Геномика. Зачем нужно секвенировать геном
 Скачать 22.92 Kb.
|
|
Геномика — это новая наука, которая в последние годы пережила очень важный бум благодаря передовым технологиям секвенирования ДНК, достижениям в области биоинформатики и все более изощренным методам анализа целых геномов. И я расскажу в этом докладе о целых геномах и их секвенировании, упомянув проект Human Genome Project, позволивший секвенировать геном человека. Зачем нужно секвенировать геном? Секвенирование — это совокупность методов и биохимических приемов, направленных на определение порядка следования нуклеотидов (А, Т, С и G). Его цель – привести в порядок все нуклеотиды ДНК организма. Первыми секвенированными организмами были две бактерии, Haemophilus influenzae и Mycoplasma genitalium в 1995 году. Год спустя был секвенирован геном гриба (Saccharomyces cerevisiae). С этого момента начинается проект по секвенированию эукариот: в 1998 г. был секвенирован Caenorhabditis elegans (нематода), в 2000 г. - Drosophila melanogaster (плодовая муха), а в 2001 г. - геном человека. Секвенирование — это анализ последовательности генома. В любой нормальной клетке есть 23 пары хромосом, в каждой из которых в скрученном виде хранится молекула ДНК. Сама молекула похожа на лестницу, где перекладины — это пары азотистых оснований. Порядок, в котором эти основания находятся в геноме, и составляет его последовательность. В некотором смысле геном — это как очень длинный (на миллиарды букв) манускрипт на неизвестном языке. Одна строчка в нем — это ген, то есть инструкция для клеток, какие белки им производить. Но интерес для ученых представляет не просто расположение "букв", а понимание того, что делают отдельные части генома. Поэтому секвенирование правильнее сравнивать не с расшифровкой, а с прочитыванием. Точно так же и геном человека — это больше, чем просто последовательность генов. Важно понять, как гены обеспечивают жизнедеятельность клетки, как происходит регуляция (включение или выключение генов) или какие генные пути начинают работать в ответ на стрессовые факторы. В случае человеческого генома необходимо знать, чтобы помочь облегчить или предотвратить болезни. Некоторые из секвенированных организмов являются модельными организмами, которые имеют: Медицинское значение: существуют патогены, и мы знаем болезни, которые они могут вызывать. Экономическое значение: организмы, которые едят люди, можно улучшить с помощью молекулярных методов. Изучение эволюции: в 2007 году было секвенировано более 11 видов дрозофилы и предпринята попытка понять эволюционные отношения между их хромосомами. Это также было сделано на млекопитающих (проект ENCORE). Как секвенируют геном? Почему это так долго и сложно? Читать цепочку ДНК, просто "расправив" ее и пропустив через анализатор, неэффективно. Этот процесс был бы крайне долгим и затратным, особенно для длинных геномов типа нашего. По мере чтения накапливается много ошибок, которые исказят результат. Для получения корректных данных ждать пришлось бы многие десятилетия. Сегодня при секвенировании молекулу сначала разрезают на части, при этом каждый кусочек еще и размножают — для подстраховки, чтобы не пропустить ошибку. Затем кусочки читают параллельно: основания метят с помощью красителей четырех цветов, где каждый цвет соответствует определенной "букве". Затем с помощью лазера цвет проявляют, а детектор его фиксирует. Последовательность световых сигналов переводится на компьютере в последовательность оснований. На выходе ученые получают файл, содержащий буквенную запись. Но это еще не геном. Это "сырые" данные, объем которых во много раз превышает реальный объем генома. С помощью компьютерных программ ученые реконструируют геном — сличают отдельные кусочки, удаляют повторы и ошибки. Когда последовательность собрана, нужно еще понять, что она значит. Для этого находят участки, похожие на гены, и сравнивают с базой уже известных генов. Затем ученые составляют физические карты хромосом. Парадокс, который мы находим в геноме Парадокс — это утверждение, которое, несмотря на кажущиеся здравыми рассуждения из истинных предпосылок, приводит к внутренне противоречивому или логически неприемлемому заключению. В геномах мы находим два явных парадокса. Первый относится к C-значению, которое представляет собой количество ДНК в геноме. Как и следовало ожидать, чем крупнее и сложнее организм, тем больше будет размер его генома. Однако это неверно, потому что этой корреляции нет. Это связано с тем, что геном содержит не только кодирующий геном и белки, но и повторяющуюся ДНК. Кроме того, наиболее компактные геномы обнаруживаются у менее сложных организмов. Второй парадокс относится к значению G, которое представляет количество генов. Нет никакой корреляции между количеством генов и его сложностью. Ярким примером является то, что в геноме человека насчитывается около 20 000 генов, а у Arabidopsis thaliana (травянистого растения) — 25 000 генов. Причина кроется в более сложном мире РНК, связанной с регуляцией генов. Проект геном человека (HGP) Проект секвенирования генома человека был самым важным биомедицинским исследовательским проектом за всю историю. С бюджетом в 3 тысячи миллионов долларов и участием Международного общественного консорциума, в состав которого вошли ЕАЭС, Великобритания, Япония, Франция, Германия, Китай и другие страны. Его конечной целью было получение полной последовательности генома человека. Это началось в 1990 году, но все усложнилось, когда в 1999 году появилась частная компания Celera Genomics во главе с ученым Крейгом Дж. Вентером, который поставил перед собой задачу получить последовательность человека в рекордно короткие сроки, раньше, чем ожидалось общественностью. В итоге было решено оставить вничью. Общественный консорциум ускорил процесс и практически одновременно получил проект. 26 июня 2000 года на церемонии в Белом доме с президентом Биллом Клинтоном были найдены два ведущих представителя конкурирующих сторон, Крейг Вентер из Celera и директор Общественного консорциума Фрэнсис Коллинз. Он объявил о достижении двух черновиков полной последовательности генома человека. Это был исторический момент, как открытие двойной спирали или первый полет человека на Луну. Соответствующие публикации обеих последовательностей не появлялись до февраля 2001 г. Общественный консорциум опубликовал свою последовательность в журнале Nature, а Celera — в журнале Science. Три года спустя, в 2004 году, Консорциум опубликовал окончательную или полную версию генома человека. Расшифровка данных была закончена только в 2022-м. Впрочем, и она была неполной. Почему остаток генома расшифровали только сейчас? В начале 2000-х годов ученым удалось определить последовательность большинства участков — примерно 92% всего генома. Но с расшифровкой оставшейся части пришлось повременить. Сложность была в том, что эти 8% состояли из большого числа коротких повторяющихся участков. У вас есть сотни участков, неотличимых друг от друга. Как сложить их в структурные единицы? Технологии того времени этого не позволяли. Останавливало ученых и то, что эта ДНК считалась вспомогательной и потому не особенно важной. Закончить работу удалось лишь спустя два десятка лет, с помощью новейших методов секвенирования, которые использовал научный консорциум Telomere-to-Telomere: Oxford Nanopore DNA и PacBio HiFi. Первый за одно прочтение может покрыть до миллиона "букв" с умеренной степенью точности, второй — около 20 тыс., зато практически без ошибок. Сочетание этих двух методов позволило эффективно и быстро секвенировать оставшиеся части. О чем рассказали новые данные? По словам ученых, им удалось открыть 99 новых генов, которые кодируют белки, и примерно две тысячи генов-кандидатов, роль которых только предстоит изучить. Часть новооткрытых генов отвечают за иммунную реакцию на вирусы и другие патогены; другие участвуют в том, как клетка реагирует на некоторые лекарства; еще часть отвечает за размер нашего мозга. Значительная часть этих новых открытий связана с двумя очень важными структурами хромосом: теломерами и центромерами. Первые — это своего рода колпачки, защищающие ДНК от повреждений при делении клетки. Чем больше делений переживает клетка, тем короче становятся теломеры. Это снижает эффективность их защитной функции. Теломеры связаны со старением организма, поэтому их изучение необходимо для понимания этого процесса. Что касается центромер, то это центральная структура, с помощью которой соединяются две части (плеча) хромосомы. Центромеры играют важную роль в делении клеток, обеспечивая равномерное распределение генетического материала и не допуская появление клеток с большим или меньшим количеством хромосом, чем нужно. Как объяснил в своем заявлении один из членов группы, Эван Эйхлер, "полная последовательность генома показывает, что некоторые гены, связанные с мозгом, сильно различаются". Например, у одного человека может быть десять копий определенного гена, а у других — только одна или две. Это может дать много подсказок об индивидуальных различиях в мышлении и психике. Что дальше? Ученые ожидали, что информация о геноме откроет путь к созданию новых лекарств, обеспечит прорыв в здравоохранении. Однако со временем этот взгляд изменился. Оказалось, что знать роль только человеческих генов недостаточно. Например, здоровье человека определяется и геномом организмов, которые с ним сосуществуют, — бактерий, вирусов, грибков. Кроме того, важно составлять банки геномов целых человеческих популяций — это дает представление о генетическом разнообразии людей. Например, о том, как влияют на здоровье те или иные вариации (полиморфизмы) одного гена. Этим занимается проект "Тысяча геномов", который нацелен на сбор и расшифровку геномов людей из разных частей планеты. Создаются национальные банки ДНК: исландская компания deCODE genetics, например, собрала генетическую информацию о двух третьих населения Исландии. Эти данные используются для развития персонализированной медицины — индивидуального подхода к терапии на основании генетических данных пациента. Например, на основе генома можно понять, как подействует на раковую опухоль та или иная комбинация препаратов. Анализируя мутации, обнаруженные в геномных данных младенца, можно будет предсказать и предупредить развитие болезни. |