Геномика - ключевое слово новой биологии - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту
Геномика - ключевое слово новой биологии |
|
|
| Автор Киселев Л.Л. | |||||||||||||||||
| 15.10.2008 г. | |||||||||||||||||
|
Киселев Лев Львович - член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией Института молекулярной биологии им. В. А . Энгельгардта РАН, председатель научного совета Российской национальной программы "Геном человека" Министерства науки и технологий РФ. В российской национальной программе важное место занимают, помимо структурного и функционального анализа генома, два направления исследований: компьютерный анализ генома и медицинские приложения - медицинская геномика. Уже создано программное обеспечение, позволяющее опознавать кодирующие и некодирующие участки генома по анализу нуклеотидной последовательности, Благодаря тому что в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе онкологические, наследственные, нейродегенеративные, возникли и бурно прогрессируют два направления медицинской геномики - геномная диагностика, В нашей стране можно диагностировать не менее 30 различных заболеваний, главным образом наследственных: болезнь Альцгеймера, болезнь Гоше, атаксию, муковисцидоз, мышечную дистрофию Дюшенна, дистонию, гемофилию В 1999 г. в рамках российской программы работали около 400 исследователей в составе примерно 100 групп из 30 научных учреждений РАН и РАМН, госцентров и университетов. За достижения в геномике 16 российских ученых удостоены премии имени Как далеко продвинулись структурные исследования генома человека в мире? Приведу только две цифры. Пять лет назад за год в мире расшифровывали несколько миллионов нуклеотидных пар ДНК, и это воспринималось как замечательное достижение. На исходе 1999 г. американская фирма "Celera", возглавляемая выдающимся исследователем и организатором Г. Вентером, расшифровывает (секвенирует) не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. На фирме секвенирование ДНК осуществляют около 250 приборов, снабженных роботами, которые функционируют в автоматическом режиме и передают всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизируется, аннотируется и становится доступной ученым всего мира. Вентер официально объявил, что "Celera" планирует завершить расшифровку генома человека к концу 2001 г. В свою очередь Консорциум европейских и японских центров расшифровки структуры ДНК сообщил, что ту же цель планирует достичь к 2003 г. Очевидно, что это соревнование (независимо от того, кто придет к финишу первым) в ближайшие два-три года завершится достижением эпохальной цели - познанием всего наследственного материала человека на уровне его точного химического строения. Вероятно, в истории человечества трудно найти что-либо сопоставимое с этим событием по его общетеоретическим последствиям и практическому значению. Может быть, оно сравнимо с открытием электричества или путей использования атомной энергии, может быть, с выходом человека в космос, но в любом случае знаменует окончание одной эры и начало новой, как минимум, в биологии и медицине,
Таблица 1. Сравнение размеров геномов и числа генов
Исследования генома человека с самого начала потянули за собой, как паровоз, исследования геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых (табл. 1). Их расшифровка ведется во все возрастающем темпе и объеме параллельно с изучением человеческого генома. Что же сделано конкретно к концу 1999 г.? Известна полная геномная структура свыше 100 микроорганизмов (табл. 2), среди которых как обычные бактерии, в том числе вызывающие многие тяжелые заболевания человека и животных, так и архебактерии - особое царство живой природы, находящееся как бы между клеточными организмами (эукариоты) и истинными бактериями (прокариоты). Таблица2. Геномы некоторых микроорганизмов, расшифрованные в 1995-1998 годах
Мы знаем полное строение генома пекарских дрожжей - первого одноклеточного эукариотического организма (гриб, согласно биологической классификации) и полную структуру генома первого многоклеточного организма - круглого червя (нематоды), завершена расшифровка ДНК первого насекомого - плодовой мушки дрозофилы и первого растения - арабидопсиса. Круг объектов непрерывно расширяется, в частности весьма активно расшифровывается геном риса - одной из основных продовольственных культур. У человека уже известно строение ДНК двух самых маленьких хромосом - 21-й и 22-й. Все это вместе создало основы сравнительной геномики. Парадоксальность ситуации, складывающейся сейчас в геномике, состоит в том, что объем информации, которым располагают исследователи, намного больше того, что можно осмыслить, проанализировать и использовать в экспериментальной работе. Поэтому развитие новых математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствование способов описания и хранения геномной информации становятся чрезвычайно актуальными. Этими проблемами активно занимается биоинформатика, включающая в себя и геноинформатику. Биоинформатика анализирует ситуацию как бы на четырех тесно связанных друг с другом уровнях. Первый - это генетический текст, то есть нуклеотидная последовательность ДНК; второй - тоже текст, но сначала в форме РНК, Подробнее о банках (или базах) данных по биоинформатике можно прочитать Хотя методы предсказания трехмерной структуры белка (вторичной и третичной структуры) по его аминокислотной последовательности все еще крайне неточны, тем не менее благодаря тому, что в банках данных уже есть информация о трехмерной структуре сотен белков, можно на ее основе, используя сведения о нуклеотидной и аминокислотной последовательностях неизвестного белка, предсказывать во многих случаях и трехмерную структуру с достаточной точностью. Наконец, последний, четвертый уровень - это предсказание функции белка на основании знания его первичной структуры и предсказанной трехмерной структуры. Таким образом, структурная и сравнительная геномика через биоинформатику как бы переходят в новый раздел геномики, который обычно называют функциональной геномикой (рис. 2).
Главная задача функциональной геномики - выяснение биологических функций генных продуктов. Основную их массу составляют белки, на долю РНК приходятся всего лишь десятки генов, хотя, разумеется, многие виды РНК играют ключевую роль в клетке при передаче и реализации генетической информации. Функциональная геномика стремится сначала предсказать функцию тех или иных белков с помощью "сухой" биохимии, то есть компьютерного анализа, и только затем переходит к "мокрой" биохимии, то есть к экспериментальной проверке в пробирке предсказанной функции. Совершенно очевидно, что близящееся завершение эры структурной геномики человека и многих других организмов означает перенос фокуса внимания исследователей на биоинформатику и функциональную геномику. Ни у кого нет сомнений, что первое десятилетие XXI в. будет эрой функциональной геномики и биоинформатики. Если в геномную эру (1989-1999) ключевым словом было "ДНК", то скоро ключевым словом, безусловно, станет "белок". Такова диалектика новой биологии.
СТАРТОВАЯ ПЛОЩАДКА БИОЛОГИИ XXI ВЕКА В журнале "Science" от 11 декабря 1998 г. опубликована серия статей, где рассказано о завершении восьмилетней работы по расшифровке строения генома многоклеточного животного - круглого червя, носящего латинское название Caenorhabditis elegans. Хотя это очень маленький червь, скорее червячок, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном червя состоит из 97 млн. пар нуклеотидов ДНК, округленно 0.1 млрд. пар; геном человека, согласно большинству оценок, - из 3 млрд. нуклеотидных пар. Разница в размере геномов примерно в 30 раз. Однако именно эта работа окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы. Секвенирование генома С. elegans осуществлено в рамках совместного проекта исследовательскими группами из Центра геномного секвениро-вания Вашингтонского университета (США) и Сенгеровского центра (Великобритания). Число авторов этой работы столь велико, что журнал не опубликовал их списка, отослав читателей в Internet, Значение этого достижения, конечно, далеко выходит за рамки того, что можно назвать полигоном для расшифровки генома человека. Напомним, что два года назад был расшифрован первый геном эукариотического организма - дрожжей, то есть за два года пройден путь от генома одноклеточного до генома многоклеточного организма. Биологи знают, что это гигантская дистанция на лестнице эволюции и, следовательно, на пути усложнения геномов. Поразительно, как невероятно быстро она была пройдена. Знание геномов бактерий, дрожжей и нематоды дает биологам-эволюционистам уникальную возможность сравнения не отдельных генов и даже не генных ансамблей, Будет справедливым напомнить, что первым обратил внимание на С. elegans как на объект исследования в середине 60-х годов С. Бреннер, внесший огромный вклад в изучение генетического кода. Тогда он работал в знаменитой лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в Англии (в свое время здесь работали нобелевские лауреаты Ф. Крик, Дж. Кендрю, М. Перутц, Секвенирование генома таких гигантских размеров потребовало огромной подготовительной работы, завершенной к 1989 г., когда была построена "физическая карта" всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях друг от друга вдоль молекулы ДНК. Если у дрожжей до начала секвенирования функция около половины генов была неизвестной, то у червя эта доля была больше - из 19 тыс. генов 12 тыс. оставались загадочными. В 1990 г. началось секвенирование, темп которого составлял в 1992 г. 1 млн. пар нуклеотидов в год. Если бы этот темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100(!) лет. Ускорение было достигнуто простейшим способом: число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100, приборы-секвенаторы и роботы функционировали круглосуточно, производительность каждой машины была увеличена.
Читайте также: |
|||||||||||||||||
| Последнее обновление ( 06.04.2009 г. ) | |||||||||||||||||
| « Пред. | След. » |
|---|