людини вимкнулися, перетворилися на «псевдогени», що мовчать. До цих пір був відомий близько десятка таких генів. У 1999 році М. Олсон запропонував гіпотезу, відому під назвою «Less is more» («менше означає більше»), згідно якої втрата генів може відкривати шлях для прогресивних перетворень. Наприклад, виключення гена MYH16 привело до зменшення (редукції) жувальної мускулатури у предків роду Homo, а це, у свою чергу, дозволило мозку почати збільшуватися. Група американських учених виявила в геномі людину ще близько 50 генів, що мовчать, аналоги яких у шимпанзе цілком нормально функціонують. Працюють вони і у інших мавп, фрагменти генома яких вже прочитані.

Серед генів, що вимкнулися, багато хто опинився пов'язані з нюхом і імунітетом. Нюхові гени могли відключитися просто «за непотрібністю». У боротьбі за виживання хороший нюх навряд чи давав нашим предкам велику перевагу, і природний відбір не вибраковував особини із слабким нюхом. Але як природний відбір міг допустити втрату генів імунного захисту? Учені університету Мічігану вважають, що це пояснюється зміною умов життю наших предків, а також тим, що імунна система іноді може шкодити організму зайвою пильністю. Непомірна агресивність імунної системи деколи веде до небезпечних «аутоіммунних» захворювань, таким як рассеянный склероз. У мишей з штучно вимкненим імунним геном Mbl1 рідше розвивається сепсис, так що відключення цього гена підвищує та, що виживає.

Людський ген Mbl1, як з'ясувалося, вимкнений у 100% осіб внеафриканского походження і у 89% африканців. Мутація, що «зіпсувала» його, виникла близько 60 тисяч років назад, незадовго до виходу наших предків з африканської прабатьківщини. Носії мутації явно отримали якусь важливу перевагу, тому що мутація почала швидко розповсюджуватися в популяції.

Про це говорить аналіз мінливості прилеглих ділянок ДНК. Як і слід було чекати, виходячи з гіпотези про позитивний відбір, вариабельность цих ділянок опинилася нижчим біля осіб з вимкненим геном в порівнянні з носіями початкового «робочого» варіанту. Для решти відключених генів довести пряму дію відбору складніше: вони замовкли раніше, і сліди відбору вже стерлися. Але і один приклад досить, щоб показати, що втрата генів могла бути вигідна нашим предкам.

Підвищений рівень відключення («псевдогенизации») серед нюхових і імунних генів може мати і інше пояснення. Річ у тому, що між нюховою і імунною системами існує глибока і не до кінця зв'язок, що ще зрозумів. Згідно недавно висунутій гіпотезі, обидві ці системи грають важливу роль в регуляції соціальних відносин і виборі шлюбних партнерів: запах партнера, можливо,  грає вирішальну роль при виникненні потягу. Можливо, відключення відповідних генів в ході еволюції людини було пов'язане з роллю розумної, свідомої регуляції суспільних відносин, для якої більш архаїчні механізми контролю соціальної поведінки могли стояти на заваді, що росте.

Разом з тим М. р., що дозволила глибоко проникнути в природу найважливіших життєвих процесів і що успішно продовжує їх дослідження, зовсім не претендує на рішення багато, в т.ч. і генетичних, проблем, що стосуються цілісного організму, а тим більше совокупностей організмів — популяцій, видів, биоценозов і т. д., де переважають закономірності, вивчення яких вимагає інших методів, ніж ті, які використовує М. р.

Досягнення М. р., що внесли величезний теоретичний внесок до загальної біології, поза сумнівом, будуть широко використані в практиці. Можливо, найяскравіше практичний потенціал молекулярної генетики виявляється в біомедичних дослідженнях. Тут використання молекулярно-генетичних підходів багатопланово:

—ідентифікація генів, відповідальних за виникнення спадкових, придбаних захворювань і хвороб, в яких значну роль грають генетичні чинники;

аналіз генетичних систем, відповідальних за метаболізм лікарських препаратів в організмі (фармакокинетику), їх поліморфізму і кореляції цього поліморфізму з різною стійкістю індивідуумів і популяцій до дії лікарських препаратів;

аналіз генетичних систем, що кодують мішені дії лікарських препаратів в організмі (фармакодинаміку), їх поліморфізму і ролі цього поліморфізму в різній сприйнятливості до ліків;

розвиток систем лікування, заснованих на введенні в організм нової генетичної інформації, покликаної виправляти спадкові або придбані генетичні дефекти або пригнічувати генетичні зміни, пов'язані з проникненням інфекційних агентів (генна терапія);

розвиток группоспецифических засобів лікування, заснованих на націленому застосуванні лікарських препаратів в генетично охарактеризованих групах, що проявляють до них сприйнятливість і не схильних до побічних ефектів;

розвиток інтенсивних методів діагностики, заснованих на виявленні генетичних дефектів на рівні цілого генома і продуктів його експресії;

перехід в діагностиці до скринінгу популяцій і від діагнозу хвороб до виявлення схильності до хвороби.

Перспективність практичного застосування досягнень М. р. підтверджується успіхами, досягнутими на модельних об'єктах. Так, у найбільш вивчених в генетичному відношенні видів бактерій вдається отримувати мутації будь-якого гена, позбавляти клітку якого-небудь гена або привносити в неї бажаний ген ззовні, регулювати функції багатьох генів. Так, ще в 1971 американський учений С. Меррілл із співробітниками, культивуючи поза організмом клітки людини, хворого галактоземией (такі клітки нездібні виробляти один з ферментів, необхідних для утилізації молочного цукру, що і є причиною цієї важкої наследственнойI хвороби), ввели в ці клітки неінфекційний для них бактерійний вірус, що містить ген, що кодує даний фермент. В результаті клітки «вилікувалися» — почали синтезувати бракуючий фермент і передавати цю здатність подальшим клітинним поколінням. Вже зараз дані М. р. використовують при створенні медикаментів, вживаних для профілактики і лікування новоутворень, лейкозу, вірусних інфекцій, променевих уражень, при дослідженні нових мутагенів і так далі

Досягнення молекулярної біології і генетики успішно використовуються при виробництві судово-медичної ідентифікаційної експертизи. Молекулярно-генетичний ідентифікаційний аналіз, традиційно званий «дактилоскопією» (термін введений в 1985 р. Джеффрісом) генома (генетичною), або генотипированием, за своєю суттю направлений на виявлення індивідуальних особливостей генетичної конституції конкретної людини. Цей підхід не має аналогів серед методів судово-експертної ідентифікації особи, що використалися раніше. Два основоположні принципи - індивідуальна генетична унікальність кожного організму і генетична ідентичність всіх його кліток і тканин — складають концептуальну основу молекулярно-генетичної індивідуалізації.

Молекулярно-генетичний ідентифікаційний аналіз дозволяє досліджувати особливі ділянки ДНК, строго специфічна для кожного індивідуума, і отримати, таким чином, унікальний генетичний «паспорт» або «посвідчення особи» людини, яке не можна ні приховати, ні змінити, ні підроблювати. Індивідуалізуючі ознаки, визначувана на рівні ДНК, характеризуються майже абсолютною стійкістю, тобто зберігаються в організмі людини незмінними все його життя і незмінними відображаються в його біологічних слідах. Тому ідентифікаційна значущість генетичних ознак надзвичайно висока.

Тіпірованіє ДНК нині стало найбільш доказовим методом аналізу біологічного матеріалу при виробництві судово-медичної ідентифікаційної експертизи. Ці технології міцно увійшли до арсеналу експертної діяльності судово-медичних служб більшості розвинених країн світу. Стосовно завдань судово-медичної експертизи генетичні методи особливо ефективні в двох випадках: ідентифікації особи і встановлення біологічної спорідненості.

В першу чергу, мова йде про ідентифікації особи при розслідуванні вбивств, тяжких тілесних ушкоджень, згвалтувань і інших злочинів, що вимагають судово-медичного дослідження речових доказів, а також при пізнанні розчленованих або сильно зруйнованих трупів, наприклад, у випадках масових природних і техногенних катастроф і військових конфліктів. Проте «дактилоскопія» генома, на відміну від традиційної криміналістської дактилоскопії, дозволяє не тільки однозначно встановлювати особу, але і визначати кровну спорідненість осіб. Це робить її незамінним експертним методом в складних випадках підміни, втрати, викрадання дітей, визначення спорідненості малолітніх або таких, що втратили пам'ять осіб, виявлення фактів кровозмішення. Метод також вельми ефективно використовується і у вирішенні цивільних справ - встановленні батьківства або материнства. Можливо навіть пренатальне дослідження, що дозволяє встановлювати батьківство в процесі вагітності, тобто до народження дитини.

Молекулярна медицина. Завдяки стрімкому розвитку таких напрямів біологічної науки, як молекулярна біологія, молекулярна генетика, генетична інженерія і ін. виникла абсолютно нова область науки молекулярна медицина. Розшифровка первинної структури генома людини дозволяє розвивати такі розділи молекулярної медицини як функціональна геномика і дактилоскопія генома, молекулярна діагностика, фармокогенетика і генна терапія.

Практичний додаток відомостей про нуклеотидной послідовність геномів багатьох патогенних вірусів вже широко реалізується. Генно-інженерним шляхом створюються непатогенні фрагменти геномів вірусів у складі плазмидных векторів. Такі вектори з вірусом здібні до експресії у високих концентраціях білків вірусів, які необхідні для приготування діагностичних і вакцинних препаратів. Розвивається технологія отримання ДНК-вакцини проти СНІДУ, гепатиту З і інших вірусних інфекцій. Створена ефективна рекомбинантная вакцина проти гепатиту Ст.

Як і в геномике патогенних бактерій, зведення про функціональні властивості окремих ділянок геномів вірусів служать основою для молекулярного дизайну лікарських засобів, що ефективно пригнічують розмноження вірусу в клітці.

Науковими завданнями молекулярної медицини є ідентифікація структурних і регуляторних генів людини, вивчення їх експресії і регуляції, з'ясування генної природи і молекулярних механізмів спадкових хвороб, ролі генетичних чинників в етіології і патогенезі різних патологічних станів, у тому числі і інфекційній етіології.

Для більшості спадкових хвороб вже розроблені точні і ефективні методи діагностики на будь-якій стадії онтогенезу, у тому числі і пренатальною. Метод ДНК-діагностики дозволяє встановити порушення в структурі і регуляції генів. Так, м'язова дистрофія Дюшена найбільш поширене нервово-м'язове захворювання, яке зустрічається з частотою 1:5000 хлопчиків – немовлят. Причиною хвороби є мутації гена білка дистрофина, який локалізований в короткому плечі Х-хромосомы.

Відомі розміри гена (2,4 млн. пар підстав), розмір матричної РНК (14 тисяч підстав) і білка дистрофина (427 кДа), а також функція останнього – стабілізація сарколеммы (мембрана цитоплазми) м'язового волокна. Мутації в цьому гені викликають або повна (міодистрофія Дюшена) або часткова (міодистрофія Беккера) відсутність відповідного білка, слідством чого є руйнування м'язових волокон. Важкі форми захворювання служать причиною ранньої інвалідності і смерті хворого.

Поки відсутні надійні методи терапії м'язової дистрофії Дюшена, а постановка діагнозу з точною локалізацією генетичного дефекту до недавнього часу була неможливою – аж до встановлення повної послідовності нуклеотидов всіх 85 экзонов гена. Зараз це стало реально завдяки знанню первинної структури гена, можливості синтезувати олигонуклеотидные праймеры, використовувати полимеразную ланцюгову реакцію (ПЦР) для синтезу відповідних послідовностей і використання їх в діагностиці (гібридизація).

Для фундаментальної біології, теоретичної медицини і клініки принципове значення має молекулярна онкогенетика. Її дослідження проводяться в декількох напрямах: 1) молекулярна діагностика спадкових форм раки; 2) діагностика і з'ясування молекулярних механізмів вирусиндуцированных форм раки; 3) пошук і діагностика молекулярних маркерів несприятливого прогнозу при ракових захворюваннях; 4) діагностика мікрометастазів; 5) пошук і діагностика поліморфної ДНК-маркера, для виявлення схильності до раку.

Знання молекулярної природи змін, які служать причиною пухлинного зростання, дають можливість робити прогноз захворювання. Молекулярно-генетичні методи ПЦР і гібридизація із специфічною ДНК-зондом дають можливість ідентифікувати одиночні трансформовані або метастазные клітки серед великої кількості нормальних кліток (1-2 на 106 кліток). Такого рівня чутливості не дає жоден з відомих біохімічних або імунологічних методів.

Принципово не відрізняється від діагностики спадкових і онкологічних захворювань генодиагностика інфекційних патологій. В цьому випадку виявляються гени, специфічні для збудників або продуктів їх експресії.

Результатом досягнень молекулярної генетики з'явилося народження нової області медичної науки – генетичній (генною) терапії (ГТ) – можливість використання функціональних генів як лікарські засоби. По суті ГТ – це сукупність біомедичних технологій, заснованих на введенні хворому генетичних конструкцій: перенесення генів ex vivo (подібно злучаю з геном аденозиндеаминазы, проводиться зазвичай на клітках крові); in situ (локальна ГТ, наприклад, введення в трахею і бронхи при муковісцидозі або в масу пухлини у разі терапії злоякісних новоутворень); in vivo (введення генетичних конструкцій безпосередньо в ембріон).

В світі зареєстровано вже близько 1000 клінічних дослідів ГТ і декілька тисяч пацієнтів мають в своєму тілі генетично модифіковані клітки.

Є немало речовин, що специфічно інгібірують транскрипцію. Найбільш відомі з них  - аманитин (один з токсинів отруйного гриба бліда поганка) і актиномицин Д (похідне природного антибіотика з Streptomyces).

Багато антибіотиків (стрептоміцин, тетрациклін, левоміцетин, еритроміцин) інгібірують трансляцію у бактерій. Проте це не означає повної нешкідливості антибіотиків. На організм пацієнта вони можуть надавати немало побічних дій. Деякі з них здатні впливати на білковий синтез не тільки у бактерій, але і у эукариот (наприклад, циклогексамид, пуромицин).

Добре вивчена дія дифтерійного токсину на трансляцію в клітках слизистих оболонок верхніх дихальних шляхів, а також холерного токсину – в епітеліальних клітках кишечника.

Інгібірують трансляцію також інтерферони. Різко обмежуючи синтез білків – як власних білків клітки, так і вірусних. Ціною придушення клітинної активності і, можливо, навіть загибелі клітки попереджається багатократне збільшення числа вірусних частинок.

Існує група важких неврологічних хвороб, обумовлених «неправильним» фолдингом прионового білка. Пріони, що утворюються, є унікальними інфекційними агентами, позбавленими нуклеїнової кислоти. У корів вони викликають губчасту енцефалопатію (коров'ячий сказ), а у людини, що спожила м'ясо таких корів, хвороба Крейнцфельда – Якоба. Пріони дуже стійкі до протеазам, завдяки чому, їм вдається проникати в незміненому вигляді з шлунково-кишкового тракту в нервову тканину, де запускається патологічний процес.