Бум расшифровки геномов

2006 год начался в науке продолжил ряд очень заметных публикаций, связанной с расшифровкой и анализом геномов целых организмов. Так, две заметных публикации в последнем Nature продолжает эту линию.

Международная группа молекулярных генетиков (Kerstin Lindblad-Toh et al.) сообщила о завершении работ по определению нуклеотидной последовательности всех хромосом домашней собаки (Canis familiaris).

Исследователями также составлена карта одиночных нуклеотидных полиморфизмов (SNP - single nucleotide polymorphisms) между породами собак и проведен сравнительный анализ генома и генов с таковыми грызунов и приматов. Информация о генетике собаки представляет особенный интерес для эволюционистов в связи с огромным разнообразием пород по морфологическим, физиологическим и поведенческим признакам.

Очередную большую порцию анализа расшифрованного генома человека опубликовал Международный консорциум по расшифровке генома человека (The International Human Genome Sequencing Consortium, IHGSC). В последнем Nature в качестве главной темы опубликованы данные расшифровки последовательности человеческой 8-ой хромосомы, а также и некоторые удивительные результаты по сравнению последовательности этой человеческой хромосомы с аналогичными последовательностями других млекопитающих.

В целом 8-я хромосома человека оказалась очень похожей на таковую других животных. В качестве самого уникального свойства 8 хромосомы человека (а также человекообразных обезьян) от аналогичных участков других животных, найден участок хромосомы, который чрезвычайно повержен мутациям и где скорость эволюции, соответственно, существенно выше. Этот регион расположен на расстоянии в 15 миллионов нуклеотидов (мегабаз) от 8p конца хромосомы. В этом участке расположены гены, кодирующие белки, имеющие отношение к врожденному иммунитету, а также к развитию нервной системы. Так кластеры генов DEF и MCPH15, похоже, могут иметь отношение к развитию мозга высших приматов, который существенно больше, чем мозг других животных. Данные результаты могут быть использованы как для выяснения механизмов биологии человека, так и при изучении болезней.

Уже на самом простом методе анализа – сравнения генома человека с геномом других животных можно сделать некоторые выводы. Очень интересные результаты начали появляться в научных журналах в сентябре 2005, когда международная команда ученых закончила расшифровку генома нашего ближайшего родственника среди животных - шимпанзе.

Среди прорывов 2005 года журнал Scienceназвал в том числе работу по сравнению геномов шимпанзе и человека. Данные о строении генома подтвердили существовавшее на основе сравнения фенотипических признаков представление о близости двух видов: наша ДНК отличается от ДНК шимпанзе лишь 1% нуклеотидов, а аминокислотная последовательность белков отличается еще меньше (за счет того, что различные тройки нуклеотидов кодируют одну и ту же аминокислоту в белке).

Но неожиданно большим по сравнению с человеком оказалось количество некодирующих последовательностей, вырезаемых или вставляемых в геноме шимпанзе, что доводит общее различие в нуклеотидной последовательности ДНК в дифференцированных клетках двух наших видов до 4%. Именно среди этих отличий скрываются все признаки, отличающие нас от шимпанзе: более редкий волосяной покров, прямохождение, большой творческий мозг и т.д. Мы пока далеки от полного понимания генетики всех этих столь значительных для человека отличий, однако ученые уже выявили некоторые гены, определяющие развитие мозга и поведение.

Вообще, расшифровка геномов целых организмов - это затратная область молекулярной биологии, и российских работ по этой теме почти нет. Но ученые российского происхождения довольно часто встречаются среди авторов лучших работ в этой области. Так, например, первым автором статьи про геном шимпанзевыступает выпускник биофака МГУ Филипп Хайтович.

Вслед за расшифровкой генома человека (2000) настал черед других видов. В настоящее время секвенированы геномы 339 видов: 25 архебактерий, 270 бактерий и 46 эукариот, из них 12 протистов, 19 грибов, 2 растений и 13 животных: нематоды Caenorhabditis briggsae, дрозофилы (Drosophila melanogaster), малярийного комара (Anopheles gambiae), шелкопряда (Bombyx mori), асцидии Ciona intestinalis, рыб Tetraodon nigroviridis, Danio rerio и Takifugu rubripes, крысы (Rattus norvegicus), мыши (Mus musculus), домашней собаки (Canis familiaris), шипанзе (Pan troglodytes) и человека (Homo sapiens). Сейчас исследовательскими группами ведется секвенирование и расшифровка еще 905 прокариотических и 569 эукариотических геномов.

Благодарим за ценные уточнения в списке расшифрованных геномов доктора биологических наук Михаила Гельфанда (И-т проблем передачи информации РАН).

Секвенирование (расшифровка) ДНК. Справка

В современной молекулярной биологии секвенирование (расшифровка) ДНК – это уже технологичная рутина. Принцип был изобретен в 1977 году Сэнгером и др. (Sanger F., Niclein S., Coulson A.R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1977, v. 74, p. 5463-5467) и произвел революцию методах биологических исследований. Метод секвенования по Сэнгеру основан на том, что копирование ДНК с помощью специального фермента (ДНК-полимеразы) в пробирке можно остановить с помощью 2',3'-дидезоксинуклеозидтрифосфата - неправильного нуклеотида («буквы» ДНК), - который так устроен, что узнается ферментом, но зато не цепляет следующий нуклеотид.

Всего разных нуклеотидов («букв генома»), четыре. Поэтому если в четырех разных пробирках останавливать реакцию четырьмя разными измененными нуклеотидами, то исследователь получит четыре разных набора кусков ДНК, у которых будет общее начало, но разрыв в разных местах, точно соответствующих неправильным буквам. Эти разные ниточки разделяют по длине с помощью электрофореза в геле (под воздействием электрического тока маленькие куски ДНК упевают "продраться" через гель дальше, чем длинные). Так что на фото геля, получается картина, с которой можно однозначно прочитать текст ДНК. Например, если неправильная буква G дает три фрагмента разной длины, то значит, в изначальной ДНК есть три буквы C (С комплементарно G), а их местоположение легко устанавливается по соотношению длины фрагментов - короткий фрагмент означает, что буква ближе к началу (см. рисунок).

За последние годы часть процессов секвенирования удалось автоматизировать, но принцип работы «секвенаторов» остался прежним. Однако если проект расшифровки генома человека был еще целой историей, но столь же большие геномы шимпанзе и домашней собаки были расшифрованы очень быстро относительно небольшими силами.

На картинке – схема метода секвенирования по Сэнгеру из обзора на сайте molbiol.ru