Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Надежды и опасения

Л. Львова, канд. биол. наук

В современном понимании память — процесс приобретения, хранения и воспроизведения заученного. Стремление разобраться в этом процессе породило немало концепций. Все они способны более или менее логично объяснить определенный круг экспериментально установленных фактов. Но если не понять, то хотя бы приблизиться к окончательному пониманию движущих механизмов этого процесса, «дозволено» лишь одной концепции — системно селекционной. Приблизиться, увидеть перспективы и… ужаснуться…

Вариации на тему Декарта

Более трехсот лет назад Декарт связал память с порами в мозге. Точнее, с тем, что эти поры, через которые дух проходил раньше, становятся все более проходимыми, когда дух проходит через них снова. На этой идее основаны и многие современные концепции памяти. Среди них — концепция временной организации памяти, концепция состояний памяти и концепции распределенности памяти.

Отправной точкой в создании временной концепции стал эксперимент Г. Мюллера и А. Пильзекера по запоминанию слогов, показавший, что в течение часа кратковременная и легко нарушаемая память трансформируется в память устойчивую и долговременную, соизмеримую с продолжительностью жизни. Обнаруженный феномен исследователи назвали консолидацией памяти. Но объяснить его не смогли. Почти полвека спустя, в 1949 году, это сделал Хебб, предположив, что формирование кратковременной памяти обеспечивает реверберация (т. е. многократное прохождение нервного импульса по одному и тому же пути, через одни те же синаптические контакты) замкнутого «клеточного ансамбля», вовлеченного в обучение. Через определенное время, с появлением последствий реверберации в виде морфофункциональных и биохимических изменений в синапсах нейронов кратковременная память превращается в долговременную. Если же прохождение нервного импульса каким-то образом заблокировать или прервать, трансформация не состоится по причине физического «стирания» памяти.

Надо сказать, что временная концепция позволила объяснить многие экспериментально обнаруженные факты, в том числе и развитие ретроградной амнезии у животных, на которых практически сразу же после обучения воздействовали электрошоком. Более того, оказалось, что «всплеск» синтеза новых белков, наблюдаемый при запоминании информации, по длительности совпадает с периодом консолидации памяти, обнаруженным в свое время Г. Мюллером и А. Пильзекером. Однако были и другие факты. Факты, опровергающие ключевые положения гипотезы Хебба. Это и амнезия, вызванная отсроченным (относительно обучения) электрошоком. И спонтанное восстановление памяти после действия амнестического электрошока. И восстановление памяти путем «напоминания» (т. е. воздействием на перенесших электрошок животных раздражителем, значительно уступающим по силе «обучающему» и самостоятельным обучающим эффектом не обладающим). Необъяснимые с позиций временной концепции эти данные послужили толчком для создания новой концепции — концепции состояний памяти.

В рамках этой концепции память перестали делить на кратковременную и долговременную — ее стали рассматривать как некое единое свойство. Свойство, способное существовать в двух состояниях: активном и пассивном (или латент- ном). Активная память существует в виде электрических процессов, в основе которых лежит определенный «молекулярный субстрат», и поэтому готова к реализации в данный момент времени. В латентном состоянии электрическая активность нейронов заблокирована из-за неспособности молекулярных носителей «реализовать» свои возможности, из-за чего она не готова к непосред- ственному воспроизведению.

С такой точки зрения ретроградная амнезия есть не что иное, как переход памяти из активного состояния в пассивное. Кратковременная память — как новая часть активной памяти, которую можно актуализировать как непосред- ственно, так и через «подсказку», к примеру, прибегнув к напоминанию.

В пользу правомочности подобного функционального деления свидетель- ствует хотя бы то, что амнестический шок, не «подрывая» молекулярной базы памяти, временно блокирует ее воспроизведение, не позволяя молекулярным носителям перейти на качественно иной уровень — уровень электрической активности. Правда, молекулярные механизмы перевода пассивной памяти в активную пока остаются загадкой. И не только для авторов концепции состояний памяти — неизвестны они и создателям концепции распределенности памяти, которые, к слову говоря, начали с того, что попытались определить локализацию памяти. Однако результат оказался совершенно неожиданным: удаление даже достаточно больших участ- ков мозга не сказывалось на обучаемости животных и почти не влияло на их память. Исходя из этого, К. Лешли пришел к выводу о том, что «памяти нигде нет, но в то же время она повсюду». И что особенно важно, не имея определенной локализации, память в зависимости от обстоятельств считывается с нейронов различных структур мозга. Другими словами, нейронная цепь, которая опосредует актуализацию памяти в определенные моменты времени, подвержена функциональным перестройкам. То, что функциональные перестройки действительно имеют место, подтверждают экспериментально обнаруженное «блуждание» активных центров памяти и выявленная опытным путем взаимосвязь различных структур мозга с нарушениями памяти при локальных стимуляциях через разное время после обучения.

Как именно перестраиваются нейронные цепи, удалось выяснить в опытах на популяциях нейронов, выделенных из разных структур мозга.

Судя по результатам определения электрической активности нейронов, максимальный постсинаптический ответ на обучение у них приходится на разное время: у подавляющего большин- ства максимальный ответ был зафиксирован спустя 30–40 минут после обучения (они как бы продемонстрировали латентное обучение) и менее чем у 14% клеток — сразу же по завершении обучения. При этом у нейронов, достигших наивысшего состояния активности памяти, с каждой следующей серией обучения пик активности отодвигался все дальше, а активная память сохранялась все дольше. Когда же одна группа клеток утрачивала активную память, другая — тут же ее приобретала. И так продолжалось до тех пор, пока нейронный ансамбль не исчерпывал отведенный ему временной резерв. После чего память полностью переходила в латентное состояние, из которого ее могло вывести «напоминание» с помощью каких-то, неведомых пока никому, механизмов.

Новый взгляд на старую проблему

В отличие от адептов трех вышеопис- анных концепций, сторонники системного подхода не рассматривают нейрон как проводник возбуждения, из-за чего проблема увеличения эффективности проведения нервного импульса (в терминологии Декарта, увеличение проходимости пор) отпадает сама собой. С системных позиций формирование нового поведения равносильно формированию новой системы совместно активирующихся нейронов, локализованных в разных структурах мозга и далеко не всегда связанных прямыми влияниями.

В частности, в рамках системно-селекционной концепции научение трактуется как процесс селекции и прогрессивной специализации нейронов. А формирование новой нейрональной системы рассматривается как формирование нового элемента индивидуального опыта в процессе обучения.

Согласно этой концепции каждая группа нейронов мозга, имея свою специфику, обусловленную генетическими и эпигенетическими* модификациями, при определенных изменениях внешней среды активируется по-своему. Отбор нейро нов в группы осуществляется как на ранних этапах индивидуального развития, при созревании мозга, так и при обучении, в процессе поведенческого взаимодействия со средой. При созревании мозга, сопровождающегося гибелью множества нейронов, формируется первичный ассортимент, при обучении — вторичный, предположительно, из «резерва» низкоактивных или молчащих клеток. Не исключено, что в формировании новых систем участвуют и вновь образовавшиеся нейроны. Хотя бы потому, что по завершении миграции у новых нейронов спайковая активность — в отличие от синаптической — появляется не сразу. Другими словами, их вовлечение в совместную деятельность (как, возможно, и вовлечение «резервных» клеток в специализацию) сопровождается переходом от «молчания» к импульсации.

*эпигенетические модификации - изменения, происходящие в процессе зародышевого развития.

О правомочности допущения свидетельствуют и данные о том, что искусственное подавление неонейрогенеза нарушает формирование памяти. Еще одним аргументом в пользу этого предположения является то, что у канареек среди нейронов вентрального гипер- стриатума, специализированных относительно новой песни, были обнаружены вновь появившиеся нейроны.

Но как бы там ни было, откуда бы ни «рекрутировались» нейроны в новые системы, главное, что отобранные клетки приобретают специализацию относительно новой системы, формируемой при обучении. И поскольку системная специализация нейронов отличается постоянством, новая система просто добавляется к «старым», как бы «наслаиваясь» на них. (Иначе говоря, в рамках системно-селекционной системы формирование памяти представляет собой специализацию группы «рекрутированных» нейронов относительно вновь формируемой системы и «присоединение» этой системы к ранее сформированным системам.) Однако самое любопытное, что реализацию поведения обеспечивают не только новые системы, сформированные при обучении актам, составляющим это поведение, но и множество старых, сформированных на предыдущих стадиях индивидуального развития. Это доказано в экспериментах с регистрацией активности нейронов, специализированных относительно систем «разного» возраста. И еще в этих экспериментах доказано, что один и тот же нейрон из старой системы может участвовать в осуществлении разных поведенческих актов за счет согласования своей собственной активности с активностью той или иной группы нейронов.

Другими словами, в реализации поведения отражается история его формирования — история множества систем, связанных с этапами становления этого поведения.

Это означает, что внешне одинаковое поведение с разной историей формирования имеет различное нейрональное обеспечение. А следовательно, и разную структуру памяти, актуализируемую при его реализации, чем, кстати говоря, объясняется и различное поведение разных людей в одной и той же жизненной ситуации.

Как ни удивительно, задолго до появления системно-селекционной концепции верность системного подхода доказал И. Павлов, показав, что прибавление новых условных рефлексов незамедлительно сказывается на состоянии прежних. В последние годы в экспериментах с определением системной специализации нейронов при последовательном формировании разных поведенческих актов были получены данные, свидетельствующие об изменении ранее сформированной системы поведенческого акта после обучения следующему акту. А в опытах с регистрацией нейронной активности у животных, сначала обученных добывать пищу и затем — алкоголь, было обнаружено, что наряду с нейронами, специализировавшимся относительно алкогольдобывающего поведения, в обеспечении этого поведения участвует и «старая», специализированная относительно пищедобывающего поведения. Но в модифицированном виде. (Такая модификация «старой» системы получила название аккомодационной реконсолидации.)

Последнее обстоятельство, на взгляд известного российского ученого Ю. Алек- сандрова, явно свидетельствует о том, что при анализе формирования памяти нужно учитывать не только появление ее новых элементов, но и модификацию «старых», сформированных ранее элементов. С этой точки зрения консолидация памяти включает две группы неразрывно связанных процессов:

• процессы системной специализации, обусловленные морфологической и функциональной модификацией нейронов, которая, в свою очередь, связана с их вовлечением во вновь формируемую систему;
• процессы аккомодационной реконсолидации, обусловленные включением «старой» системы в структуру памяти индивида, или, что то же самое, морфологической и функциональной модификацией нейронов ранее сформированных систем.

Основы памяти

Первым и, пожалуй, важнейшим шагом в понимании молекулярных механизмов консолидации памяти стало открытие сорокалетней давности, показавшее, что переход кратковременной памяти в долговременную нуждается в синтезе новых молекул РНК и белка (т.е. в экспрессии генов). Вдобавок обнаружилось, что химическая блокада экспрессии генов в «переходный период» препятствует образованию долговременной памяти. Но какие именно гены активируются в процессе обучения и какие именно функции они выполняют в нервных клетках, удалось выяснить только много лет спустя.

Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении, оказались «непосредственные ранние гены» (они же «гены первичного ответа», они же «гены раннего ответа» или просто «ранние гены»), кодирующие транскрипционные факторы. Сами же «ранние гены» были впервые идентифицированы в культуре клеток при изучении механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла. Эти гены — тогда еще безымянные — активизировались через несколько минут после добавления в клеточную культуру факторов роста и никак не реагировали на введение ингибиторов синтеза белка. Словом, как и «непосредственные ранние гены» ДНК-вирусов, они были заранее «готовы» к восприятию внеклеточного сигнала, из-за чего, соб- ственно, и получили свое название.

Первыми идентифицированными продуктами «ранних генов» оказались ядерные белки, связывающиеся с ДНК и регулирующие транскрипцию других генов, которых, опять-таки по аналогии с вирусными генами, стали называть «поздними генами», «генами позднего ответа» или «эффекторными генами».

Первым из семейства «поздних генов» был клонирован ген c-jun.

Первым из семейства «ранних генов» был клонирован ген c-fos.

Поначалу было установлено, что он играет важную роль на ранних стадиях индивидуального развития, регулируя рост и пролиферацию клеток в процессе эмбрионального развития. Потом оказалось, что ген c-fos «функционирует» и в мозге обучающихся взрослых животных. Судя по тому, что при различных формах обучения у разных животных избирательная блокада активности гена c-fos (т. е. подавление трансляции его матричной РНК) вызывала нарушение долговременной памяти, в формировании памяти его роль столь же значима, как и при созревании мозга в раннем онтогенезе. Потом оказалось, что столь же важную роль — как на ранних стадиях онтогенеза, так и в процессе формирования памяти индивида — могут играть и другие члены семейства «ранних генов»: их экспрессия, как и экспрессия гена c-fos, запускает каскад молекулярно-генетических процессов, обусловливающих морфологические изменения нейронов. И что характерно, в обоих случаях срабатывает один и тот же двухфазный механизм: кратковременный — примерно двухчасовой — процесс активации «ранних генов» посредством факторов роста, медиаторов и гормонов, на смену которому приходит экспрессия «поздних генов». В том числе генов синаптических белков, которые, изменяя связи нейронов, определяют их функциональную специализацию в системе межклеточных отношений и генов морфорегуляторных молекул, имеющих непосредственное отношение к морфологическим модификациям нейронов. (Например, к изменению размеров и числа синапсов, наблюдаемому при консолидации памяти.)

Выявленное сходство настолько велико, что на молекулярно-генетическом уровне процессы, сопряженные с развитием мозга в раннем онтогенезе, и процессы формирования памяти практически неотличимы. Различие между ними становится очевидным только при системном подходе. Заключается же это различие «в смене руководства»: если в раннем онтогенезе экспрессия генов контролируется исключительно клеточными и молекулярными взаимодействиями, то при формировании памяти она переходит под контроль когнитивных процессов.

Учитывая, что с точки зрения системно-селекционной концепции обучение предполагает формирование специализаций нейронов относительно новой системы, российские исследователи выдвинули вполне логичное предположение о связи экспрессии «ранних генов» с формированием специализаций. А затем и подтвердили его экспериментально, зафиксировав достоверное увеличение экспрессии «ранних генов» именно в тех мозговых структурах, где после обучения достоверно возрастало количество специализированных нейронов.

Те же исследователи решили выяснить влияние предыдущего индивидуального опыта и субъективной новизны того или иного события на активацию «ранних генов» в клетках мозга, для чего поставили следующий эксперимент. Поместили подопытных мышей в камеру, где ежедневно, на протяжении довольно длительного времени наносили им неизбегаемые электрокожные раздражения.

Первые несколько дней процедура вызывала массивную активацию гена c-fos в разных структурах мозга — коре, гиппокампе и мозжечке. По прошествии шести дней электрокожное раздражение никакой активации гена c-fos в клетках мозга не индуцировало — воздействие утратило свою новизну и перешло для животных в категорию ожидаемых событий в системах их индивидуального опыта. Еще нагляднее этот феномен проявился у животных специальной группы.

На протяжении пяти дней этим животным проводили электрокожную стимуляцию. На шестой день их поместили в ту же камеру, но раздражения не наносили. Отсутствие стимуляции вызвало у мышей парадоксальный, на первый взгляд, эффект — значительную активацию гена c-fos, особенно в клетках гиппокампа. Обнаруженный эффект исследователи объяснили тем, что экспрессия гена c-fos связана не с внешними стимулами, действующими на мозг, а их несоответствием материалу индивидуальной памяти. Если же продолжить логическую цепочку, то получается, что и на поведенческом, и на молекулярном уровнях все события можно свести к попыткам устранить рассогласование с предыдущим опытом, приспособиться к новым условиям существования. И, судя по имеющимся данным, происходит это не только при обучении и развитии мозга. Стресс, голод, поражения нервной системы или ишемия мозга тоже вызывают активацию «ранних генов». Кроме того, есть сведения о том, что после локальных повреждений мозга, восстановление поведения обеспечивают развивающиеся в интактных структурах мозга процессы реорганизации, напоминающие пластические перестройки при обучении. Имеются также данные о схожести механизмов «долгосрочных адаптаций» к хроническому воздействию психоактивных веществ и механизмов формирования долговременной памяти, а также полной идентичности адаптации, возникающей при хроническом употреблении алкоголя, модификациям, лежащим в основе формирования нового опыта. (К коим относятся перестройки нейронов, связанные с формированием новых специализаций нейронов относительно алкогольдобывающего поведения, и процессы аккомодационной реконсолидации преморбидных, т. е. сформированных до возникновения потребности в алкоголе — специализаций.)

Однако при всем при этом восстановление в патологии имеет свою специфику: в патологии нейроны не могут согласовать свои «потребности», используя «старый» опыт. Они вынуждены искать новые пути для устранения рассогласования.

P. S. Нейрохимические исследования последних лет показали, что на генном уровне можно регулировать скорость запоминания информации и его (т. е. запоминания) эффективность. Однако, на взгляд автора двухфазной модели активации генов К. Анохина, обольщаться по этому поводу не стоит. Возможность можно использовать во благо, улучшить «подпорченную» память (чего до сих пор никому не удавалось). Можно и во вред — ослабить или, что гораздо хуже, вообще уничтожить память. Чем чреват второй вариант, догадаться нетрудно.

Литература

1. Сакбаев А. А. Концепции памяти //http://flogiston.ru
2. Александров Ю. И. Научение как образование «следов» и как системогенез // www.neyrosciense.ru
3. Анохин К. В. Обучение и память в молекулярно-генетической перспективе // Двенадцатые Сечененовские чтения.— М., 1996.
4. Анохин К. В. Психофизиология и молекулярная генетика мозга / Основы психофизиологии. Под. ред. Ю. И. Александрова.— СПб., 2001.

Практических результатов по увеличению максимальной продолжительности жизни человека следует ожидать от полной расшифровки генома человека.

Уже известный нам американский ученый Джеймс Уотсон в 1988 г. инициировал создание международного проекта «Геном человека».

Цель проекта - выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению.

Проект состоял из пяти основных этапов:

Составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более чем на 2 млн оснований, на языке специалистов – с разрешением 2 Мб (мегабаза - от англ. слова «base» - основание);
завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
нанесение на карту с разрешением в 1 Мб основание всех генов человека.

Следует отметить, что это один из самых дорогих научных проектов в истории изучения генетики. В проекте заняты тысячи специалистов из разных стран мира – биологи, химики, математики, физики и технические специалисты.

На реализацию проекта было потрачено в 1990 г. 60 млн долл., в 1991 г. - 135 млн, в 1992–1995 гг. - от 165 до 187 млн в год.

Самый значительный вклад в финансирование этого проекта внесли США, Великобритания, Германия, Франция и Япония. Только США израсходовали в 1996–1998 гг. соответственно 200, 225 и 253 млн долл.

Ученые разных стран вели исследования, финансируемые из государственных бюджетов, и объединяли их результаты в едином банке данных.

Лидеры стран «большой восьмерки» на саммите на острове Окинава в июле 2000 г. официально объявили о том, что расшифрован геном человека.

По мнению специалистов, 85% информации абсолютно достоверны, т.е. последовательность ДНК в этом объеме перепроверена не один раз, и разночтения больше не выявляются.

Среди наиболее значимых результатов расшифровки генома человека следует выделить следующие:

Определено примерное число генов человека, их оказалось 23 000, а не 80 000, как предполагалось ранее;
генетические инструкции по формированию личности занимают меньше двух с половиной сантиметров на двухметровой ленте ДНК, заключенной практически внутри каждой клетки тела. Что удивляет самих ученых – насколько малая часть человеческого генома напрямую участвует в построении организма;
количество генов, несущих эти инструкции, – всего в пять раз больше, чем нужно для взращивания мухи;
из 3 млрд генетических букв, составляющих человеческие гены, которые образуют ДНК, 99,9% одни и те же. Всего одна десятая процента и есть наша индивидуальность, что делает нас теми, кто мы есть – красивыми и не очень, здоровыми или больными, умными или глупыми, добрыми или, наоборот, жестокими;
женская яйцеклетка является и главным источником эволюционных новаций;
основную ответственность за генетические ошибки несет мужская сперма, в которой содержится вдвое больше мутаций, чем в женской яйцеклетке.

Кроме того, реализация международного проекта «Геном человека» дала толчок развитию передовых технологий в самых разных отраслях, привела к появлению новых подходов в изучении вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине.

Появилась новая отрасль - фармокогенетика.

Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для идентификации личности. Разработан метод «генетической дактилоскопии».

По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии.

Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных методов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов изучения, как муха дрозофила и круглый червь нематода.

Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.

Оказалось, что человек незначительно отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тыс. генов. Гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего.

Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, других вирусов. Найден ген, мутация которого может защитить человека от заражения вирусом иммунодефицита.

Однако следует подчеркнуть, что исследования по определению последовательности нуклеотидов в ДНК, которые были объявлены как завершенные, это еще не расшифровка генома.

Пройден принципиально важный, но только начальный технологический этап расшифровки генома. Расшифровать - значит понять смысл написанного.

Однако пока существует написанный длинный-длинный текст размером около 3 млрд букв. Но ученые до конца не понимают эту «клинопись». О некоторых участках ДНК уже имеется определенная информация, о других ничего не известно.

Изучена структура в лучшем случае 6–8 тыс. генов, но это только часть генома. О существовании 90% генов и кодируемых ими белковых молекул, регулирующих работу человеческого организма, ученые до сих пор даже не подозревали.

Имея структурную карту ДНК, можно перейти к основному этапу работы – изучению неизвестных участков ДНК, распознаванию неизвестных генов и их функций в организме. Следует выяснить, какие биологически активные и важные для нормального метаболизма вещества они кодируют.

Если болезнь окажется наследственной, зная механизм патологии, то есть к чему приводит та или иная мутация, можно будет найти подходы к лечению.

Если мутация приводит к нехватке какого-либо белка, этот белок восполняется через питание или инъекции. Кроме того белок активируют или инактивируют с помощью лекарственных средств или методов генной терапии. В Америке эта программа уже реализуется по всем известным мутациям в известных генах.

В России в настоящее время диагностируется примерно 30 наследственных заболеваний. Однако важно не только определить функцию того или иного гена, но и понять, как он ведет себя на протяжении всей жизни.

Мало знать, что функция гена гемоглобина – переносить кислород, надо знать, почему способность белка связывать кислород с возрастом слабеет и что происходит в гене. Все это тоже предстоит тщательно изучить.

По мнению специалистов, окончательная расшифровка генома человека может занять не менее 100 лет. Что можно ждать от геномных исследований в ближайшие 40 лет?

Приведем прогноз Фрэнсиса Коллинза, руководителя программы «Геном человека» (США).

Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний. Генная терапия применяется при лечении до 25 наследственных заболеваний.

Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика.

В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем.
2020 г.

На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.

Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей.

Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств.

Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде.

Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой примерно 1000 долл.

Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.

Основные сферы здравоохранения и методы лечения основаны на геномике.
Предрасположенность к большинству заболеваний определяется ещё до рождения.

Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида.
Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

Для многих заболеваний доступна генная терапия, направленная на исправление «больных генов» или замену «испорченных» генов на «здоровые».

Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет.

В 2007 г. был запущен очередной международный проект, получивший название «Энциклопедия ДНК» (Encode). За пять лет ученым удалось проанализировать все 3 млрд пар генетического кода, составляющих человеческую ДНК.

Анализом ДНК занимались более 400 специалистов из 32 научных лабораторий в Великобритании, США, Сингапуре, Испании и Японии.

Международная группа генетиков обнаружила, что огромная часть генетического кода человека, которая ранее считалась нефункциональной, является активной.

Это выяснилось после того, как специалисты получили самую точную в истории карту человеческого генома, расшифровав почти 100% цепочки ДНК.

До сих пор основное внимание ученых было сосредоточено на генах, кодирующих белок. Они составляли всего 2% генома. В то же время совершенно упускалась из виду остальная масса, составляющая ДНК, так как ранее считалось, что она неактивна, и специалисты даже называли ее «мусорным геномом».

Ученые выяснили, что смысловую нагрузку несет всего около 1% генома. Все остальные участки ДНК дают инструкции, позволяющие этому 1% реализоваться. Сами они не несут информации, но указывают, в какой момент тот или иной ген должен заработать. То есть являются своеобразными переключателями.

Образно говоря, это все равно что книга с сюжетом, описанным на четырех страницах, где нет ни обозначения главных героев, ни места действия, ни последовательности событий.

Результаты данного фундаментального исследования имеют огромное значение для общей биологии, поскольку проливают свет на механизмы реализации генетической информации на уровне всего генома.

Расшифровка генома позволит создавать действенные ДНК-препараты., что в конечном итоге, приведет к новым эффективным методам лечения многих заболеваний.

Очевидно, что у достижений генетиков есть много сторонников и противников. В частности консерватизм и неприятие новаций связаны прежде всего с боязнью непредсказуемости результатов.

Кроме того, существует серьезная психологическая проблема. Открытия генетиков в какой-то степени влияют на мировоззрение человека.

Появляется реальная возможность заглянуть внутрь человека и что-то там исправить. Люди начинают чувствовать себя беспомощными участниками эксперимента. Многие боятся неожиданного, ошеломляющего результата, боятся узнать о себе такое, что может изменить само представление о человеке и его месте в современном мире.

Таким образом, чтобы устранить все препоны к долгой жизни необходимо в ближайшем будущем с помощью генома человека решить следующие проблемы:

Каталогизировать гены, участвующие в процессе старения;
исключить хромосомные мутации и мутации в митохондриях;
научиться полноценному восполнению потери клеток;
решить проблему утилизации внутри- и внеклеточного мусора;
избавиться от внеклеточных перекрестных связей.

Решить указанные проблемы поможет использование потенциальных возможностей стволовых клеток и развитие нанотехнологий.

Следует обратить внимание на то, что важной особенностью нашей генетической памяти является то, что в ней хранится «архив» всей нашей жизни.

По всей видимости, есть информация о том какими вы были в детстве и как выглядели в юности, какими стали в зрелости, как выглядим и каково наше здоровье теперь.

Вероятно, клетки «помнят» все физические копии вашего организма, начиная с рождения и до сегодняшнего дня.

Осталось дело за малым – научиться находить эти копии и возвращаться к ним, запуская соответствующие программы.

Проект «Геном человека» является наиболее амбициозной биологической исследовательской программой за всю историю науки. Знание генома человека внесет неоценимый вклад в развитие медицины и биологии человека. Исследования человеческого генома так же необходимо человечеству, как когда-то было необходимо знание человеческой анатомии. Осознание этого пришло в 1980-х, и это привело к тому, что появился проект «Геном человека». В 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А. А. Баев (1904–1994). С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Вклад России в международное сотрудничество признан в мире: 70 отечественных исследователей являются членами HUGO.

Итак, прошло 10 лет с того времени, когда проект «Геном человека» был завершен. Есть повод вспомнить, как это было...

В 1990 г. при поддержке министерства энергетики США, а также Великобритании, Франции, Японии, Китая и Германии, был запущен этот трехмиллиардный проект. Возглавил его д-р Фрэнсис Коллинз, глава . Целями проекта являлись:

• идентификация 20 000–25 000 генов ДНК;
• определение последовательности 3 млрд. пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и сохранение этой информации в базе данных;
• усовершенствование приборов для анализа данных;
• внедрение новейших технологий в область частного использования;
• исследование этических, правовых и социальных вопросов, возникающих при расшифровке генома.

В 1998 г. аналогичный проект был запущен д-ром Крейгом Вентером и его фирмой «Celera Genomics ». Д-р Вентер поставил перед своей командой задачу более быстрого и дешевого секвенирования человеческого генома (в отличие от трехмиллиардного международного проекта, бюджет проекта д-ра Вентера ограничивался 300 млн долл.). Кроме того, фирма «Celera Genomics » не собиралась открывать доступ к своим результатам.

6 июня 2000 г. президент США и премьер-министр Великобритании объявили о расшифровке человеческого генетического кода, и таким образом соревнование закончилось. На самом деле, был опубликован рабочий черновик человеческого генома, и лишь к 2003 г. он был расшифрован практически полностью, хотя и сегодня все еще проводят дополнительный анализ некоторых участков генома.

Тогда умы ученых были взбудоражены необыкновенными возможностями: новые, действующие на генетическом уровне лекарства, а значит, не за горами создание «персональной медицины», настроенной точно под генетический характер каждого отдельно взятого человека. Существовали, конечно, и опасения, что может быть создано генетически зависимое общество, в котором людей буду делить на высшие и низшие классы по их ДНК и соответственно ограничивать их возможности. Но все же была надежда, что этот проект окажется столь же прибыльным, сколь и Интернет.

И вдруг все затихло... надежды не оправдались... казалось, что 3 млрд долл., вложенных в эту затею, выброшены на ветер.

Нет, не совсем так. Быть может, полученные результаты не столь грандиозны, как предполагалось во времена зарождения проекта, но они позволят достичь в будущем значительных успехов в различных областях биологии и медицины.

В результате исполнения проекта «Геном человека» был создан открытый банк генокода. Общедоступность полученной информации позволила многим исследователям ускорить свою работу. Ф. Коллинз привел в качестве иллюстрации такой пример: «Поиск гена фиброзно-кистозной дегенерации был успешно завершен в 1989 г., что стало результатом нескольких лет исследований моей лаборатории и еще нескольких других и стоило США около 50 млн долл. Сейчас это способен сделать смышленый выпускник университета за несколько дней, и все, что ему понадобится, - это Интернет, несколько недорогих реактивов, термоциклический аппарат для увеличения специфичности сегментов ДНК и доступ к ДНК-секвенатору, читающему ее по световым сигналам».

Еще один важный результат проекта - дополнение истории человека. Раньше все данные об эволюции были почерпнуты из археологических находок, а расшифровка генокода не только дала возможность подтвердить теории археологов, но в будущем позволит точнее узнать историю эволюции как человека, так и биоты в целом. Как предполагается, анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов сможет открыть новые пути в исследовании теории эволюции, и во многих случаях вопросы эволюции теперь можно будет ставить в терминах молекулярной биологии. Такие важнейшие вехи в истории эволюции, как появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных, можно будет проследить на молекулярном уровне. Ожидается, что это позволит пролить свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами: приматами, неандертальцем (чей генокод недавно был реконструирован из 1,3 млрд фрагментов, подвергавшихся тысячелетнему разложению и загрязненных генетическими следами археологов, державших в руках останки этого существа), а также и всеми млекопитающими, и ответить на вопросы: какой же ген делает нас Homo sapiens , какие гены отвечают за наши поразительные таланты? Таким образом, поняв, как прочитать информацию о нас в генокоде, мы сможем узнать, как гены влияют на физические и умственные характеристики и даже на наше поведение. Возможно, в будущем, посмотрев на генетический код, можно будет не только предсказать, как будет выглядеть человек, но и, к примеру, будет ли у него актерский талант. Хотя, естественно, никогда нельзя будет это определить со 100%-ной точностью.

Кроме того, межвидовое сравнение покажет, чем отличается один вид от другого, как они разошлись на эволюционном древе. Межпопуляционное сравнение покажет, как этот вид эволюционирует. Сравнение ДНК отдельных особей внутри популяции покажет, чем объясняется различие особей одного вида, одной популяции. Наконец, сравнение ДНК различных клеток внутри одного организма поможет понять, как происходит дифференцирование тканей, как они развиваются и что идет не так в случае заболеваний, таких например, как рак.

Вскоре после расшифровки большей части генокода в 2003 г., ученые обнаружили, что существует гораздо меньше генов, чем они ожидали, но впоследствии убедились в противоположном. Традиционно ген определяли как участок ДНК, который кодирует белок. Однако, расшифровывая генокод, ученые выяснили, что 98,5% участков ДНК не кодируют белки, и назвали эту часть ДНК «бесполезной». И выяснилось, что эти 98,5% участков ДНК имеют едва ли не большее значение: именно эта часть ДНК отвечает за ее функционирование. Например, определенные участки ДНК содержат инструкции для получения похожих на ДНК, но небелковых молекул, так называемых двухцепочечных РНК. Эти молекулы являются частью молекулярно-генетического механизма, контролирующего активность гена (РНК-интерференция). Некоторые двухцепочечные РНК могут подавлять гены, препятствуя синтезу их белковых продуктов. Таким образом, если данные участки ДНК также считать генами, то их количество удвоится. В итоге исследования изменилось само представление о генах, и сейчас ученые считают, что ген - это единица наследственности, которую нельзя понимать как просто участок ДНК, кодирующий белки.

Можно сказать, что химический состав клетки - ее «хард», а информация, закодированная в ДНК, - предварительно загруженный «софт». Никто раньше и не предполагал, что клетка является чем-то большим, чем просто совокупностью составных частей, и что для ее построения недостаточно закодированной в ДНК информации, что столь же важным является процесс саморегулирования генома - и путем сообщения между соседними генами, и путем воздействия других молекул клетки.

Открытый доступ к информации позволит объединить опыт врачей, информацию о патологических случаях, результаты многолетнего изучения отдельных особей, и потому станет возможным соотнести генетическую информацию с данными анатомии, физиологии, поведения человека. И уже это сможет привести к лучшей медицинской диагностике и прогрессу в лечении.

Например, исследователь, изучающий определенную форму рака, сможет сузить круг поиска до одного гена. Сверив свои данные с данными открытой базы генома человека, он сможет проверить, что другие написали об этом гене, включая (потенциально) трехмерную структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими генами человека или с генами мышей, дрожжей или дрозофилы, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела, в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном, или другие данные.

Более того, понимание хода заболевания на уровне молекулярной биологии позволит создать новые терапевтические методы. Учитывая, что ДНК играет огромную роль в молекулярной биологии, а также ее центральное значение в функционировании и принципах работы живых клеток, углубление знаний в этой области откроет путь для новых методов лечения и открытий в различных областях медицины.

Наконец, и «персональная медицина» теперь кажется уже более реальной задачей. Д-р Уиллс выразил надежду, что лечение заболеваний путем замены поврежденного участка ДНК нормальным станет возможным уже в следующее десятилетие. Сейчас проблемой, препятствующей развитию такого метода лечения, является то, что ученые не умеют доставлять ген в клетку. Пока единственный известный способ доставки - заражение животного вирусом с необходимыми генами, но это опасный вариант. Однако д-р Уиллс предполагает, что в скором времени в этом направлении будет совершен прорыв.

Сегодня уже существуют простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак молочной железы, нарушение свертываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и др. Такие заболевания, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, как было выяснено, связаны не с общими для всех, а с огромным количеством редких, практически индивидуальных мутаций (причем не в одном гене, а в нескольких; например, мышечную дистрофию Шарко-Мари-Тут может вызвать мутация 39 генов), в результате чего эти болезни трудно поддаются диагностике и воздействию медицинских препаратов. Именно это открытие является одним из камней преткновения «персональной медицины», поскольку, прочитав генокод человека, пока невозможно точно определить состояние его здоровья. Исследуя генокоды разных людей, ученые были разочарованы результатом. Около 2000 участков ДНК человека статистически относилось к «болезненным», которые при этом не всегда относились к работающим генам, т. е. не представляли угрозы. Похоже, что эволюция избавляется от мутаций, вызывающих болезнь, до того, как они станут общими.

Проводя исследования, группа ученых в Сиэтле обнаружила, что из всего человеческого генокода лишь 60 генов претерпевают спонтанную мутацию каждое поколение. При этом мутировавшие гены могут вызвать различные заболевания. Так, если у каждого из родителей было по одному «испорченному» и одному «неиспорченному» гену, то у детей болезнь может и не проявиться или проявится в очень слабой форме, если они получат один «испорченный» и один «неиспорченный» ген, но если ребенок унаследует оба «испорченных» гена, то это может привести к болезни. К тому же, поняв, что общечеловеческие болезни вызываются индивидуальным мутациями, ученые пришли к выводу, что необходимо исследовать полностью весь генокод человека, а не его отдельные участки.

Несмотря на все затруднения, уже созданы первые генетические лекарства против рака, которые блокируют эффекты генетических отклонений, приводящих к росту опухолей. Также недавно было одобрено лекарство компании «Amgen » от остеопороза, которое основывается на том, что болезнь вызывается гиперактивностью определенного гена. Последнее достижение - проведение анализа биологических жидкостей на присутствие мутации определенного гена для диагностики рака толстой кишки. Такой тест позволит избавить людей от неприятной процедуры колоноскопии.

Итак, привычная биология ушла в прошлое, наступил час новой эры науки: постгеномной биологии. Она полностью развенчала идею витализма, и хотя в него уже больше столетия не верил ни один биолог, новая биология не оставила места и для призраков.

Не только интеллектуальные озарения играют важную роль в науке. Такие технические прорывы, как телескоп в астрономии, микроскоп в биологии, спектроскоп в химии, приводят к неожиданным и замечательным открытиям. Похожую революцию в геномике производят сейчас мощные компьютеры и информация, содержащаяся в ДНК.

Закон Мура говорит о том, что компьютеры увеличивают свою мощность вдвое примерно каждые два года. Таким образом, за последнее десятилетие их мощность возросла более чем в 30 раз при постоянно снижающейся цене. В геномике пока нет имени для аналогичного закона, но его следовало бы назвать законом Эрика Лэндера - по имени главы Broad Institute (Cambridge , Massachusetts , крупнейший американский центр, занимающийся расшифровкой ДНК). Он подсчитал, что по сравнению с прошлым десятилетием цена расшифровки ДНК снизилась на сотни тысяч долларов. При расшифровке последовательности геномов в International Human Genome Sequencing Consortium использовали метод, разработанный еще в 1975 г. Ф. Сенджером, что заняло 13 лет и стоило 3 млрд долл. А значит, расшифровка генетического кода была под силу только мощным компаниям или центрам по исследованию генетической последовательности. Сейчас, используя последние устройства для расшифровки от фирмы «Illumina » (San Diego , California ), человеческий геном может быть прочитан за 8 дней, и стоить это будет около 10 тыс. долл. Но и это не предел. Другая калифорнийская фирма, «Pacific Biosciences» и з Менло Парка, разработала способы, позволяющие прочитать геном всего с одной молекулы ДНК. Вполне возможно, что скоро расшифровка генома будет занимать минут 15 и стоить менее 1000 долл. Аналогичные разработки существуют и в «Oxford Nanopore Technologies » (Великобритания). Раньше фирмы использовали решетки проб ДНК (ДНК-чипы) и искали определенные генетические символы - SNP. Сейчас известно несколько десятков таких символов, но есть основания предполагать, что среди трех миллиардов «букв» генетического кода их гораздо больше.

До недавнего времени полностью было расшифровано всего несколько генокодов (в проекте «Геном человека» были использованы кусочки генокода множества людей, а затем собраны в единое целое). Среди них генокоды К. Вентера, Дж. Уотсона, д-ра Ст. Куэйка, двух корейцев, китайца, африканца, а также больного лейкемией, национальность которого ныне уже трудно установить. Теперь, с постепенным усовершенствованием техники чтения последовательностей генов, станет возможным расшифровка генокода все большего и большего числа людей. В будущем свой генокод сможет прочитать любой человек.

Кроме стоимости расшифровки, важным показателем является его точность. Считается, что приемлемым уровнем является не более одной ошибки в 10 000–100 000 символов. Сейчас уровень точности находится на уровне 1 ошибки в 20 000 символов.

На настоящий момент в США ведутся споры по поводу патентования «расшифрованных» генов. Однако многие исследователи считают, что патентование генов станет препятствием для развития науки. Главная стратегическая задача будущего сформулирована следующим образом: изучить однонуклеотидные вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить различия между индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возможность не только подойти к созданию индивидуальных генных «портретов» людей, что, в частности, позволит лучше лечить болезни, но и определить различия между популяциями, выявлять географические районы повышенного «генетического» риска, что поможет давать четкие рекомендации о необходимости очистки территорий от загрязнения и выявлять производства, на которых есть большая опасность поражения геномов персонала.

SNP - одиночный генетический символ, который меняется от человека к человеку. Его открыли специалисты «International HapMap Project », изучая такую мутацию генокода, как однонуклеотидный полиморфизм. Целью проекта по картированию участков ДНК, различных для разных этнических групп, был поиск уязвимости этих групп к отдельным заболеваниям и возможностей их преодоления. Эти исследования могут также подсказать, как человеческие популяции адаптировались к различным заболеваниям.

международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). Исходная идея проекта зародилась в 1984 среди группы физиков, работавших в Министерстве энергетики США и желавших заняться другой задачей после завершения работ в рамках ядерных проектов. В 1988 Объединенный комитет, куда входили Министерство энергетики США и Национальные институты здоровья, представили обширный проект, в задачи которого – помимо секвенирования генома человека – входило всестороннее изучение генетики бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши (эти организмы широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека). Кроме того, предусматривался детальный анализ этических и социальных проблем, возникающих в связи с работой над проектом. Комитету удалось убедить Конгресс выделить на проект 3 млрд. долларов (один нуклеотид ДНК – за один доллар), в чем немалую роль сыграл ставший во главе проекта Нобелевский лауреат Дж.Уотсон . Вскоре к проекту присоединились другие страны (Англия, Франция, Япония и др.). В России в 1988 с идеей секвенирования генома человека выступил академик А.А.Баев, и в 1 989 в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека».

В 1990 была создана Международная организация по изучению генома человека (

HUGO ), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д.Мирзабеков. С самого начала работ по геномному проекту ученые договорились об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Все 23 хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуру 3-й и 19-й хромосом. Вскоре финансирование этих работ в нашей стране было урезано, и реального участия в секвенировании Россия не принимала. Программа геномных исследований в нашей стране была полностью перестроена и сконцентрирована на новой области – биоинформатике, которая пытается с помощью математических методов понять и осмыслить все, что уже расшифровано.

Закончить работу предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005. Однако скорость секвенирования с каждым годом возрастала, и если в первые годы она составляла несколько миллионов нуклеотидных пар за год по всему миру, то на исходе 1999 частная американская фирма «

Celera », возглавляемая Дж.Вентером ( J . Venter ), расшифровывала не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Этого удалось достичь благодаря тому, что секвенирование осуществляли 250 роботизированных установок; они работали круглосуточно, функционировали в автоматическом режиме и сразу же передавали всю информацию непосредственно в банки данных, где она систематизировалась, аннотировалась и становилась доступной ученым всего мира. Кроме того, фирма « Celera » широко использовала данные, полученные в рамках Проекта другими его участниками, а также разного рода предварительные данные. 6 апреля 2000 состоялось заседание Комитета по науке Конгресса США, на котором Вентер заявил, что его компания завершила расшифровку нуклеотидной последовательности всех существенных фрагментов генома человека и что предварительная работа по составлению нуклеотидной последовательности всех генов (предполагалось, что их 80 тыс. и что они содержат примерно 3 млрд. нуклеотидов) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось.

Доклад был сделан в присутствии представителя

HUGO , крупнейшего специалиста по секвенированию д-ра Р.Уотерсона. Расшифрованный фирмой « Celera » геном принадлежал анонимному мужчине, т.е. содержал как X -, так и Y -хромосомы, а HUGO использовали в своих исследованиях материал, полученный от разных людей. Между Вентером и HUGO велись переговоры о совместной публикации результатов, однако они закончились безрезультатно из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. По мнению компании « Celera », об этом можно говорить лишь в том случае, если гены полностью секвенированы и известно, как расшифрованные сегменты располагаются в молекуле ДНК. Этому требованию удовлетворяли результаты « Celera », в то время как результаты HUGO не позволяли однозначно определить взаимное положение расшифрованных участков. В результате в феврале 2001 в специальных выпусках двух авторитетнейших научных журналов, « Science » и « Nature », были раздельно опубликованы результаты исследований « Celera » и HUGO и приведены полные нуклеотидные последовательности генома человека, охватывающие около 90% его длины. Общебиологическое значение исследований, проведенных в рамках Проекта. Исследования генома человека «потянули» за собой секвенирование геномов огромного числа других организмов, гораздо более простых; без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме. Их расшифровка ведется все возрастающими темпами. Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 генома бактерии Haemophilus influenzae , позже были полностью расшифрованы геномы более 20 бактерий, среди которых – возбудители туберкулеза , сыпного тифа , сифилиса и др. В 1996 картировали геном первой эукариотической клетки (клетки, содержащей оформленное ядро) – дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма – круглого червя Caenorhabolits elegans (нематоды). Завершена расшифровка генома первого насекомого – плодовой мушки дрозофилы и первого растения – арабидопсиса. У человека уже установлено строение двух самых маленьких хромосом – 21-й и 22-й. Все это создало основы для создания нового направления в биологии – сравнительной геномики.

Знание геномов бактерий, дрожжей и немтоды дает биологам-эволюционистам уникальную возможность сравнения не отдельных генов или их ансамблей, а целиком геномов. Эти гигантские объемы информации только начинают осмысливаться, и нет сомнения, что нас ждет появление новых концепций в биологической эволюции. Так, многие «личные» гены нематоды, в отличие от генов дрожжей, скорее всего связаны с межклеточными взаимодействиями, характерными именно для многоклеточных организмов. У человека генов только в 4–5 раз больше, чем у нематоды, следовательно, часть его генов должна иметь «родственников» среди известных теперь генов дрожжей и червя, что облегчает поиск новых генов человека. Функции неизвестных генов нематоды изучать гораздо проще, чем у аналогичных генов человека: в них легко вносить изменения (мутации) или выводить их из строя, одновременно прослеживая изменения свойств организма. Выявив биологическую роль генных продуктов у червя, можно экстраполировать эти данные на человека. Другой подход – подавление активности генов с помощью особых ингибиторов и отслеживание изменений в поведении организма.

Весьма нтересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает компьютерный анализ, у

C . elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно – занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы, межгенные участки и т.д., т.е. на ДНК с неизвестными функциями. Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Налицо парадокс: эволюция эукариот от низших форм к высшим сопряжена с «разбавлением» генома – на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации «ни о чем», на самом деле просто непонятой и непрочитанной нами. Много лет назад Ф.Крик , один из авторов «двойной спирали» – модели ДНК, – назвал эту ДНК «эгоистической», или «мусорной». Возможно, какая-то часть ДНК человека действительно относится к такому типу, однако теперь ясно, что основная доля «эгоистической» ДНК сохраняется в ходе эволюции и даже увеличивается, т.е. почему-то дает ее обладателю эволюционные преимущества. Никаких объяснений такого феномена в настоящее время не существует, и без детального анализа нуклеотидных последовательностей геномных ДНК их дать невозможно.

Еще один важный результат, имеющий общебиологическое (и практическое) значение – вариабельность генома. Вообще говоря, геном человека высококонсервативен. Мутации в нем могут либо повредить его, и тогда они приводят к тому или иному дефекту или гибели организма, либо оказаться нейтральными. Последние не подвергаются отбору, поскольку не имеют фенотипического проявления. Однако они могут распространяться в популяции, и если их доля превышает 1%, то говорят о полиморфизме (многообразии) генома. В геноме человека очень много участков, различающихся всего одним-двумя нуклеотидами, но передающихся из поколения в поколение. С одной стороны, этот феномен мешает исследователю, поскольку ему приходится разбираться, имеет ли место истинный полиморфизм или это просто ошибка секвенирования, а с другой – создает уникальную возможность для молекулярной идентификации отдельного организма. С теоретической точки зрения вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных.

Практические приложения. Самые большие надежды и ученые, и общество возлагают на возможность применения результатов секвенирования генома человека для лечения генетических заболеваний. К настоящему времени в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе и такие серьезные, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, хорея Гентингтона, наследственный рак молочной железы и яичников. Структуры этих генов полностью расшифрованы, а сами они клонированы. Еще в 1999 была установлена структура 22-й хромосомы и определены функции половины ее генов. С дефектами в них связано 27 различных заболеваний, в том числе шизофрения, миелолейкоз и трисомия 22 – вторая по распространенности причина спонтанных абортов. Самым эффективным способом лечения таких больных была бы замена дефектного гена здоровым. Для этого, во-первых, необходимо знать точную локализацию гена в геноме, а во-вторых – чтобы ген попал во все клетки организма (или хотя бы в большинство), а это при современных технологиях невозможно. Кроме того, даже попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается ею как чужой, и она пытается избавиться от него. Таким образом, «вылечить» удается только часть клеток и только на время. Еще одно серьезное препятствие на пути применения генной терапии – мультигенная природа многих заболеваний, т.е. их обусловленность более чем одним геном. Итак, массового применения генной терапии в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать, хотя успешные примеры такого рода уже есть: удалось добиться существенного облегчения состояния ребенка, страдающего тяжелым врожденным иммунодефицитом, путем введения ему нормальных копий поврежденного гена. Исследования в этой области ведутся по всему миру, и, может быть, успехи будут достигнуты раньше, чем предполагается, как это и произошло с секвенированием генома человека.

Еще одно важное применение результатов секвенирования – идентификация новых генов и выявление среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Так, есть данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыто уже семь генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Это позволит проводить раннюю (и даже пренатальную) диагностику заболеваний, предрасположенность к которым уже установлена.

Широкое применение несомненно найдет и еще один феномен: обнаружилось, что разные аллели одного гена могут обусловливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Фармацевтические компании планируют использовать эти данные для производства лекарств, предназначенных разным группам пациентов. Это поможет избежать побочных эффектов терапии, снизить миллионные затраты. Возникает целая новая отрасль – фармакогенетика, которая изучает, как те или иные особенности строения ДНК могут повлиять на эффективность лечения. Появятся совершенно новые подходы к созданию лекарственных средств, основанные на открытии новых генов и изучении их белковых продуктов. Это позволит перейти от неэффективного метода «проб и ошибок» к целенаправленному синтезу лекарственных веществ.

Важный практический аспект вариабельности генома – возможность идентификации личности. Чувствительность методов «геномной дактилоскопии» такова, что достаточно одной капли крови или слюны, одного волоса, чтобы с абсолютной достоверностью (99,9%) установить родственные связи между людьми. После секвенирования генома человека этот метод, использующий теперь не только специфические маркеры в ДНК, но и однонуклеотидный полиморфизм, станет еще более надежным. Вариабельность генома породила направление геномики – этногеномику. Этнические группы, населяющие Землю, имеют некоторые групповые генетические признаки, характерные для данного этноса. Получаемая информация в ряде случаев может подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы, циркулирующие в рамках таких дисциплин, как этнография, история, археология, лингвистика. Еще одно интересное направление – палеогеномика, занимающаяся исследованием древней ДНК, извлеченной из останков, найденных в могильниках и курганах.

Проблемы и опасения. Финансирование «геномной гонки» и участие в ней тысяч специалистов основывались прежде всего на постулате, что расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК сможет решить фундаментальные проблемы генетики. Оказалось, однако, что лишь 30% генома человека кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов в ходе развития. Каковы функции остальных участков ДНК и есть ли они вообще – остается совершенно неясным. Около 10% генома человека составляют так называемые Alu -элементы длиной 300 п.н. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции у приматов, и только у них. Попав к человеку, они размножались до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом, то образуя сгустки, то прерывая гены.

Другая проблема касается самих кодирующих участков ДНК. При чисто молекулярно-компьютерном анализе возведение этих участков в ранг генов требует соблюдения сугубо формальных критериев: есть в них знаки пунктуации, необходимые для прочитывания информации, или нет, т.е. синтезируется ли на них конкретный генный продукт и что он собой представляет. В то же время роль, время и место действия большинства потенциальных генов пока неясны. По мнению Вентера, для определения функций всех генов может потребоваться не меньше ста лет.

Далее необходимо договориться, что вкладывать в само понятие «геном». Часто под геномом понимается лишь генетический материал как таковой, однако с позиции генетики и цитологии его составляет не только структура элементов ДНК, но и характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать и как пойдет индивидуальное развитие при определенных условиях среды. И наконец, нельзя не упомянуть о феномене так называемой «неканонической наследственности», привлекшем к себе внимание в связи с эпидемией «коровьего бешенства». Эта болезнь стала распространяться в Великобритании в 1980-х годах после того, как в корм коровам стали добавлять переработанные головы овец, среди которых встречались овцы, больные скрэпи (нейродегенеративное заболевание). Сходная болезнь стала передаваться людям, употреблявшим в пищу мясо больных коров. Обнаружилось, что инфекционным агентом являются не ДНК или РНК, а белки прионы (от англ.

prions, protein infections particles , белковые инфекционные частицы). Проникая в клетку-хозяина, они изменяют конформацию нормальных белков-аналогов. Феномен прионов обнаружен также у дрожжей.

Таким образом, попытка представить расшифровку генома как чисто научно-техническую задачу несостоятельна. А между тем такой взгляд широко пропагандируется даже весьма авторитетными учеными. Так, в книге Код кодов

(The Code of Codes , 1993) У.Гилберт, открывший один из методов секвенирования ДНК, рассуждает о том, что определение нуклеотидной последовательности всей ДНК человека приведет к изменениям в наших представлениях о самих себе. «Три миллиарда пар оснований могут быть записаны на одном компакт-диске. И любой может вытащить из кармана свой диск и сказать: «Вот он – Я!» Между тем необходимо знать не только порядок следования звеньев в цепи ДНК и не только взаимное расположение генов и их функции. Важно выяснить характер связей между ними, который определяет, как гены будут работать в конкретных условиях – внутренних и внешних. Ведь многие болезни человека обусловливаются не дефектами в самих генах, а нарушениями их согласованных действий, системы их регуляции.

Расшифровка генома человека и других организмов не только привела к прогрессу во многих областях биологии, но и породило множество проблем. Одна из них – идея «генетического паспорта», в котором будет указано, несет ли данный человек опасную для здоровья мутацию. Предполагается, что эти сведения будут конфиденциальными, но никто не может гарантировать, что не произойдет утечки информации. Прецедент уже был в случае «генетической паспортизации» афроамериканцев с той целью, чтобы определить, являются ли они носителями гена гемоглобина, содержащего мутацию, которая связана с серповидноклеточной анемией. Эта мутация распространена в Африке в малярийных районах, и если она присутствует в одном аллеле, то обеспечивает носителю устойчивость к малярии, обладатели же двух копий (гомозиготы) умирают в раннем детстве. В 1972 в рамках борьбы с малярией на «паспортизацию» было истрачено более 100 млн. долл., а после выполнения программы выяснилось, что а) у здоровых людей, носителей мутации, возникает комплекс вины, эти люди чувствуют себя не совсем нормальными, и такими их начинают воспринимать окружающие; б) появились новые формы сегрегации – отказ в приеме на работу. В настоящее время некоторые страховые компании выделяют средства на проведение ДНК-тестов в отношении ряда заболеваний, и если будущие родители, носители нежелательного гена, не соглашаются на прерывание беременности и у них рождается больной ребенок, им могут отказать в социальной поддержке.

Другая опасность – эксперименты по трансгенозу, созданию организмов с пересаженными от других видов генами, и распространению таких «химер» в окружающей среде. Здесь особую опасность представляет необратимость процесса. Если атомную станцию можно закрыть, использование ДДТ и аэрозолей прекратить, то изъять из биологической системы новый организм невозможно. Мобильные гены, открытые МакКлинток у растений, и сходные с ними плазмиды микроорганизмов передаются в природе от вида к виду. Ген, вредный или полезный (с точки зрения человека) для одного вида, может со временем перейти к другому виду и непредсказуемым образом изменить характер своего действия. В Америке мощная биотехнологическая компания «Монсанто» создала сорт картофеля, в клетки которого включен бактериальный ген, кодирующий токсин, который убивает личинок колорадского жука. Утверждается, что этот белок безвреден для человека и животных, однако страны Европы не дали разрешения на выращивание у себя этого сорта. Картофель испытывается в России. Опыты с трансгенными растениями предусматривают строжайшую изоляцию делянок с подопытными растениями, однако на охраняемых полях с трансгенными растениями Института фитопатологии в Голицыне под Москвой ремонтные рабочие выкопали картошку и тут же ее съели. На юге Франции ген устойчивости к насекомым «перескочил» от культурных растений к сорнякам. Другой пример опасного трансгеноза – выпуск в озера Шотландии лосося, который набирает вес в 10 раз быстрее, чем обычный лосось. Существует опасность, что этот лосось попадет в океан и нарушит сложившееся популяционное равновесие у других видов рыб.

ЛИТЕРАТУРА Киселев Л.Л. Геном человека и биология XXI века. – Вестник Российской АН, 2000, т. 20, № 5
Янковский Н.К. ГенЭтика: что заботит Европу, а что Россию. – Химия и жизнь, 2000, № 8
Янковский Н.К., Боринская С.А. Наша история, записанная в ДНК. – Природа, 2001, № 6

5637 0

Существует точка зрения, которую разделяет немалое число специалистов, что все заболевания человека за исключением травм связаны с генетическими дефектами. Очевидно, это крайняя точка зрения, тем не менее она отражает важность генетических факторов в определении состоянии здоровья людей. Генетические дефекты бывают разной значимости и состояния.

Хотя обычно считают диабет и мышечную дистрофию заболеванием, а расщепление неба или цветовую слепоту - наследственными дефектами - все это является результатом мутаций в генетическом материале. Показано также, что предрасположенность к заболеванию также зависит от генетической конституции.

Генетические дефекты или мутации в последовательности ДНК выражаются в замене одного нуклеотида другим, потере целого фрагмента или его переносе на другое положение в геноме и пр. Такие изменения могут привести к изменениям структуры (и функции) белка, который кодируется данным фрагментом ДНК или к изменению регуляторных участков генов, гибельным для клеток. Говоря о наследственных заболеваниях, мы имеем в виду мутации, которые появляются в половых клетках и передаются потомству.

В соматических клетках на протяжении жизни также накапливаются мутации, которые могут стать причиной заболевания, но они по наследству не передаются. Ранее считалось, что все мутации вредны. Это связано с тем, что именно с таких мутаций, вызывающих заболевания, было начато изучение генетических характеристик человека. Но сейчас, когда прочитан практически весь нуклеотидный текст человека, стало ясно, что большая часть мутаций является нейтральной. Вредные мутации, приводящие к грубому нарушению развития организма, отсеиваются отбором - их носители не выживают или не дают потомства.

Огромный прорыв в понимании, как унаследованные гены влияют на физические и психологические особенности человека, произошел за последние десятилетия благодаря открытиям, сделанным при исследовании генома человека. Установлены и диагностируются как целый ряд генетических заболеваний, так и предрасположенность к ним, причем на самых ранних этапах развития эмбриона. Большие надежды на расширение возможностей современной медицины связаны с реализацией проекта «Геном человека».

Реализация научного проекта «Геном человека»

Научный проект «Геном человека» - это международная программа, конечной целью которой являлось определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). В 1988 г. Министерство энергетики США и Национальный институт здоровья США представили обширный проект, в задачи которого входило секвенирование геномов человека, а также бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши - организмов, которые широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека.

На реализацию этого проекта Конгресс выделил 3 млрд дол. (по одному доллару за каждый нуклеотид человеческого генома). Директором проекта был назначен лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон. К проекту присоединились другие страны - Англия, Франция, Япония и др.

В 1989 г. по инициативе академика А.А. Баева в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д. Мирза-беков. Независимо от вклада и государственной принадлежности отдельных участников программы с самого ее начала вся получаемая ими в ходе работ информация была открыта и доступна для всех его участников.

Двадцать три хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуры 3-й и 19-й хромосом. Однако вскоре финансирование работ по этому проекту было сильно сокращено, и реального участия в секвенировании наша страна не принимала. Тем не менее работы по геномному проекту в нашей стране не прекратились: программа была пересмотрена и сконцентрирована на развитии биоинформатики -математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствовании способов описания и храненеия геномной информации, которые бы помогли понять и осмыслить расшифрованную информацию.

На расшифровку генома человека было отведено 15 лет. Однако постоянное развитие технологии секвенирования позволило завершить проект на 2 года раньше. Немалую роль в интенсификации работ сыграла частная американская компания Celera, возглавляемая Дж. Вентером (в прошлом - биолог Национального института здоровья США). Если в начальные годы осуществления проекта по всему миру секвенировали несколько миллионов нуклеотидных пар в год, то в конце 1999 г. Celera расшифровывала не менее 10 млн нуклеотидных пар в сутки. Для этого работы велись круглосуточно в автоматическом режиме 250 роботизированными установками, информация сразу же передавалась в банки данных, где систематизировалась, аннотировалась и выкладывалась в Интернет.

При проведении работ в 1995 г. Вентер с соавторами разработал и опубликовал совершенно новый подход к секвенированию генома, названный методом произвольного секвенирования полного генома (более известный как произвольное секвенирование методом дробления), который позволял собрать полный геном из частично секвенированных фрагментов ДНК при помощи компьютерной модели.

Этим методом впервые был полностью секвенирован геном самореплицирующегося свободно живущего организма - бактерии Haemophilus in-fluenzae Rd. Копии ДНК бактерии были разрезаны на куски произвольной длины от 200 до 1 600 п.о. Эти фрагменты секвенировали по несколько сот с каждого конца. Кроме того, были секвенированы и более длинные фрагменты по 15-20 тыс. п.о. Полученные последовательности были внесены в компьютер, который их сравнивал, распределял по группам и по сходству.

Первыми идентифицировались неповторяющиеся последовательности, затем -повторяющиеся последовательности фрагментов. Длинные фрагменты помогали установить порядок часто повторяющихся, почти идентичных последовательностей. Затем заполнялись пробелы между полученными основными кусками ДНК. Секвенирование генома Haemophilus influenzae заняло один год и при этом была определена последовательность 1 830 137 п.о. и 1 749 генов, расположенных на 24 304 фрагментах.

Это был несомненный успех, который доказал, что новая технология может быть применима для быстрого и точного секвенирования целых геномов. В 1996 г. картировали геном первой эукариотической клетки - дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма - круглого земляного червя Caenorhabolits elegans.

В феврале 2001 г. рабочий вариант генома человека (выполненный на 90 %) был одновременно опубликован в журналах «Nature» - результаты HUGO и «Science» - результаты исследований компании Celera. Анализ полученного варианта генома человека выявил около 25 тыс. генов. Ранее предполагалось, что это количество должно достигать 140 тыс. (если исходить из постулата «один ген кодирует один белок»). В настоящее время представляется возможным, что один ген может кодировать 5-6 белков. Многообразие белков, кодируемых одним и тем же геном, обеспечивается несколькими механизмами: с помощью альтернативного сплайсинга, посттрансляционных превращений белков - фосфорилирования, ацетилирования, метилирования, гликозилирования и многих других.

В 2003 г. был опубликован окончательный вариант полной последовательности генома человека. Вся эта информация является доступной и находится в Интернете на нескольких сайтах. Однако до сих пор некоторые элементы генома не поддаются секвенированию современными технологиями, а наши знания о геноме остаются неполными. Оказалось, что лишь 30 % генома кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов.

Каковы функции остальных участков генома и есть ли они вообще, остается совершенно неясным. Около 10 % генома составляют так называемые Alu-элементы длиной около 300 п.о. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции только у приматов. Попав к человеку, они размножились до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом.

Что касается кодирующих участков ДНК, то при чисто молекулярно-компьютерном анализе они были названы генами по сугубо формальным критериям: наличию знаков пунктуации, необходимых для прочтения информации и синтеза конкретного генного продукта. При этом время и действие большинства потенциальных генов пока неясны, и для определения их функций может потребоваться не меньше ста лет.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова