Embedded Files
Что на самом деле произошло, когда «расшифровали геном человека» —
и происходит сейчас
Что на самом деле произошло, когда «расшифровали геном человека» —
и происходит сейчас
Геном человека - международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать 25-30 тыс. генов в человеческом геноме. Этот проект называют крупнейшим международным сотрудничеством, когда-либо проводившимся в биологии. Википедия
Последовательность генома человека содержится в нашей ДНК и состоит из длинных цепочек « пар оснований », которые образуют наши 23 хромосомы. Вдоль наших хромосом расположены последовательности пар оснований, которые образуют наши 30 000 генов.
21 год назад президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр и корпорация Celera Genomics объявили, что проект «Геном человека» - «первоначальное секвенирование генома человека» / первоначальное определение последовательностей генов в ДНК, завершен. С этого момента биология вступила в «постгеномную эру». Назвать этот год - 2000 год «годом расшифровки человеческого генома» можно только условно — ученые лишь установили первый «черновик» последовательности ДНК всех 23-х хромосом человека со множеством пробелов. «Чистовая» версия появилась через три года, в 2003 году. После этого проект «Геном человека» завершился — а вот расшифровка генома человека нет. Осмысление и дополнение полученных тогда данных продолжается до сих пор.
Генетический телескоп
Генетический телескоп
Проект «Геном человека» иногда называют самой успешной международной научной коллаборацией (процесс совместной деятельности) в истории науки. Однако на старте единодушного оптимизма научное сообщество не испытывало: подготовку сопровождали публичные дискуссии и разгромные статьи, авторы которых утверждали, что прочитать последовательность человеческой ДНК невозможно, и деньги налогоплательщиков стоит потратить на что-то более полезное.
Хотя техническая возможность секвенировать (определить последовательность) генома была показана еще в 70-х годах, когда был расшифрован первый геном вируса, на расшифровку человеческого генома решились не сразу. Эта идея оформилась благодаря молекулярному биологу Роберту Синшеймеру из Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Роберт Синшеймер (1920–2017) американский биофизик и молекулярный биолог, родился в Вашингтоне. В 16 лет поступил учиться в знаменитый Массачусетский технологический институт. Вначале он специализировался в области чистой химии, но затем заинтересовался биологией.
Роберт был не только крупным исследователем, но и выдающимся организатором науки. Возглавив Университет в городе Санта-Крус, он превратил его в первоклассное научное учреждение. В 1985 году он организовал в этом университете симпозиум, на котором рассказал о своей идее расшифровки полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. В дальнейшем из этой идеи вырос мощный международный проект «Геном человека».
Его коллеги-астрономы работали тогда над созданием самого большого (на тот момент) наземного телескопа, и Синшеймер раздумывал над проектом подобного масштаба в биологии.В 1985 году он собрал несколько ведущих генетиков для обсуждения проекта по секвенированию генома человека.
Коллектив пришел к заключению, что идея заманчива, но не реализуема. К тому моменту не был расшифрован даже геном кишечной палочки размером «всего» в пять миллионов пар нуклеотидов, а максимальная продолжительность нуклеотидной последовательности, которую можно было прочитать за раз методом Сэнгера, составляла несколько сот нуклеотидов.
Роберт был не только крупным исследователем, но и выдающимся организатором науки. Возглавив Университет в городе Санта-Крус, он превратил его в первоклассное научное учреждение. В 1985 году он организовал в этом университете симпозиум, на котором рассказал о своей идее расшифровки полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. В дальнейшем из этой идеи вырос мощный международный проект «Геном человека».
Его коллеги-астрономы работали тогда над созданием самого большого (на тот момент) наземного телескопа, и Синшеймер раздумывал над проектом подобного масштаба в биологии.В 1985 году он собрал несколько ведущих генетиков для обсуждения проекта по секвенированию генома человека.
Коллектив пришел к заключению, что идея заманчива, но не реализуема. К тому моменту не был расшифрован даже геном кишечной палочки размером «всего» в пять миллионов пар нуклеотидов, а максимальная продолжительность нуклеотидной последовательности, которую можно было прочитать за раз методом Сэнгера, составляла несколько сот нуклеотидов.
Шкаф с фрагментами человеческого генома, стоит в лондонском музее Wellcome Collection. Полностью расшифровка занимает сотни томов, в каждом из которых тысячи страниц (слева).
Разворот одного из томов с расшифровкой человеческого генома (справа)
В обсуждении участвовал Уолтер Гилберт, который за 10 лет до того предложил свой метод секвенирования ДНК (известный как метод Максама-Гилберта или метод химической деградации ДНК), практически одновременно с Фредериком Сэнгером.
Уолтер Гилберт род 1932 г, американский биохимик , физик, пионер молекулярной биологии и лауреат Нобелевской премии по химии 1980 г. за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК. Член Национальной академии наук США, иностранный член Лондонского королевского общества. Нобелевский лауреат по химии.
Уолтер Гилберт род 1932 г, американский биохимик , физик, пионер молекулярной биологии и лауреат Нобелевской премии по химии 1980 г. за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК. Член Национальной академии наук США, иностранный член Лондонского королевского общества. Нобелевский лауреат по химии.
Уолтер Гилберт загорелся идеей создания геномного института и увлек ей первооткрывателя структуры ДНК Джеймса Уотсона и Чарльза Делиси, который возглавлял подразделение здоровья и окружающей среды в Министерстве энергетики США. Последнему геномный проект виделся логичным продолжением исследований влияния радиации на человека. В 1986 году они уже подсчитывали затраты на расшифровку последовательности генома человека.
Настроенные скептически коллеги оценивали продолжительность проекта в десятки лет рутинной работы, если «читать» ДНК небольшими научными коллективами — а ведь только в этом случае, по их мнению, работу можно сделать хорошо. Объем предстоящей работы казался невероятно огромным. Однако Уотсон и Делиси решили сделать ставку на крупные автоматизированные центры и международное сотрудничество. Финальный план американской части проекта был рассчитан на 15 лет и три миллиарда долларов.
Эта цифра кажется большой — но, к примеру, космический проект «Аполлон», реализованный двадцатью годами ранее, стоил американцам в 10 раз дороже (без учета инфляции). При этом в результате выполнения проекта «Геном человека» ученые обещали что-то не менее значимое, чем полет в космос — как минимум, разобраться в природе 4000 наследственных заболеваний и продвинуть вперед медицинскую генетику и сопутствующие технологии.
Несмотря на критику и ценник, им удалось продавить как Министерство энергетики, так и Национальные институты здоровья США (NIH). В 1990 году проект стартовал.
«Заслуга запуска проекта, конечно, принадлежит Уотсону. И он изначально задумывался как международный. Во многих странах выделялось на это финансирование в рамках национальных проектов, Люди из институтов США, Англии, Франции, Германии, Швеции, России — даже тех стран, которые не вошли в соавторы статьи в итоге — ездили друг к другу и работали над задачей сообща. В одиночку Америка бы конечно ничего не сделала». Юрий Лебедев, заведующий лабораторией сравнительной и функциональной геномики ИБХ РАН и член Международной организации по изучению генома человека (HUGO), который в рамках проекта участвовал в создании карты 19-й хромосомы
Трёхмиллиардный проект был формально запущен в 1990 году Министерством энергетики США и Национальным институтом здравоохранения, и ожидалось, что он продлится 15 лет. Над проектом работали сотрудники International Human Genome Sequencing Consortium / Международного консорциума по секвенированию генома человека из 20 научных групп США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая, России.
Почти одновременно со стартом проекта в США, советский академик Александр Баев смог убедить Горбачева выделить значительное финансирование на оборудование лабораторий и создание научных групп, которые могли бы участвовать в международном консорциуме по расшифровке генома человека. По воспоминаниям академика Льва Киселева, который в то время был председателем научного совета российской части программы, отечественный проект начинался очень активно — на его развитие было выделено около 20 млн $. Однако в 90-х годах государство уже не могло финансировать столь дорогостоящие фундаментальные исследования, и участие в консорциуме, хотя и не закрылось окончательно, было сокращено до минимума.
«У нас работой по проекту занимались несколько десятков групп. Многие из людей, которые работали тогда в проекте, сейчас возглавляют институты и лаборатории у нас и за рубежом», Юрий Лебедев
Через несколько лет после старта одинокий марафон международного консорциума стал гонкой. Крейг Вентер, который изначально возглавлял одну из лабораторий в составе Национального института здравоохранения США (NIH), разработал новый способ исследования геномов под названием «expressed sequence tags», значительно ускоривший процесс поиска генов по их транскриптам. Вооружившись этой технологией и поддержкой венчурных инвесторов, он ушел из NIH и основал Институт геномных исследований TIGR.
Крейг Вентер род. 1946 г., американский генетик, биотехнолог, биохимик и предприниматель. Признан одним из двух ключевых лидеров в процессе расшифровки генома человека, составив конкуренцию государственному проекту «Геном человека».
Крейг Вентер род. 1946 г., американский генетик, биотехнолог, биохимик и предприниматель. Признан одним из двух ключевых лидеров в процессе расшифровки генома человека, составив конкуренцию государственному проекту «Геном человека».
В 1998 году Вентер объединился с производителем автоматических секвенаторов под вывеской Celera Genomics и объявил, что тоже займется расшифровкой генома человека. Начав на восемь лет позже, чем «Геном человека», Вентер собирался справиться с задачей всего за три года — в то время как международный консорциум не собирался финишировать раньше, чем через семь лет. Его компания планировала извлечь из этого немалую выгоду, запатентовав гены, связанные с наследственными заболеваниями (впрочем, в 2000 году Клинтон заявил, что последовательность генома является достоянием общественности, и патентовать ее нельзя, так что усилия бизнесмена в каком-то смысле оказались напрасными).
Появление конкурента подстегнуло «Геном человека», и цель в итоге была достигнута на два года раньше. Федеральный проект договорился с Celera, и результаты обоих проектов были одновременно объявлены на той самой пресс-конференции 26 июня 2001 года. В зале присутствовали и основатель «Генома человека» Джим Уотсон, и Джон Уайт, директор PE Corporations, спонсировавшей Вентера — лица обоих явно давали понять, что войну удалось закончить дурным миром. Статья группы Вентера вышла в Science, через день после публикации статьи «Генома человека» в Nature.
К моменту запуска проекта в 1990 году было расшифровано несколько коротких вирусных геномов и плазмид (вспомогательных кольцевых молекул ДНК из бактерий), размер которых ограничивался десятками тысяч пар нуклеотидов. «Геном человека» же собирался прочитать геном размером на несколько порядков больше: три миллиарда пар — именно столько «букв» содержит одинарный набор хромосом человека (23 хромосомы). По мнению большинства, число генов, содержащихся в этой «летописи», должно было составить около 100 тысяч. Неудивительно, что многим ведущим генетикам эта задача казалась нерешаемой. Однако по ходу выполнения проекта развитие технологий облегчило ученым работу.
Первые итоги и дальнейшее развитие
Первые итоги и дальнейшее развитие
К 2000 году удалось получить представление о последовательности ДНК человека в составе эухроматина — участков, с которых активно идет транскрипция, то есть считывание данных РНК-полимеразой. По оценкам ученых, эухроматин составляет около 95 процентов всего генома. Остальная ДНК спрятана в плотно упакованных белковых комплексах и основную часть времени «молчит».
После расшифровки число генов в геноме человека пришлось сократить со 100 тысяч до 30 тысяч — это число всего в два раза больше, чем у мухи или червя, написали авторы исторической публикации в Nature.
Также ученые узнали, что геном человека содержит очень много повторов и мобильных элементов, подавляющее большинство из которых уже не работает. Кроме того, геном человека очень разнообразен — генетики оценили, что количество однонуклеотидных полиморфизмов в нем (участков, в которых у разных людей может стоять тот или иной нуклеотид) достигает 1,5 миллионов. Это стало ясно в том числе благодаря тому, что в проекте была использована ДНК от большого количества добровольцев, а не от одного человека.
«Стандартный», или референсный геном человека дорабатывается до сих пор. Финальная точка была очень условная. Договорились, что этот момент считать точкой, когда [Клинтон с Блэром] сделали [свое заявление]. В этот момент геном не был сделан до конца, люди потом много лет дочищали это дело. Сейчас выходят чудесные работы, из которых следует, что если взять много-много геномов разных людей, то там будут целые куски, которых в классическом геноме нет, то есть мы отличаемся не только точечными мутациями и заменами, но и целыми большими кусками генома, которые у кого-то есть, а у кого-то нету. В прошлом году вышла статья, они несколько процентов добавили к универсальному геному человека, просто секвенировав много африканцев».
Михаил Гельфанд
Геном для медицины
Геном для медицины
За двадцать лет с момента завершения сборки черновой версии генома технологии секвенирования и анализа последовательностей развились настолько, что сегодня узнать последовательность кодирующих участков генома (экзома) обойдется вам уже не в три миллиарда долларов, а лишь несколько сотен.
«Геномные исследования могут показать, что у носителей такого варианта гена заболевание встречается, к примеру, в пять раз чаще, чем у носителей другого варианта. Это знание может помочь скорректировать образ жизни так, чтобы минимизировать вероятность. Но вычисление рисков развития заболевания полностью опирается на статистику, здесь еще есть куда развивать математический аппарат. Что касается предсказания способностей к спорту и музыке по геному ребенка, это, конечно, вещь из области фантастики. Однако, секвенирование генома или экзома может помочь родить здоровых детей в том случае, если родители являются носителями каких-то вредных мутаций». Юрий Лебедев
Page updated
Google Sites
Report abuse