Что значит расшифровка генома человека

Зачем нужна расшифровка генома?

Расшифрованному верить
Наталия Лескова, «Итоги» №14-2010

С недавних пор в нашей стране действует закон о геномной регистрации. С помощью специального исследования ДНК получают картинку, напоминающую штрихкод. По количеству и расположению полосок можно однозначно (кроме идентичных близнецов) идентифицировать обладателя данной ДНК-информации. Во многих странах такая регистрация применяется давно, а в России все только начинается. Однако уже ясно: ДНК-идентификация неоценима в криминалистике, применима в профессиях, связанных с риском. Но надо ли расшифровывать свой геном обычному человеку и зачем? Об этом «Итоги» спросили директора Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, члена-корреспондента РАН Николая Янковского.

– Николай Казимирович, генетика для многих людей – что-то из разряда теоретических наук. Они могут почувствовать ее достижения на практике?

– Конечная цель генетики отнюдь не теоретическая, а чисто практическая – сделать жизнь каждого из нас более комфортной и продолжительной. Генетика достигла выдающихся результатов в целом ряде практических направлений – в компьютерном анализе генетических тестов, в поиске генов болезней, в биотехнологии. Уже сегодня можно определить предрасположенность более чем к тремстам наследственным болезням. Скоро этот список значительно расширится. На основе проведенных фундаментальных исследований внедряется программа скрининга этих недугов. При повышенном риске появления некоторых наследственных заболеваний – скажем, онкологии – заранее делается операция, и рака уже не будет. Есть и более щадящие рекомендации при высоком риске развития болезней – например, соблюдать специальную диету или принимать соответствующие препараты, эффективно помогающие тому или иному пациенту. Разумеется, тут сразу возникают социальные вопросы доступности лечения, но это уже дело не ученых, а государственных деятелей. В ближайшие годы мы сможем устранить симптомы некоторых генетических дефектов, например диабета, с помощью генотерапии. А чем не благое дело вернуть инвалиду потерянную ногу или руку, вырастив «запасные части» из собственных тканей? Или омолодить человека без всяких «средств Макропулоса»?

– Сегодня чуть ли не на каждом шагу говорят о расшифровке генома. Можно ли узнать судьбу, расшифровав свой геном?

– Я бы сказал так: в большинстве случаев не судьбу, а один из ее вариантов. Расшифровка генома индивида возможна, но пока вместо полной расшифровки генома применяется ДНК-диагностика – выявление изменений некоторых участков ДНК, приводящих к заболеванию. Такая диагностика особенно важна в том случае, когда риск заболеть для данного человека приближается к 100 процентам, – иначе говоря, с возрастом недуг обязательно разовьется. Таких болезней очень много – несколько тысяч, а общее число страдающих от этих болезней во всем мире составляет около 10 миллионов человек. Однако каждая конкретная из этого множества болезней встречается достаточно редко. Например, реже одного случая на 100 тысяч новорожденных. Поэтому детей проверяют на предрасположенность только к наиболее часто встречающимся болезням, например к муковисцидозу, фенилкетонурии и ряду других. Вероятно, тотальная ДНК-диагностика, основанная на полной расшифровке генома человека, станет доступна в практическом здравоохранении если не при нашей жизни, то при жизни наших детей. Но основное количество болезней, причем именно тех, которые встречаются наиболее часто, не может быть предсказано со 100-процентной определенностью даже при полностью известной структуре генома индивида. Скажем, рак молочной железы встречается очень часто. Но случаев, когда можно с очень высокой вероятностью предсказать, что у женщины разовьется этот недуг, – всего 3 процента. Для остальных 97 процентов заболевших женщин даже предварительное знание структуры генома указывало бы лишь на повышенную по сравнению с другими женщинами вероятность развития рака молочной железы. Однако можно уверенно сказать, что большинство женщин никогда не заболеют этим недугом, даже если у них точно такая же структура генома, как у заболевших. Поэтому при массовой диагностике этого заболевания значительное число женщин станут жить в постоянном страхе, и вред, нанесенный проверкой на всякий случай, здоровью общества скорее навредит, чем поможет.

– Как различить, в каком случае проводить расшифровку генома, а в каком – нет?

– Этот вопрос открыт для всех – и для генетиков, и для биоэтиков, и для чиновников от здравоохранения, поскольку ДНК-диагностика, а тем более установление полной структуры геномов индивидов – это бешеные деньги. Полагаю, на сегодня генетическая диагностика должна рекомендоваться лишь для тех уже известных науке случаев, когда связь генетической конституции с развитием болезни близка к 100-процентной, а болезнь является смертельной или приводящей к тяжелой инвалидности. В таком случае на основе данных ДНК-диагностики и, естественно, консультации с врачом-генетиком родители, например, могут принять решение прервать беременность. Конечно, это ужасно, но у них хотя бы появляется выбор – ведь с вероятностью не менее 75 процентов следующая беременность у той же пары приведет к появлению здорового ребенка!

– Когда я, в 40 лет вынашивая третьего ребенка, приходила к врачу, только и слышала, что в моем возрасте синдром Дауна и все прочие ужасы наследнику обеспечены. Но обошлось…

– Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но и для рожениц в возрасте 50 лет одиннадцать детей из 12 окажутся здоровыми. К тому же синдром Дауна обычно связан с генетическим дефектом половой клетки, возникшим еще до оплодотворения. Поэтому ДНК-диагностика этого заболевания возможна на самых ранних этапах беременности, даже до внедрения зародыша в стенку матки. Технологически точность такого анализа предельно высока, но ошибки диагностики могут происходить и по причинам, не имеющим к науке никакого отношения… Остальные болезни, а их абсолютное большинство, не наследуются так просто. Для их проявления необходимо участие сразу нескольких генов в сочетании с действием определенных факторов среды. Эти недуги проявляются, как правило, во взрослом и пожилом возрасте. Например, гипертония и диабет. Даже зная всю структуру генома конкретного организма, мы не сможем сказать, заболеет ими человек наверняка или нет.

– Лично вы расшифровали свой геном?

– Свой – нет. То, что там «написано», – это предрасположенности. Думаю, они у меня все реализованы. А вот ребенку это было бы полезно. Можно определить зоны риска. Но ирония заключается в том, что в ответ на вопрос, что с ними делать, можно дать лишь давным-давно известные рекомендации: не пей, не кури, не нервничай, не переедай, веди подвижный образ жизни. Пока никто ничего лучшего не придумал. И, полагаю, не придумает. Конечно, есть острые заболевания, но их всего 2-3 процента.

– Правда ли, что именно по причинам генетического порядка одна и та же пища может быть полезна одним людям и вредна другим?

– Да, это установленный факт. Возьмем для примера молоко и хлеб. Казалось бы, что может быть в них вредного? Однако наше исследование способности к усвоению молочного сахара – лактозы – дало удивительные для многих результаты: из-за генетических особенностей лактозу не усваивает примерно 30 процентов взрослого населения Центральной части России, и в частности Москвы. Употребление цельного молока у таких людей может приводить к тошноте, проблемам с пищеварением, плохому самочувствию. Никто пока не выяснял, как эта особенность влияет на детей переходного возраста. А потребление обычного белого хлеба у некоторых детей может вести к нарушению пищеварения и слабоумию. Эта болезнь, называемая целиакией, встречается у каждого сотого жителя Ирландии. В других странах Европы она выражена не столь очевидно – примерно один случай на тысячу.

– Что нам делать с нашим пристрастием к алкоголю?

– В лаборатории, которую я возглавляю, ведутся работы по изучению генетических факторов, предрасполагающих к алкоголизму. У русских в сравнении с другими европейцами нет никаких особенностей метаболизма алкоголя, заставляющих нас пить. Так что жаловаться на плохую генетику в связи с пьянством нам нечего.

– В какую сторону сегодня движется развитие науки генетики?

– В будущем мы надеемся перейти с уровня понимания того, какими генами вызывается болезнь, на уровень понимания того, как она возникает – как гены работают и как они между собой взаимодействуют. Это даст нам возможность приблизиться к более точному предсказанию болезней. Еще одно интересное направление касается действия лекарств. Оказывается, для каждого человека скорость этого действия, а значит, и эффективность индивидуальна. Это тоже генетически обусловленный факт. Эту скорость с определенной степенью достоверности тоже можно будет предсказать по анализу генов. Таким образом, знание генетической конституции позволит определить, что нам необходимо для лечения и в какой дозе.

Источник

Что значит расшифровка генома человека

За последние 20 лет достигнут прогресс в нашем понимании на молекулярном уровне структуры и функции генов и хромосом. Недавно, благодаря результатам проекта «Геном человека», эти знания были дополнены глубоким пониманием организации генома человека на уровне ДНК последовательности.

Эти достижения были в значительной мере вызваны потребностями молекулярной генетики и геномики в решении многих клинических проблем, предоставив инструментальные средства для новых методов медицинской генетики. В настоящей главе мы представляем обзор структуры и функционирования генов и те аспекты молекулярной генетики, которые необходимы для понимания генетического метода в медицине.

Возрастание объема знаний о генах и их организации в геноме оказало огромное влияние на медицину и наше восприятие физиологии человека. На заре новой эры Нобелевский лауреат 1980 г. Пол Берг проницательно указал:
«Подобно тому, как современная теория и практика медицины полагаются на углубленное знание анатомии, физиологии и биохимии человека, так в будущем потребуется подробное понимание молекулярной анатомии, физиологии, и биохимии генома геловека. Мы будем нуждаться в более подробных знаниях о том, как организованы и как функционируют и регулируются гены геловека. Нам понадобятся враги, так же сведущие в молекулярной анатомии и физиологии хромосом и генов, как кардиохирург — в структуре и работе сердца».

Как же 3 млрд кодовых букв генома человека описывают всю сложность анатомии, физиологии и биохимии человека, на которую указывал Берг? Все дело в увеличении количества информации при передаче ее в белки, управляющие множеством функций клеток, органов и всего организма, а также взаимодействие с внешней средой. Даже получив в руки по существу полную последовательность генома человека, мы все же не знаем точного количества генов в нем.

Современные оценки сходятся на том, что геном содержит около 25 000 генов, но эта цифра — только первый ориентир в загадке, возникающей при декодировании цифровой информации.

Продукт большинства генов — белок, структура которого в конечном счете определяет его конкретные функции в клетке. Однако если бы существовала простая взаимнооднозначная связь между генами и белками, мы могли бы получить максимум 25 000 различных белков. Это число представляется недостаточным, принимая во внимание обширную массу функций, выполняемых белками в клетках. Ответ на дилемму находится в двух характеристиках структуры и функции генов.

Во-первых, многие гены способны генерировать несколько различных белков. Такое возможно, благодаря альтернативным кодирующим сегментам гена и последующей биохимической модификации полученного белка. Эти две характеристики генома значительно увеличивают его информационное содержание. Подсчитано, что таким образом 25 000 генов человека могут кодировать до миллиона отличающихся белков.

Во-вторых, индивидуальные белки не функционируют сами по себе. Они формируют сложные функциональные сети, включающие множество различных белков и согласованно отвечающие на массу различных сигналов, как генетических, так окружающей среды. Комбинаторная природа генных сетей приводит к резкому увеличению разнообразия возможных функций клеток.

Гены распространены по всему геному, но тяготеют к объединению в отдельные группы или хромосомы и могут сравнительно редко встречаться в других регионах или в других хромосомах. Проиллюстрируем данное положение на примере хромосомы 11, сравнительно богатой генами — около 1300 генов, кодирующих белки. Гены не рассеяны вдоль хромосомы произвольно, их концентрация особенно велика в двух регионах с плотностью до одного гена на каждые 10 килобаз. Некоторые гены организованы в «семейства» родственных генов.

Другие области бедны генами, и есть несколько так называемых «генных пустынь», размером в миллион пар оснований и более, в которых нет никаких известных генов.

Гены, расположенные на аутосомах, имеют две копии: одна в хромосоме, унаследованной от матери, вторая в хромосоме, унаследованной от отца. В большинстве случаев обе копии аутосомных генов экпрессируются и генерируют конечный продукт. Однако некоторые гены генома — исключения из этого общего правила, и у них экспрессируется только одна из двух копий. Такая необычная форма регуляции генов получила название геномного импринтинга.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Как ученые расшифровывают геномы и зачем это нужно? Отвечаем в 9 карточках

В последние годы ученые постоянно объявляют о расшифровке геномов тех или иных видов. ITMO.NEWS и ученый Международного научного центра SCAMT Алексей Комиссаров в карточках объясняют: что такое ДНК, как с ее помощью изучают историю животных и в чем отличие ДНК-теста от геномного исследования.

Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS

По пунктам:

Начнем с простого: что такое ДНК?

Каждый более или менее знает, что есть белки, жиры и углеводы. Но еще у нас в каждой клетке есть ДНК, дезоксирибонуклеиновые кислоты, которые отвечают за хранение информации. Для геномного биоинформатика ДНК ― это прежде всего один из главных языков биологии, который состоит всего лишь из четырех букв: A, T, G и C. Эти буквы являются сокращениями имен четырех азотистых оснований, из которых состоит ДНК: аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (Т). ДНК можно сравнить с компьютерной программой, очень сложной, запутанной, со множеством ошибок и костылей, но, тем не менее, она работает.

Говорят, ДНК можно получить из волоса, слюны, крови. А каким образом?

ДНК содержится почти во всех клетках организма, исключение — эритроциты, которые в зрелом состоянии теряют ядро, чтобы было легче переносить кислород. Поэтому биологический материал для выделения ДНК может быть разнообразен. Процесс выделения ДНК состоит из четырех этапов: разрушение мембраны клеток для высвобождения ДНК; очистка от связанных с ДНК белков; очистка от разного рода примесей; растворение ДНК для хранения. ДНК можно выделить и в домашних условиях, но тогда ДНК будет не очень чистой и ее будет сложно использовать для каких-либо научных исследований. От качества этих процедур будет зависеть и полученная из нее информация. Поэтому необходима лабораторная точность работы специалистов, молекулярных биологов. Проще всего ДНК выделять из крови, потому что это легкий для получения биоматериал. Хотя в эритроцитах ДНК нет, в крови плавает огромное количество других клеток — белых кровяных телец, так что и ДНК из них получается много. Из слюны или кусочков эпителия во рту ― уже меньше, из волос ― еще меньше. Например, чтобы прочитать весь геном достаточно точно, необходима кровь, а не слюна. А для того, чтобы сделать какой-нибудь ДНК-тест, где точность не очень важна ― достаточно и слюны.

А есть еще геном. Это одно и то же?

ДНК — это название молекулы, которая хранит наследственную информацию. Геном ― это совокупность всей ДНК организма со всеми записанными в ней особенностями конкретного вида или даже индивида. Поэтому можно говорить о геноме человека вообще, а можно — о геноме конкретных Васи или Кати. На физическом уровне геном разделен на хромосомы, в случае человека — 23 пары хромосом, 23 от мамы, и 23 от папы, всего 46. Когда организм начинает расти после оплодотворения, в каждой клетке копируется этот набор, но иногда это происходит с небольшими ошибками. Это называется соматическими мутациями. Иногда эти ошибки могут быть весьма критическими и приводить к разным заболеваниям.

Я все время слышу: расшифровали геном того, расшифровали геном сего. А кто его зашифровывает?

Его никто не зашифровывал, но это слово хорошо передает ощущения от работы с геномными данными. Если продолжать аналогию с геномом как с очень сложной программой, можно сказать, что она не только очень сложная, но и очень плохо написана. И кроме собственно четырех букв A, C, G и Т, он содержит много дополнительных уровней кодирования информации, которые не обязательно будут наследоваться и могут меняться в процессе жизни организма. Это часто называют эпигеномом, который изучает эпигенетика. Вся эта неимоверная сложность и создает ощущение расшифровки. Помимо этого, злую шутку здесь сыграл не очень корректный перевод с английского, где использовали слово decoding и encoding, декодировали и закодировали. Код — это просто система условных обозначений, не предполагающая никакого секрета, никакой защиты от взлома. Любой человеческий язык — это код, система дорожных знаков — это код. Шифр — это код, намеренно защищенный от взлома. Но, конечно, в английских терминах меньше романтики, чем в слове расшифровали.

Говорят, по геному можно проследить генетическую историю. Это что-то типа ДНК-теста?

Под ДНК-тестом часто имеют в виду анализ только некоторых небольших участков генома, вариации в которых имеют какой-то известный эффект. В геномных исследованиях ученые работают с гораздо большим количеством ДНК, в идеале со всей доступной информацией. Это называется полногеномными исследованиями. Но даже генетических тестов, направленных на выяснения значения только некоторых фрагментов генома, часто достаточно для того, чтобы проследить генетическую историю или оценить степень родства между двумя людьми. Это возможно, во-первых, благодаря тому, что у нас в геноме есть фрагменты, которые очень вариабельны и отличаются у разных людей, и, во-вторых, благодаря математике.

А как ученые берут кровь или шерсть у современного льва, а получают данные о его предках?

Есть очень сложные математические алгоритмы, которые позволяют по генетическим данным найти наиболее вероятный сценария развития событий: когда происходили мутации отдельных фрагментов, которые привели к образованию того генома, который мы видим сейчас. Своего рода, математическая машина времени. Ученые ИТМО недавно опубликовали программу, направленную как раз на решение проблемы — как наиболее точно заглянуть в прошлое генома. Одним из самых захватывающих расширений этого подхода является добавление еще и географических точек. Тогда мы можем не только смоделировать, как происходили изменения в геноме, ни и посмотреть, как отдельные популяции с этими геномными вариациями перемещались из одной точки в другую.

Мы говорим, что взяли кость тигра раннего палеолита и по ней определили какие-то вещи про целую популяцию. Но как мы отделяем эту информацию от той, что была присуща именно вот этому самому тигру?

Мы стараемся получить модель, которая наиболее правдоподобно описывает сценарий развития событий в прошлом. Чтобы сделать модель более точной, одного образца часто недостаточно, и чем больше образцов у нас есть, тем более точной становится наша модель. У каждого из нас очень много редких генетических вариантов, бывают и варианты, которые присущи только нам. И если у нас есть уже несколько образов, то такие индивидуальные варианты ученые отфильтровывают именно затем, чтобы они не мешали анализу. Так как единицей эволюции является популяция, а не отдельный индивид.

А как мы проверяем наши выводы? Ведь не всегда мы можем выкопать пещерного предка современных животных и удостовериться, что все сходится.

Хорошие модели обладают предсказательной способностью. Проверить проще всего новыми данными, которые не должны противоречить модели, но случается, что они противоречат, и тогда модель приходится пересчитывать. Сейчас мы наблюдаем очень красивую иллюстрацию мутаций, эволюции и вот этого всего на примере геномов коронавируса SARS-CoV-2. Настолько подробных данных об эволюции отдельного вида в реальном времени у человечества еще никогда не было. И появляется все больше данных и для остальных геномов. Со временем модели будут все лучше и лучше, а чем больше данных ― тем лучше модели.

Зачем нам все это?

Кроме того, что это захватывающе любопытно, это имеет множество практических применений во всех сферах деятельности человека. Если продолжать рассуждать об исследовании истории предков, то есть математический аппарат для поиска так называемых событий бутылочного горлышка, когда размер популяции по каким-то причинам резко сократился. Поиск таких событий, своего рода, геномная археология, может дать нам подсказки, как таких событий избежать. Это важно особенно сейчас, когда многие виды животных бесследно исчезают с лица земли.

Источник