что такое геном человека и какую роль он играет в жизни человека
Что такое геном человека: расшифровка
Принципы наследственности были обозначены впервые в 1900-х годах, когда естественные науки получили развитие и ввели в обиход (с полным определением) понятия геном человека и ген, в частности. Их исследование дало возможность ученым открыть секрет наследственности, и стало толчком для изучения наследственных болезней и их природы….
Геном человека: общие понятия
Чтобы разобраться, что такое гены и процессы наследования организмом определенных свойств и качеств, следует знать и понимать термины и основные положения. Краткое изложение основных понятий даст возможность более глубоко вникнуть в данную тему.
Гены человека – это части цепи ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота в виде макромолекул), которая задает последовательность определенных полипептидов (семейства аминокислот) и несет основную наследственную информацию от родителей к детям.
Говоря простым языком, определенный ген содержит информацию о строении белка и несет ее от родительского организма к детскому, повторяя строение полипептидов и передавая наследственность.
Геном человека – это обобщающее понятие, обозначающее некоторое количество определённых генов. Впервые его ввел Ганс Винклер в 1920-м, однако спустя время несколько изменилось его изначальное значение.
Вначале он обозначал определенное количество хромосом (непарных и одинарных), а спустя время выяснилось, что в геноме 23 парных хромосомы и митохондриальная дезоксирибонуклеиновая кислота.
Генетическая информация – это данные которые заключены в ДНК, и несущие порядок построения белков в виде кода из нуклеотидов. Стоит также упомянуть, что подобная информация находится внутри и вне границ клетки.
Гены человека исследовались на протяжении многих лет, за которые было претворено в жизнь множество экспериментов. До сих пор проводятся опыты, которые дают ученым новую информацию.
Благодаря последним исследованиям стало ясно, что не всегда четкая и последовательная структура наблюдается в дезоксирибонуклеиновых кислотах.
Существуют так называемые прерывистые гены, связи которых прерываются, что делает неверными все предыдущее теории о постоянстве этих частиц. В них время от времени происходят изменения, которые влекут за собой изменения и в структуре дезоксирибонуклеиновых кислот.
История открытия
Впервые научный термин был обозначен только в 1909 году ученым Вильгельмом Иогансеном, который был выдающимся ботаником в Дании.
Важно! В 1912 году появилось слово «генетика», которое стало названием целого отдела биологии. Именно он занимается изучением генов человека.
Исследование частицы началось задолго до 20 века (данных в каком точно году нет), и складывалось из нескольких этапов:
Изучением наследственного фактора уже достаточно давно занимались биологи и зоологи, но только с начала 20-го века генетика начала развиваться с огромной скоростью, открывая для людей тайны наследования.
Это интересно! Как мы произошли от обезьяны: теория Дарвина о происхождении человека
Расшифровка генома человека
С того момента, как ученые открыли наличие в организме человека гена, они стали исследовать вопрос информации, заключенной в нем. Уже более 80 лет ученые пытаются расшифровать ее. На сегодняшний день они добились в этом значительных успехов, что дало возможность влиять на наследственные процессы и менять структуру клеток у следующего поколения.
История расшифровки ДНК состоит из нескольких определяющих моментов:
Внимание! С того времени, как впервые общественности предоставили двойную спираль ДНК, произошло множество открытий, давших возможность понять природу ДНК и механизмы ее работы.
Человеком, который открыл ген, принято считать Грегора Менделя, впервые обнаружившего определенные закономерности в наследственной цепи.
А вот расшифровка ДНК человека произошла на основе открытия другого ученого – Фредерика Сенгера, который разработал методы чтения последовательностей белковых аминокислот и последовательность построения самой ДНК.
Благодаря работе множества ученых за три последних века были выяснены процессы формирования, особенности, и сколько генов находится в геноме человека.
Содержание программы «Геном человека»
В 1990 году начался международный проект «Геном человека», которым руководил Джеймс Уотсон. Его целью было выяснить, в какой последовательности выстраиваются нуклеотиды в ДНК, и выявить около 25 000 генов в человеке. Благодаря этому проекту человек должен был получить полное представление о формировании ДНК и расположению всех его составляющих частей, а также механизм построения гена.
Стоит уточнить, что программа не ставила своей задачей определить всю последовательность нуклеиновой кислоты в клетках, а лишь только некоторых областей. Началась она в 1990 году, но только в 2000 был выпущен черновик работы, а полное исследование завершено в 2003 году. Исследование последовательности длиться до сих пор и 8% гетерохроматиновых областей все еще не определены.
Цели и задачи
Как любой научный проект, «Геном человека» ставил перед собой конкретные цели и задачи. Изначально ученые собирались выявить последовательности 3 млрд нуклеотидов и более. Затем отдельные группы исследователей выразили желание попутно определить также последовательность биополимеров, которая бывает аминокислотной или нуклеотидной. sexe24.ch В итоге главные цели проекта выглядели следующим образом:
Данный список задач упускает не менее важную, но не такую очевидную – это изучение этических, правовых и социальных последствий подобных исследований. Вопрос наследственности может вызывать разногласия среди людей и повлечь серьезные конфликты, поэтому ученые поставили за цель обнаружить решения этих конфликтов до их возникновения.
Достижения
Наследственные последовательности – это уникальное явление, которое наблюдается в организме каждого человека в той или иной форме.
Именно поэтому все данные, которые опубликовали исследователи проекта, не имеют точной и определенной последовательности. Несмотря на это, главным достижением является выполнение всех поставленных целей.
Проект достиг всех поставленных задач раньше, чем исследователи предполагали. К концу проекта они расшифровали около 99,99 % ДНК, хотя ученые ставили перед собой задачу секвенировать только 95% данных. Сегодня, несмотря на успех проекта, остаются все еще неисследованные участки дезоксирибонуклеиновых кислот.
В итоге исследовательской работы было определено сколько генов в организме человека (около 20—25 тыс. генов в геноме), и все они охарактеризованы:
Геном человека исследования, расшифровка
Расшифровка человеческого генома
Вывод
Все данные будут подробно изложены в генетической карте человеческого организма. Претворение в жизнь такого сложного научного проекта дало не только колоссальные теоретические знания для фундаментальных наук, но и оказало невероятное влияние на само понимание наследственности. Это в свою очередь, не могло не отразиться на процессах предупреждения и лечения наследственных болезней.
Данные, полученные учеными, помогли ускорить другие молекулярные исследования и способствовать эффективному поиску генетической основы в заболеваниях, передающихся по наследству, и предрасположенности к ним. Результаты смогут повлиять на обнаружение соответствующих лекарств для профилактики множества заболеваний: атеросклероза, сердечной ишемии, болезней психического и онкологического характера.
Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?
Автор
Редакторы
Изучение человеческого генома имеет одну конечную цель — оно затевается исключительно ради того, чтобы, взглянув на последовательность ДНК конкретного индивида, можно было бы получить о нем максимум информации. О том, какими болезнями он может заболеть, какие способности в себе развить, и какие опасности его могут поджидать при выборе того или иного жизненного пути. История изучения этого вопроса довольно продолжительна, однако заветная цель приближается к нам далеко не так быстро, как хотелось бы.
История вопроса
Особенности психики человека таковы, что он склонен переоценивать собственные достижения. Эта закономерность очень четко прослеживается в развитии научной мысли. Ученым зачастую кажется, что стоит совершить еще небольшой рывок, как истина откроется во всей красе, а будущим поколениям естествоиспытателей останется лишь стряхивать пыль с приборов. Однако в подавляющем большинстве случаев получается так, что новое открытие порождает больше вопросов, чем дает ответов.
В начале прошлого столетия казалось, что до выяснения природы наследственности рукой подать, ведь были заново открыты законы Менделя, сформулирована Хромосомная теория наследственности Моргана. Согласно представлениям того времени, наследственные факторы — гены — являлись белковыми молекулами, последовательно соединенными между собой в хромосомах. Казалось, что вот-вот эти белки будут выделены из хромосом и все встанет на свои места. При этом, естественно, ни у кого и в мыслях не было, что в генетическом материале организма могут присутствовать элементы, напрямую не определяющие каких-либо его свойств. Была уверенность в том, что каждый ген-белок отвечает за определенную функцию. Однако все оказалось куда сложнее.
Во-первых, к середине 40-х годов XX века, благодаря опытам Эйвери, Маклеода и Маккарти становится понятно, что функции хранения и передачи наследственной информации могут выполнять вовсе не белки. Внимание ученых начинает концентрироваться на изучении ДНК — полимерной молекулы, состоящей из дезоксирибонуклеотидов. К тому моменту было хорошо известно, что ДНК входит в состав хромосом, однако полагали, что эта молекула выполняет структурные функции, являясь своего рода хромосомным каркасом. Окончательно обосновали ключевую роль ДНК в наследственности Альфред Херши и Марта Чейз, только в начале 50-х годов показав, что бактериофаги способны размножаться без собственных белков — в инфицируемой ими бактериальной клетке оказывается и реплицируется только молекула ДНК.
Структуру ДНК впервые описывают Джеймс Уотсон и Френсис Крик в своей работе 1953 года [1]. В последующие 20 лет накапливаются знания о природе генетического кода (М. Ниренберг и Дж. Маттеи), работе генов и регуляторных элементов (Ф. Жакоб и Ж. Моно), тонкой структуре гена (С. Бензер), об укладке ДНК на нуклеосомах (А. Корнберг). Также становится понятно, что в геномах организмов содержатся не только уникальные последовательности структурных генов — в них присутствует огромное количество часто повторяющихся и вовсе не кодирующих белки последовательностей.
Своя и чужая ДНК
В середине прошлого века тезис о том, что генетический материал организма содержит исключительно структуры, необходимые для формирования фенотипических признаков, было странно подвергать сомнению. Любую особенность организма пытались объяснить с позиций целесообразности, и поэтому считалось, что лишних и нефункциональных структур быть просто не должно.
Опыты, подтверждающие наличие в геноме «лишнего» материала, довольно любопытны. Первые указания на такую особенность были получены при изучении кинетики реассоциации геномной ДНК. Дело в том, что последовательности ДНК с разной скоростью восстанавливаются после денатурации. Если последовательность содержит много повторов, она восстанавливается быстрее, а если последовательность ДНК уникальна — времени на ее ренатурацию требуется больше. В ходе проведения экспериментов по реассоциации геномных ДНК эукариот было выяснено, что очень большая часть генома приходится на разного рода быстро ренатурирующие повторы, сателлиты и прочую «бесполезную» ДНК (кстати, термин “junk DNA” был введен еще Френсисом Криком). Еще сравнительно недавно бытовало мнение, что такого рода «мусорные последовательности» необходимы для того, чтобы защищать полезную ДНК от мутаций, как бы вызывая огонь на себя. В самом деле, если мутациям подвергается некодирующий участок ДНК, то это, скорее всего, не отразится негативно на фенотипе особи. Однако, как выяснилось впоследствии, роль такой ДНК в геноме нельзя ограничить только этим. Дальнейшее изучение вопроса показало, что повторяющаяся и некодирующая фракция ДНК в геноме чрезвычайно разнообразна по своей структуре. Помимо повторов, выполняющих чисто технические функции связывания с белками ядерного матрикса или компонентами центромеры, обнаруживаются и такие участки генома, которые напрямую не влияют на морфологию организма и на выполнение им тех или иных функций. Исследование того, откуда эти участки взялись и почему они есть во всех организмах, представляло интерес.
Рисунок 1. Барбара МакКлинток.
Примерно одновременно с работами по изучению роли ДНК в наследственности подвергается первой критике хромосомная теория Моргана в хрестоматийном ее понимании. Это связано с тем, что Барбара МакКлинток обнаруживает генетические элементы, которые, по ее мнению, способны менять свою локализацию на хромосоме [2]. Эти революционные исследования поначалу не находят понимания, поскольку противоречат принятому тогда постулату о том, что каждый ген имеет свой постоянный хромосомный локус. Сама МакКлинток даже получает обидное прозвище crazy Barbara (сумасшедшая Барбара). Однако позднее выясняется, что подобные мобильные генетические элементы присутствуют у всех живых организмов (стоит также упомянуть, что МакКлинток спустя 30 лет после своего открытия удостаивается Нобелевской премии в области физиологии и медицины [3]).
У животных, а конкретно, у дрозофилы, мобильные элементы впервые обнаруживают в лабораториях Хогнесса в США и Георгиева в СССР. Причем очень быстро становится ясно, что таких элементов огромное множество, в геномах они представлены очень широко, а по своим структурным и функциональным особенностям могут отличаться очень сильно. Изучение структуры различных классов мобильных элементов генома (МГЭ) приводит ученых к выводу об их родстве с вирусами. Жизненные циклы вирусов и многих МГЭ очень похожи, да и белки, кодируемые их генами, выполняют одни и те же функции, что отчетливо указывает на общность происхождения этих примитивных живых систем.
Экология генома: молекулярные паразиты и эндосимбионты
До 80-х — 90-х годов прошлого столетия тезис о том, что внутри человеческого генома могут находиться последовательности, собственно к человеку не имеющие никакого отношения, звучал бы дико. Однако сейчас мы сталкиваемся с тем, что геномы едва ли не всех эукариот кишат молекулярными паразитами! Известно, что подавляющее большинство вирусов могут встраивать свои ДНК в геном организма, который они заражают. При этом задача вируса очевидна — это размножение. Однако этой цели вирусы могут добиваться разными способами. С одной стороны, логично сразу же после встраивания начать синтезировать свои собственные белки, реплицировать свой генетический материал, а потом выходить из одной клетки организма и начинать заражать другие. В этой ситуации возникает небольшая проблема: клетка-хозяин погибает, а вслед за одной клеткой может погибнуть и весь организм, не дав возможности вирусу заразить другие организмы. Вступает в силу один из законов экологии: паразит, губящий своего хозяина, губит и себя самого. Поэтому возникает принципиально иная стратегия поведения молекулярных паразитов. После интеграции в геном многие вирусы начинают вести себя так, будто являются его неотъемлемой частью. Они не начинают активно копировать свой генетический материал, а остаются в сайте интеграции в виде так называемого провируса. Такой подход позволяет вирусам копировать информацию своего генома вместе с репликацией генома организма-хозяина, передаваясь по наследству потомкам этого хозяина. Британский генетик Джон Брукфилд (John F. Brookfield) в своих обзорах последних лет обосновывает введенный недавно термин «экология генома» [4], рассматривая в том числе и геном человека, как среду обитания всевозможных эндогенных ретровирусов, транспозонов и коротких сателлитных последовательностей. Причем между организмом-хозяином и такими сожителями ведется борьба по всем законам экосистем: паразит стремится размножиться, причиняя минимум беспокойства хозяину, а хозяин стремится либо паразита нейтрализовать, либо заставить работать на себя. При этом случаи мутуалистических отношений (сожительства с обоюдной пользой) между чужеродными последовательностями и геномом не редки. Одним из красивых примеров такого симбиоза является участие белковых продуктов эндогенных ретровирусов человека в процессе образования ткани плаценты. К тому же, широко известно, что относительно безопасные «одомашненные» вирусы могут препятствовать проникновению в клетки агрессивных вирусов извне.
Разумеется, помимо пользы от мобильных генетических элементов можно вполне ожидать и проблем. В частности, они могут провоцировать хромосомные аберрации, вызывать своими перемещениями мутации и изменения в активности генов, приводить к дестабилизации структуры всего генома. Взаимодействие между МГЭ и хозяйским геномом могут приводить к самым разнообразным и любопытным последствиям: от возникновения наследственных заболеваний до провоцирования процессов видообразования и образования новых генов.
Запутанная молекулярная инструкция
Проект «Геном человека» стартовал в начале девяностых и к настоящему времени завершен. Первые данные о составе нашего генома были опубликованы еще в 2001 году [5]. Тогда стало ясно, что на долю структурных генов (генов, содержащих информацию о строении белков или РНК) приходится около 5% всего генома (а ведь еще совсем недавно считалось, что кроме них в генетическом материале клетки быть ничего не должно). Самих же генов всего порядка 25–30 тысяч, что совсем не так много, как считалось. На долю же всевозможных мобильных последовательностей отводится целых 45% геномной ДНК! Остальное представлено повторами, поломанными неактивными генами и прочими техническими последовательностями. Причем все это невероятное разнообразие молекулярных текстов из поколения в поколение взаимодействует друг с другом, перестраивается, меняется местами и чуть ли не противоречит друг другу. Выяснить, как вся эта биоинформатическая каша из отдельных слов, написанных четырьмя молекулярными буквами-нуклеотидами, определяет внешний вид, характер и прочие особенности человека, — это задача, на решение которой уйдет еще очень много времени.
Рисунок 2. Классы повторов в геноме человека.
LINE — Long interspersed nuclear repeats. Одни из самых древних элементов. Содержат ген обратной транскриптазы и способны вносить разрывы в геномную ДНК при транспозиции. Часто образуют несовершенные копии.
SINE — Short interspersed nuclear repeats. Короткие последовательности, содержащие промотор полимеразы III. Их транспозиции происходят за счет белков, кодируемых генами LINE-элементов.
LTR (long terminal repeat) retrotransposons — группа элементов, по своей организации больше всего напоминающая вирусы (если точнее — ретровирусы). Считается, что часть ретротранспозонов произошла от вирусов, когда-то проникнувших в геном. Некоторые LTR-элементы сохраняют возможность покидать клетку-хозяина и инфицировать другие клетки. Включают от одного до нескольких генов.
DNA transposons — мобильные элементы, не требующие стадии образования РНК-копии для транспозиций. Кодируют фермент транспозазу, необходимую для перемещения.
Разумеется, значение проекта «Геном человека» сложно переоценить. Уже сейчас сделано множество интереснейших работ, которые были бы невозможны без прочтения последовательности человеческой ДНК. Однако каких-то 5–10 лет назад казалось, что секвенирование генома решит сразу все проблемы биологической науки, а заодно и медицины. В прессе было очень модно обсуждать прочтение «книги жизни», в которой содержится подробная инструкция о том, как собрать человеческий организм. Вроде бы оставалось лишь последовательно вникнуть в смысл каждой главы. И вдруг столь значительная книга, страницы которой так мечтали пролистать ученые конца XX века, на поверку оказывается зачитанным глянцевым журналом, пестрящим рекламой, вырезанными страницами, частными объявлениями с грамматическими ошибками и чьими-то заметками на полях. Найти что-то полезное в таком молекулярном издании довольно сложно, однако ученым не просто предстоит отделить в нем ценную информацию от бессмыслицы, но также понять алгоритм того, как полезные отрывки сочетаются и дополняют друг друга, реализуясь в целостной картине человеческого организма. И это не самая простая головоломка.
От чего зависит формула успеха, и какую роль в нашей жизни играют гены
Спорное наследство
На детях отдыхает
Если начинать повествование в стиле «было у старика три сына», уместно вспомнить историю Альберта Эйнштейна. У этого умнейшего человека было двое сыновей, один из которых — Ганс-Альберт — продолжил дело отца и стал пусть и не великим, но известным физиком, а второй — Эдуард — подавал определенные надежды, но закончил жизнь в психиатрической клинике (у него диагностировали шизофрению).
Гены — вещь крайне важная, однако никто не может спрогнозировать, как именно сложится картинка в каждом конкретном случае. Но поскольку генетика последние десятилетия находится в тренде, ученые раскрывают все больше ее тайн. Один из самых важных вопросов — могут ли передаваться через поколения выдающиеся и гениальные способности. Казалось бы, ответ очевиден, ведь существует масса примеров, когда в одной семье раз за разом рождались люди, прославившиеся потом в той или иной сфере. Однако тут есть нюансы.
Во-первых, психологи считают, что, если у человека нет психических отклонений, а у родителей достаточно средств, чтобы обеспечить ему как минимум хорошее образование, шансы стать сколько-нибудь заметной личностью у него весьма высоки. В то время как при невыгодной стартовой позиции (например, в бедной семье) их практически нет. Далеко не все, как Михайло Ломоносов, согласны пешком идти за тридевять земель, чтобы выучиться и прославиться. И тут мы подходим ко второму моменту.
Гениальность (от латинского genius — «дух») — это согласно научному определению высший уровень интеллектуального или творческого функционирования личности, проявляющийся в выдающихся научных открытиях, изобретениях, социальных преобразованиях, создании художественных произведений и так далее. Но гениальность складывается из целого ряда факторов. То есть предположим, в одном конкретном человеке должны сразу быть активными вариации разных генов, отвечающих за математические, творческие и прочие способности. И третий момент — выдающиеся способности с точки зрения физиологии все же в первую очередь определяются процессами, происходящими в мозге. А именно высокой нейропластичностью (способность нейронов регенерироваться и формировать новые нейронные связи). Грубо говоря, скорость передачи информации, способность запоминать ее, усваивать и применять на практике полученный опыт должны быть в разы выше. А в случае гения — просто космическими.
Как с гуся вода
Герой своего времени
Попытки объяснить успех наследственностью предпринимались давно. Для начала вспомнили про великих людей. Наполеон Бонапарт, к примеру, завоевал всю Европу и даже отметился в Африке. Предположили, что у «маленького капрала» наличествовали целых два характерных гена — DRD4–7r, который окрестили геном путешественника, и мутировавший ген hDEC2 (сокращает потребность в отдыхе со стандартных 7—8 часов до 4). И правда, носители этой мутации за счет дополнительного времени часто добиваются большего в жизни и карьере. Сначала ученым показалось, что они нашли то, что искали. Однако мутировавший ген hDEC2 встречается гораздо реже, чем успешные люди.
Наконец, путем проб и ошибок пришли к выводу, что успешность может наследоваться генетически. Но при этом важен не один ген, а либо аллели (различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках хромосом), либо комбинация нескольких генов. Ведь от выдающихся способностей нет особого прока, если человек не умеет быть настойчивым, порой до наглости. Кстати, гена наглости пока не нашли. Впрочем, еще не вечер.
Генетикой можно объяснить не только внешние признаки, но даже национальные особенности. Так, в ДНК тибетского народа шерпов есть ген EPAS1, который увеличивает присутствие гемоглобина в крови, что объясняет их приспособленность к жизни в высокогорных условиях. Такого гена нет больше ни у одного народа планеты. Но точно такой же найден в геноме денисовцев — людей, не относящихся ни к неандертальцам, ни к виду Homo Sapiens. Вероятно, много тысячелетий назад денисовцы скрещивались с общими предками китайцев и шерпов. Впоследствии китайцы, живущие на равнинах, данный ген утратили за ненадобностью, а у шерпов он сохранился.
В 1955 году науке изрядно подгадил известный британский психолог Сирил Берт, который был одним из самых горячих сторонников того, что развитие интеллекта зависит исключительно от наследственности, а не от образования и воспитания. Он исследовал несколько десятков пар однояйцевых близнецов, которые с рождения воспитывались в разных условиях — все они показывали практически одинаковый уровень IQ. Кстати, именно Берт внедрил тесты IQ в британское школьное образование, за что был посвящен королевой в рыцари. Ученый скончался в 1971 году на пике славы, и лишь спустя несколько лет его коллега из Принстона Леон Камин обратил внимание на то, что сколько бы пар близнецов ни исследовал Берт, разница в соотношении их IQ всегда была одинаковой. Он попытался найти черновики, рабочие тетради Берта, но безуспешно. При этом пропали и сотрудницы лаборатории, которые могли бы прояснить ситуацию. Выяснилось, что мисс Маргарет Ховард и мисс Джейн Конвей никогда не существовали. Берт придумал их для большей убедительности. Как и результаты своих исследований.