Главный спонсор конкурса - дальновидная компания Генотек .
Конкурс поддержан ОАО «РВК» .

Эта работа заняла первое место в номинации «биоинформатика и молекулярная эволюция» конкурса « »-2014.

Я был бы весьма горд служить в комитете, который разработал геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что служил в комитете, который спроектировал геном человека. Даже университетский комитет не смог бы выполнить что-то так плохо.

- Дейвид Пенни (David Penny)
Эпиграф взят из статьи

Выносите мусор

Один блогер написал заметку, где сформулировал следующее наблюдение: чтобы устроить настоящую войну в комментариях к записи в социальных сетях, достаточно просто перечислить в каком-либо невнятном контексте ряд поляризующих общество тем: политику, сексизм, гомосексуализм, креационизм, религию, веганство, чтобы у каждого была возможность сообщение не понять и по-своему оскорбиться. Наблюдение было тут же экспериментально подтверждено комментариями к заметке: начались предсказанные словесные баталии. Жаркие споры ведут не только обыватели в социальных сетях, но и ученые. Только дискуссии на страницах научных журналов обычно выглядят совсем не так, как мог бы представить себе человек, далекий от науки. Например, вместо дебатов на тему «эволюция или креационизм» обсуждают более частные вопросы: как в процессе эволюции возникла многоклеточность или кто человеку более близкий родственник - собака или хомячок . Однако есть темы, вокруг которых в рамках научного сообщества разгораются настоящие текстовые войны. Не последуем пословице «не выноси сор из избы» и обсудим одну из них - сколько «мусора» в нашей с вами ДНК?

Немного молекулярной генетики

Напомним, что в основе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК . Она представляет собой полимер из четырех типов мономеров (нуклеотидов): аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G), и уложена в хромосомы. У человека 23 пары хромосом (22 пары неполовых и одна пара половых), расположенных в ядре, они и составляют основу нашего генома . Если бы мы взяли одну клетку человека, сшили все хромосомы вместе и вытянули в нить, то получили бы молекулу длиной в два метра, состоящую из шести миллиардов пар оснований (нуклеотидов). Три миллиарда от папы и три миллиарда от мамы (диплоидный набор хромосом).

Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК - гены , кодирующие белки. С таких генов считывается молекула РНК , которая затем играет роль матрицы для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность. Кодирующая часть молекулы РНК может быть разделена на тройки нуклеотидов (кодоны), которые либо соответствуют некоторой аминокислоте, либо определяют место окончания синтеза белка (стоп-кодоны). Правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом . Например, кодон GCC кодирует аминокислоту аланин.

Иногда в СМИ можно услышать некорректную фразу «генетический код мутировал». Но мутации происходят не в коде, а в молекуле ДНК (в геноме). В результате меняются нуклеотидные последовательности. Это можно сравнить с заменой буквы в некотором слове. Например, фраза «Маша ехала на мотоцикле» превращается во фразу «Саша ехала на мотоцикле» , если одна буква М «мутировала» в букву С. Изменение генетического кода намного серьезней - это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буква М внезапно превратилась в букву К. Теперь у нас «Каша ехала на котоцикле» . Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и поэтому в природе происходят крайне редко. Но происходят! Например, у некоторых инфузорий (одноклеточных простейших) один из стоп-кодонов может кодировать аминокислоту глутамин . Кроме того, оказалось несложным небольшое искусственное изменение генетического кода некоторых современных организмов, например, кишечной палочки . Но это скорее исключение, чем правило. У большинства организмов один и тот же генетический код: у человека он такой же, как и у червяка или огурца. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.

В этой сказке нет порядка.

Меряемся генами

Когда-то думали, что у столь сложного организма как человек должно быть очень много генов. До того, как был прочитан геном человека , ученые даже устраивали тотализаторы: сколько генов будет обнаружено? Назывались цифры вплоть до сотен тысяч. Многие ученые удивились, когда оказалось, что количество генов у человека и маленького круглого червя Caenorhabditis elegans примерно одинаковое. У червяка около 20000 генов , а у нас - 20–25 тысяч , что для «венца творения» факт довольно обидный. Особенно если учесть, что полно организмов как с бóльшим по размеру геномом (двоякодышащая рыба Protopterus aethiopicus имеет геном в 40 раз больше, чем человек), так и с бóльшим количеством генов (у риса Oryza sativa 32000–50000 генов ).

Но на самом деле у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же нужны остальные 98%? Может, там скрывается секрет нашей сложности? Оказалось, что существуют важные некодирующие участки ДНК. Например, это участки промоторов, на которые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов - белков, регулирующих работу генов. Это теломеры , защищающие концы хромосом, и центромеры , необходимые для правильного расхождения хромосом по разным полюсам клеток при делении. Известны некоторые регуляторные молекулы РНК (например, микроРНК ), а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментативных комплексов, например, рибосомальные РНК. Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.

Но, увы, оказалось, что большая часть нашего генома напоминает пустыню : повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков, так называемые «эгоистичные мобильные элементы» - последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой, различные псевдогены - нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но все еще сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список «призраков», обитающих на «кладбище генома».

Минимальная мышь

В связи с вышесказанным существует точка зрения, что большая часть генома человека не функциональна. В 2004 году журнал Nature опубликовал статью, описывавшую мышей, из генома которых были вырезаны значительные фрагменты некодирующей ДНК размером в 1.5 миллиона и 0.8 миллионов нуклеотидов. Было показано, что эти мыши не отличаются от обычных строением тела, развитием, продолжительностью жизни или способностью оставлять потомство . Разумеется, какие-то отличия могли остаться незамеченными в лаборатории, но в целом это был серьезный аргумент в пользу существования «мусорной ДНК» , от которой можно избавиться без серьезных последствий. Конечно, было бы интересно вырезать не пару миллионов нуклеотидов, а миллиард, оставив только предсказанные последовательности генов и известные функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную «минимальную мышь», и сможет ли она нормально существовать? Может ли человека обойтись геномом «длиной лишь в половину метра»? Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем. Тем временем еще одним важным аргументом в пользу существования мусорной ДНК является наличие достаточно близких организмов с очень разными размерами геномов. Геном рыбы фугу примерно в 8 раз меньше, чем геном человека (хотя генов в нем примерно столько же) и в 330 раз меньше, чем геном уже упомянутой рыбы протоптер. Если бы каждый нуклеотид в геноме был функционален, то был бы уместен и такой вопрос: зачем луку геном в пять раз больший, чем нам с вами?

На колоссальные различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно (Susumu Ohno ). Считается, что именно Оно ввел термин «Мусорная ДНК» («Junk DNA») . Оказывается, что еще в 1972 году, задолго до того, как был прочитан геном человека, Оно имел правдоподобные представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора» в нем. В своей статье «Столько мусорной ДНК в нашем геноме» он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30000 генов. Это число близкое к правде, как мы узнали десятки лет спустя, но на тот момент совсем не очевидное. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.

Что для одного - находка, для другого - мусор

Вызов представлению о существовании мусорной ДНК бросил проект ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК). Получив многочисленные экспериментальные данные о том, какие части генома человека взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции или других биохимических процессах, авторы пришли к выводу, что более 80% генома человека так или иначе функциональны . Разумеется, данный тезис вызывал бурное обсуждение в научном сообществе .

Одна из наиболее ироничных статей, критичная к данному выводу консорциума ENCODE, называется так: «О бессмертии телевизоров: „функция“ в геноме человека по лишенному эволюции Евангелию от ENCODE» . Статья начинается с эпиграфа, который я утащил в начало текста. Ее авторы профессор Дэн Граур (Dan Graur ) и коллеги отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна. Так, один из них впоследствии уточнил, что речь идет не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40% , а другой и вовсе снизил показатель до 20% , но при этом продолжал настаивать, что термин «мусорная ДНК» нужно «устранить из лексикона». Над этим подшутили, что была изобретена новая арифметика, согласно которой 20% больше, чем 80% .

Возникает проблема и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что некоторый участок ДНК связывает важный белок, и поэтому ENCODE приписывает этому участку «функцию». Известно, что некоторый белок (транскрипционный фактор) связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA в разных частях генома. После того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза некоторого важного белка. Мутации в этой последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться плохо, белок не будет синтезирован, и это, скорее всего, негативно скажется на выживании организма. Поэтому такая последовательность TATAAA будет поддерживаться в геноме с помощью естественного отбора, и в этом случае уместно говорить о наличии у нее функции. Вторая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку она идентична первой, с ней тоже связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, поэтому связывание ни к чему не приводит. Если в этом участке возникнет мутация, ничего не изменится, организм не пострадает. В данном случае говорить о функции TATAAA участка нет смысла. Впрочем, может оказаться, что наличие в геноме большого количества последовательностей TATAAA вдали от генов нужно просто для того, чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его эффективную концентрацию. В таком случае под отбором будет находиться число таких последовательностей в геноме.

Чтобы доказать, что некоторый участок ДНК функционален, недостаточно показать, что в этом участке происходит некий биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией обладают участки ДНК, которые вовлечены в транскрипцию. «Но почему нужно акцентировать внимание на том, что 74.7% генома транскрибируется, в то время как можно сказать, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом биохимическом процессе - репликации!» , - снова шутят Граур и коллеги.

Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в нем достаточно вредны и значительные изменения этого участка не наблюдаются из поколения в поколение. Как определить такие участки? Здесь на помощь и приходит биоинформатика , современная наука на стыке биологии и математики об анализе последовательностей генов и белков. Мы можем взять геном человека и мыши и найти все участки ДНК, похожие между ними. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов очень похожи. Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, довольно консервативны, т.е. мутации в них достаточно вредны, чтобы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства. Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от вредных мутаций. Другие участки геномов будут иметь значительные расхождения между видами, что указывает на то, что мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, а значит, их функциональная роль как минимум не велика или не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов. В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора. Оказалось, что только около 6.5–10% генома человека находятся под этим эффектом , причем некодирующие участки, в отличие от кодирующих, в значительно меньшей степени подвержены отрицательному отбору . Получается, что с точки зрения эволюционных критериев менее 10% генома человека функциональна. Обратите внимание, как близок был Оно в 1972 году!

Мусорная крепость

Означает ли это, что остальные 90% генома человека - совсем уж мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома является серьезным лимитирующим фактором, препятствующим эффективному размножению. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергетических затрат организма на фоне затрат на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и так далее. В то же время большой геном может являться важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций в них в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. Таким образом, организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим на отдельном организме, но он может играть важную роль на уровне популяции.

Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на поддержание определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и так далее.

Стоит дать адекватную оценку работы консорциума ENCODE. Да, идея, что 80% или даже 20% генома человека функциональна - спорна, но это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В рамках ENCODE было получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и так далее. Эти данные представляют большой интерес для специалистов и широко востребованы. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме - как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.

Мусор, сэр!

Автор выражает огромную благодарность Евгении Дуевой и Юрию Панчину за помощь в коррекции текста, а также Олегу Добровольскому за иллюстрации.

Литература

1. Graur D., Zheng Y., Price N., Azevedo R.B., Zufall R.A., Elhaik E. (2013). On the immortality of television sets: “function” in the human genome according to the evolution-free gospel of ENCODE . Genome biology and evolution 5 , 578–590; ;
2. Suga H., Chen Z., de Mendoza A., Sebe-Pedros A., Brown M.W., Kramer E., Carr M., Kerner P., Vervoort M., Sanchez-Pons N. et al . (2013). The Capsaspora genome reveals a complex unicellular prehistory of animals . Nature communications 4 , 2325;
3. Cannarozzi G., Schneider A., Gonnet G. (2007).

Особенности

Хромосомы

В геноме присутствует 23 пары хромосом : 22 пары аутосомных хромосом, а также пара половых хромосомы X и Y. У человека мужской пол является гетерогаметным и определяется наличием Y хромосомы. Нормальные диплоидные соматические клетки имеют 46 хромосом.

Гены

Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу . Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8-раз меньший объём «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов .

Прочие объекты в геноме

Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома . Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:

• повторы
  • тандемные повторы
    • сателлитная ДНК
  • диспергированные повторы
    • SINE-ы (short interspersed nuclear element)
    • LINE-ы (long interspersed nuclear element)
• транспозоны
  • Ретротранспозоны
    • LTR-ы (long terminal repeat)
      • Ty1-copia
      • Ty3-gypsy
    • Не LTR-ы
  • ДНК транспозоны

Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.

Соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на «мусорную ДНК». Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.

Псевдогены

Вирусы

Около 1 % в геноме человека занимают встроенные гены ретровирусов (эндогенные ретровирусы). Эти гены обычно не приносят пользы хозяину, но существуют и исключения. Так, около 43 млн. лет назад в геном предков обезьян и человека попали ретровирусные гены, служившие для построения оболочки вируса. У человека и обезьян эти гены участвуют в работе плаценты.

Большинство ретровирусов встроились в геном предков человека свыше 25 млн. лет назад. Среди более молодых человеческих эндогенных ретровирусов полезных на настоящий момент не обнаружено , .

См. также

Примечания

Список литературы

• Тарантул В. З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. - Языки славянской культуры, 2003. - 396 с. - ISBN 5-94457-108-X .
• Ридли Мэтт. Геном: автобиография вида в 23 главах. - М.: Эксмо, 2008. - 432 с. - ISBN 5-699-30682-4

Ссылки

• Всеобщая декларация о геноме человека и правах человека ЮНЕСКО, 1997
• Lindblad-Toh K, et al. (2005). «Genome sequence, comparative analysis and haplotype structure of the domestic dog.». Nature 438 (7069): 803-19. PMID 16341006 .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Геном человека" в других словарях:

Геном человека это геном биологического вида Homo sapiens . В нормальной ситуации у человека может присутствовать 24 различных хромосомы (22+X+Y): 22 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), 2 X хромосома и Y хромосома зависят от пола.… … Википедия

Логотип проекта Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) международный научно исследовательский проект, главной целью которого было опр … Википедия

Логотип проекта Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) международный научно исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и… … Википедия

Проект «Геном человека» - * праект «Геном чалавека» * Human Genome Project or HGP многолетний научно исследовательский проект, задачей которого было получение полной генетической информации, записанной в геноме человека, «прочтение» нуклеотидных последовательностей во… … Генетика. Энциклопедический словарь

проект «Геном Человека» - — Тематики биотехнологии EN Human Genome Project … Справочник технического переводчика

Команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинзом, подсчитав число генов у человека независимым способом и на основе своих данных, получила результат - около 32000 генов содержится в геноме каждой клетки человека.

Разнобой в окончательные оценки пока вносят два других коллектива ученых. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы «Хьюмэн Геном Сайенс») продолжает настаивать, что в их байке содержится приватизированная информация на 120 000 генов. Этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Фирма вложила деньги в патенты и собирается заработать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека.

Фирма «Инсайт» сообщила о том, что имеет в настоящее время каталог, состоящий из 140 000 идентифицированных ей генов человека, и также настаивает на этом количестве общего числа генов у человека.

Схема ДНК

Ген – участок ДНК кодирующий определенный белок.

Все гены как и люди имеют имена.

В ДНК участки кодирующие белки занимают лишь 1,1 – 1,4% её длины. Эти участки называют –экзонами. Остальные участки называют интронами.

Гены неравномерно распределены по хромосомам.

Гены человека в хромосомах как правило разорваны. Чтобы ген заработал он вначале подвергается сплайсингу – сшиванию.

Многие гены продублированы, чего нет у низших животных.

Генам свойственно явление полиморфизма по механизму замены, повторения или потери некоторого числа нуклеотидных пар (Insertion– наличие;Deletion – отсутствие).

В клетках тела 46 хромосом. Носителями единиц наследственности являются структуры клеточного ядра – хромосомы.
Хромосомы легко могут наблюдаться в делящихся клетках. В клетках тела содержится диплоидный набор хромосом – каждая хромосома имеет аналогичную себе сестринскую хромосому. В половых клетках содержится гаплоидный набор хромосом.
В клетках тела человека 46 хромосом.
Существует два типа клеточного деления – митоз и мейоз. Первый характерен для деления соматических клеток, второй происходит при образовании половых клеток.
При митозе хромосомы удваиваются и затем расходятся по дочерним клеткам. В результате образуются две клетки, абсолютно идентичные родительской.
При мейозе хромосомы удваиваются один раз, но затем следуют два цикла клеточных делений. При первом делении гомологичные хромосомы случайным образом расходятся по разным клеткам. Второе деление мейоза напоминает митоз. В результате мейоза образуется четыре дочерних клетки с гаплоидным набором хромосом.
Процесс рекомбинации хромосом при редукционном делении соответствует рекомбинации менделевских единиц наследственности.
Единицы наследственности называются генами и располагаются линейно в хромосомах. Гены, расположенные в одной хромосоме, называются сцепленными.
Сцепленные гены могут рекомбинировать благодаря процессу кроссинговера, при котором происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.
Процессы рекомбинации, происходящие в мейозе, лежат в основе генетической изменчивости и приводят к генетической уникальности индивидов.
Ученые из Института Сангера фонда Вэлкам Траст в Кембридже, расшифровали еще одну хромосому человека, которая стала самой большой, картированной на данный момент. Хромосома 20 стала третьей по счету. Она содержит информацию о ряде заболеваний, начиная от ожирения и экземы и заканчивая слабоумием и катарактой.

В состав хромосомы входит 727 , 32 из которых связаны с развитием генетических заболеваний, включая болезнь Крейтцфельда-Якоба, тяжелые нарушения иммунной системы, болезни сердца, диабет. Шестьдесят миллионов нуклеотидов, входящие в состав хромосомы, составляют около двух процентов всего генетического кода человека.

Доктор Панос Делоукас, возглавлявший группу ученых, отметил, что хромосома содержит дополнительный участок ДНК, содержащий, по крайней мере, один ген. Подобный участок обнаруживается у 37 процентов людей европейской расы. Ученым не известно, функционирует ли этот ген у людей, и за что он отвечает.

Учеными также обнаружено, что в двадцатой хромосоме встречается более 30 тысяч вариантов расположения нуклеотидов, что обеспечивает разнообразие строения ДНК. Знание вариаций, по мнению ученых, поможет, например, объяснить, почему у некоторых людей есть предрасположенность к развитию рака или сахарного диабета.

Каждая хромосома человека представлена двумя спиралевидными цепочками молекул ДНК, соединенных между собой нуклеотидами. В ДНК содержится четыре нуклеотида: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Последовательность расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет генетический код организма.

У людей 99, 9 процентов генов одинаковы, и именно различие в строении 0, 1 процента генов делает людей уникальными.

Полезно

Проект по расшифровке генома человека – международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20–25 тыс. Проект стал кульминацией нескольких лет работы поддержанной министерством энергетики США, в частности семинаров проводившихся в 1984-м и 1986-м годах, и последовавшими действиями министерства энергетики. Отчёт 1987 года чётко указывает: «Окончательной целью данного начинания является понимание человеческого генома» и «знание человеческого генома так же необходимо для прогресса медицины и других наук о здоровье, как знание анатомии было необходимо для достижения её нынешнего состояния». Поиски технологий, подходящих для решения предложенной задачи, начинались ещё во второй половине 80-х годов. В 1998 году, американский исследователь Крейг Вентер и его фирма «Celera Genomics» запустили аналогичное исследование, финансированное частным капиталом. В начале 1990-х, когда п

Сравнение десятков тысяч человеческих геномов показало, что абсолютно необходимых генов насчитывается 3230.

В биологии есть понятие минимального генома - минимального набора генов, без которых организм не выживет. Конечно, к этому понятию есть масса вопросов. Например, о каком именно организме идёт речь? Можно взять одноклеточную бактерию, а можно очень и очень многоклеточного человека – по образу жизни они настолько разные, что и набор необходимых генов у них, очевидно, тоже будет разным.

Х-хромосома человека под электронным микроскопом. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimited / Corbis.)

Человеческие хромосомы в момент клеточного деления. (Фото Lester V. Bergman / CORBIS.)

Опять же, есть пункт «образа жизни». При каких условиях минимальный геном будет достаточен? Та же бактерия может попасть в исключительно благоприятную питательную среду, с идеальными показателями температуры, содержания солей, питательных веществ и т. д., а может, наоборот, перейти на голодный паёк, да ещё испытать на себе повышение солёности или кислотности. И набор необходимых для выживания генов в обоих случаях будет разный. Поэтому при обсуждении минимального генома часто оговариваются, что речь идёт именно о благоприятных условиях жизни.

Вообще мысль о том, что одни гены нужнее других, возникла сравнительно давно: так, ещё в 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин оценили минимальный необходимый геном для бактериальной клетки в 256 генов; в 2004 году другими исследователями был предложен набор в 204 гена. Минимальный геном строили на сравнительном анализе нескольких бактериальных геномов; если же говорить о конкретном организме, то здесь неизбежно приходится вспомнить о бактерии Mycoplasma genitalium , возбудителе заболеваний мочеполовой системы человека – у неё насчитывается всего 517 генов, из которых 482 кодируют белки; жизненно важных из них 382. Геном микоплазмы некоторое время считался самым маленьким, пока не были прочитаны ДНК ещё нескольких микроорганизмов, которые могут существовать только в виде симбионтов внутри клеток хозяина. Пока что чемпионом здесь является бактерия Carsonella , обитающая в клетках листоблошек – её геном содержит всего 182 гена с белковой информацией.

Бактерии бактериями, а если попробовать оценить минимальное число генов у человека? Именно это попыталась сделать исследовательская группа под руководством Дэниэла Макартура (Daniel MacArthur ) из Института Броуда. Отделить важные гены от неважных можно, если предположить, что важные гены будут у разных людей полностью или почти полностью похожи друг на друга. Известно, что в генах могут проскакивать небольшие изменения в последовательностях, по которым одна особь отличается от другой; такие изменения могут вообще не сказываться на работе белка, кодируемого геном, или же сказываться незначительно. Но в случае важных генов их модификации с очень большой вероятностью плохо отразятся на организме, и он вряд ли выживет. Что до неважных генов, то они могут в определённых условиях позволить себе работать не очень хорошо, не подвергая нашу жизнь опасности.

И вот исследователи взялись сравнить между собой гены 60 тысяч человек (стоит уточнить, что сравнивали лишь экзоны, то есть те участки генов, которые несут информацию о последовательности аминокислот в белках). В сумме удалось найти 10 млн различий.

С другой стороны, для каждого гена оценивали теоретическое количество вариантов, которые бы он получил, если бы они возникали в нём случайно и так и оставались. Результат теоретической прикидки сравнивали с тем, что получили в ходе сравнительного анализа реальных последовательностей ДНК (взятых, напомним, у 60 тыс. человек). Как и ожидалось, какие-то гены легко «относились» к вариациям в собственной последовательности, другие же, напротив, старались от них избавиться. Посчитав гены, в которых изменений не было или почти не было, авторы работы получили цифру 3230 – именно столько человеческих генов не могут позволить себе никаких, даже малейших изменений в функционировании. То есть, можно сказать, что эти 3230 и есть жизненно необходимый генетический набор человека. (Напомним, что всего же человеческий геном насчитывает, по разным оценкам, от 20 до 25 тыс. генов.)

Очевидно, модификации в последовательностях таких генов сразу же приводят к каким-то тяжёлым расстройствам либо ещё во время эмбрионального развития, так что человек даже не успевает появиться на свет, либо уже после рождения, в детстве или ранней юности (человек умирает, не успев родить детей). Действительно, про 20% из описанных 3230 известно, что они связаны с разными заболеваниями, однако функцию большинства остальных генов ещё предстоит выяснить. Полученные результаты можно использовать в медицинских целях: очевидно, что поиск генетических причин тех или иных заболеваний лучше всего начинать именно с «минимального генетического набора».

Новые данные пока что существуют в виде препринта, статьи с ними пока нет. Возможно, что к моменту официальной публикации, после всех замечаний рецензентов, число генов как-то изменится. Впрочем, оно может измениться и так: кто знает, вдруг, если мы возьмём ещё больший набор последовательностей для анализа, то список необходимых генов увеличится? Не будем забывать и о том, что наш геном, как и любой другой, состоит не только из кодирующих последовательностей (то есть тех, что непосредственно несут информацию о белках) – в ДНК существует масса регуляторных участков, промоторов, энхансеров, инсуляторов, участков, кодирующих регуляторные РНК, и среди них, безусловно, есть жизненно важные.

Кстати говоря, одна из задач определения минимального генома – создание организма в буквальном смысле с нуля. Иными словами, можем ли мы, зная генетический набор минимального генома, создать живую бактериальную клетку, пусть и требующую для себя исключительно благоприятных условий? С бактериями, между прочим, это уже пытаются проделать; что ж, когда-нибудь дело дойдёт и до человека.