Программа "Геном человека"

С развитием новых технологий мо­лекулярных исследований, основан­ных на быстрых методах работы с ДНК (клонировании фрагментов ДНК генноинженерными способами и с помощью полимеразной реакции, ав­томатизированном секвенировании), с введением в практику молекулярногенетических исследований компьютер­ных технологий сравнительного ана­лиза строения геномов представителей разных систематических групп, с раз­витием техники направленного воз­действия на генетический аппарат клетки и организма в целом и возмож­ности создания искусственных фер­ментов по нуклеотидной последова­тельности фрагмента ДНК темпы раз­вития молекулярной генетики обрели стремительный характер и привели к возникновению в конце 80-х гг. между­народной программы "Геном челове­ка". Этот глобальный проект предпо­лагает к 2005 г. завершить определение полной последовательности всех трех миллиардов нуклеотидных звеньев, составляющих геном человека. Приня­тие такой программы означает, что ха­рактер развития молекулярной биоло­гии достиг совершенно нового уровня. Произошедший качественный скачок в технологии позволяет решать прин­ципиально новые задачи.

Более ранние молекулярногенетические работы проводились с целью исследовать строение генов, иденти­фицировать их в целом геноме, изу­чить по возможности функцию гена и уровни его регуляции. Методы совре­менной молекулярной генетики позво­ляют отследить эффект действия того или иного гена на уровне целого организма, изучать не отдельные гены, а структуры и функции целых геномов. На сегодняшний день изучены: гено­мы 141 вируса, более 50 геномов мито­хондрий из разных объектов, большое количество геномов бактерий. Уста­новлено, что бактериальный геном со­держит 5-6 тыс. генов, из представите­лей эукариот наиболее близки к завер­шению изучение геномов дрожжей и нематод. Показано, что геном дрож­жей имеет в своем составе около 6 тыс. генов.

Суммарная длина нуклеотидных последовательностей генома человека соответствует 3 миллиардам. По дан­ным разных авторов, такая гигантская нуклеотидная последовательность мо­жет содержать от 50 до 100 тыс. генов. В настоящее время известна структура около 7 тыс. генов. Изучение структу­ры генов — не конечная цель програм­мы. Помимо анализа последовательно­сти нуклеотидов, проводится их кар­тирование

Каждый ген приписывает­ся к определенной хромосоме в строго определенное место — локус, устанав­ливается расстояние между генами, со­ставляется карта хромосом человека. В настоящее время картированы около 8 тыс. генов. Увеличению скорости кар­тирования генов на хромосомах спо­собствует выявление маркерных по­следовательностей для каждой хромо­сомы. Эти маркерные последователь­ности много раз повторяются вдоль хромосомы и как бы делят ее на огра­ниченные участки. Работа с таким не­большим участком хромосомы облег­чает процедуру выделения гена. Благо­даря существованию маркерных по­следовательностей, геном человека разбит на отдельные фрагменты, и каждый фрагмент в случае необходи­мости может быть легко размножен вне организма.

Помимо задачи картирования генов и установления их структуры, про­грамма "Геном человека" ставит цель определить структурно-функциональ­ную взаимосвязь генов. Для решения этой задачи используются совершенно новые подходы, которые просто невоз­можно было представить себе несколь­ко лет назад. Так, по дефектному фер­менту, который

является причиной на­следственного заболевания, зная по­следовательность аминокислот в его составе, можно искусственно синтези­ровать информационную РНК, а затем соответствующий участок ДНК, иден­тифицировать его на хромосомной карте, выделить нативный ген и кло­нировать его вне организма, чтобы ус­тановить, в чем причина образования дефектного фермента. Таким способом были изучены гены дистрофии рака молочной железы, мутантной фенилаланингидроксилазы, являю­щейся причиной наследственной фе­нилкетонурии, и ряда других генов.

Еще один новый методический подход в изучении функции генов связан с использованием информационно-ком­пьютерных технологий. Этот путь ис­следований основан на следующем предположении : если у представите­лей разных систематических групп имеются одинаковые по структуре ге­ны, то они выполняют одинаковую функцию. Таким образом была уста­новлена причина развития рака тол­стой кишки у человека. Методами кло­нирования и картирования была изу­чена структура генов, отвечающих за развитие рака толстой кишки. Затем был проведен поиск в информацион­ном поле с помощью компьютерных технологий. В процессе этого поиска была предпринята попытка найти в ге­номе дрожжей, который уже полно­стью расшифрован, гены, сходные по структуре с исследуемыми генами че­ловека. И они были обнаружены. Ока­залось, что у дрожжей такие же гены отвечают за репарацию ДНК. Таким образом, было установлено, что рак толстой кишки связан с мутациями ге­нов, кодирующих ферменты репара­ции ДНК.

Важнейшую роль в структурных ис­следованиях генома человека играет изучение его полиморфизма. Популяционный полиморфизм генома чело­века является основой для понимания принципов молекулярной эволюции, механизмов возникновения патологи­ческих мутаций, для оценки факторов риска при воздействии потенциально токсических агентов окружающей сре­ды на человеческий организм, нако­нец, для понимания основ различной индивидуальной восприимчивости ле­карств. Эти исследования получили новый импульс с открытием поли­морфных мини- и макросателлитных последовательностей ДНК, которые используют в качестве маркеров при картировании генома человека.

Новым этапом в изучении структур­но-функциональных связей между ге­нами в программе "Геном человека" яв­ляется возможность клонирования крупных фрагментов генома в специ­альных векторах, способных размно­жаться в клетках вместе со встроенны­ми в них фрагментами. В качестве век­тора в таких случаях используют ис­кусственные дрожжевые хромосомы, появление которых стало возможным благодаря развитию генетики дрож­жей. Использование таких векторов позволяет клонировать фрагменты ДНК длиной до 106 пар оснований. Это создает предпосылки для быстрого вы­деления нужного фрагмента генома и использования его для структурного или функционального анализа.

Использование новых методов в изучении генетики человека позволяет значительно ускорить процесс иссле­довательской работы и накопить ин­формацию о генах, играющих ключе­вую роль в регуляции жизнедеятель­ности клетки. К таким генам относятся гены контроля клеточного цикла, ге­ны, кодирующие компоненты цепи пе­редачи сигнала от клеточной поверх­ности к аппарату транскрипции в ядре, гены, контролирующие развитие эмб­рионов, гены, ответственные за работу защитных систем организма, гены им­мунной системы. Активно расширяет­ся представление о генах, повреждение которых приводит к возникновению раковых опухолей, онкогенах, генах-супрессорах, генах клеточной смерти и апоптоза (программируемой гибели клеток)

Все более детальным стано­вится знание надмолекулярных уров­ней организации регуляции экспрес­сии генов.

Выполнение программы "Геном че­ловека" приближает возможность ис­пользования генной терапии для лече­ния патологий, связанных с изменени­ем наследственной информации. Ген­ная терапия основана на введении в организм больного искусственных ге­нетических конструкций. Лечебный эффект достигается в результате рабо­ты введенного гена либо за счет подав­ления функции "больного" гена. Со­временная генная терапия делает пер­вые шаги и имеет дело с соматически­ми клетками в постнатальном периоде жизни человека, но в то же время раз­рабатываются подходы к генной тера­пии клеток эмбриона.

Для создания генетических конст­рукций большей частью используются вирусы. При этом из генома вируса вырезается часть генов, ответственных за формирование инфекционных ви-русных частиц и разрушение инфици­рованных клеток. Гены, необходимые для переноса и функционирования ге­нетической информации, сохраняют­ся. К ним добавляются клонированные гены, оказывающие лечебный эффект

Одними из наиболее приемлемых для генной терапии окажутся, видимо, аде­новирусные векторы, поскольку аде­новирусы не встраиваются в геном клетки хозяина, имеют широкий спектр поражения тканей человека и не индуцируют злокачественный рост.

В настоящее время разрабатывают­ся способы для целевой доставки ис­кусственных векторов к тем или иным органам. Для этого используют ло­кальные инъекции, аэрозольный ме­тод, баллистический метод, основан­ный на обстреле ткани микрочастица­ми тяжелых металлов (золота, вольф­рама), покрытых векторной ДНК.

Результаты генной терапии можно рассмотреть на конкретном примере. У мальчика, больного гемофилией из-за дефицита девятого фактора сверты­вания крови, с помощью биопсии были выделены фибробласты кожи и куль­тивированы в клеточной культуре, В эти клетки был введен искусственный вектор, созданный на основе ретровируса и содержащий гены, которые уве­личивают активность девятого факто­ра. Инфицированные клетки были размножены в клеточной культуре и возвращены в организм мальчика под­кожно в районе спины и ягодиц. Клет­ки прижились, в результате была уве­личена активность девятого фактора свертывания крови, и симптомы гемо­филии у пациента были сглажены. Та­ким образом, генно-инженерные рабо­ты создают подходы к лечению гемо­филии человека.

Генная терапия — направление, по­явившееся на стыке двух наук: биологии и медицины, пока имеет скромные практические успехи, но с этим на­правлением связано развитие медици­ны XXI-го столетия.

Перспектива использования дости­жений программы "Геном человека" многопланова: от идентификации ге­нов, ответственных за возникновение наследственных и приобретенных за­болеваний, до развития систем лече­ния, основанных на введении в орга­низм новой генетической информа­ции, корректирующей генетические дефекты (генная терапия), и интенсив­ных методов диагностики, основанных на выявлении генетических дефектов, и перехода в диагностике к наиболее полному обследованию популяций для выявления предрасположенности к болезни.