Медицинские перспективы расшифровки генома. Проблемы расшифровки генома

Заключение
Изучение и полноценное исследование генома человека стало началом для секветирования геномов и других более простых в генетическом аспекте организмов. Значение проведенного исследования в рамках проекта внесло весомый вклад в изучение генома, причем исследования продолжаются и только набирают обороты.
Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995генома бактерии Haemophilusinfluenzae, 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 Caenorhabolitselegans (нематоды). Завершена расшифровка генома первого насек ...

Содержание

Введение 3
Глава 1 Расшифровка генома человека 5
1.1 Геном человека 7
1.2 Генетический скрининг 9
Глава 2 Вклад зарубежных и отечественных ученых в расшифровку генома 15
2.1 Возникающие проблемы при расшифровке генома человека 18
2.2 Перспективы расшифровки генома человека 23
2.3 Первые результаты 25
Заключение 29
Список использованной литературы 31

Введение
Программа «Геном человека» – самый крупномасштабный биологический проект в истории науки. Стоимость геномных проектов в США – лидере во всемирном консорциyме генoмных исследований – соизмерима со стоимостью создания водородной бомбы и космических проектов.
Причем на определенных этапах фундаментальных разработок геномных исследований в данную область мощно вошли коммерческие организации, финансовые вложения которых стали соизмеримы с объемами государственного финансирования.
Реализация проекта «Геном человека» привела к небывалой ранее как междисциплинарной, так и международной интеграции науки. Для осуществления технических решений потребовались усилия химиков, физиков, математиков, инженеров, а в разработке фундаментальных аспектов участвовали не только биологи и медики разных специальностей – биохимики, молекулярные биологи, генетики, эволюционисты, антропологи, но и археологи, лингвисты, специалисты по биоэтике и юриспруденции[1].
Результатом выполнения первого этапа проекта «Геном человека» стало черновое определение нуклеотидной последовательности всего генома (с точностью не более одной ошибки на 1000 нуклеотидов, тогда как конечная точность должна быть в 10 раз выше) и частичная аннотация сиквенса, то есть описание выявленных в нем кoдирующих и регуляторных последовательностей [2].
Первый этап программы «Геном человека» был завершен в 2001 году, когда были получены генетические и физические карты генома; определена вчерне последовательность нуклеoтидов всего генома и проведена его аннотация; выявлено большинство генов, связанных с развитием моногенных наследственных заболеваний. Начат следyющий этап программы, целями которого являются изучение структуры прoдуктов экспрессии генома – РНК и белков (транскриптомика и протеомика); изучение регуляции процесса экспрессии и сетей взаимодействия генных продуктов (функциональная геномика), исследование разнообразия геномов людей и его связь с мультифакторными признаками человека [3].
Наблюдаемая дифференциальная чувствительность разных людей к средовым факторам в зависимости от индивидуальных наследственных особенностей сводится к адаптивному процессу или, напротив, к дезадаптации, сопровождающейся проявлением профессиональных или мультифакториальных болезней, возникающих в результате таких контактов. Систематические наблюдения исследователей наводят на мысль, что возможность того или иного человека заниматься определенными формами трудовой деятельности определяется, в частности, наследственными особенностями.
Множество агентов внешней среды, с которыми соприкасаются люди, можно считать новыми, если принять во внимание весь огромный предшествующий период исторического развития Homosapiens. Воздействующие на организм факторы внешней среды подразделяются на естественные и искусственные, биотические и абиотические. К относительно «новым» средовым факторам следует отнести ксенoбиотики – инородные для нормального метаболизма вещества с потенциальным биологическим эффектом (десятки тысяч химических соединений, включая лекарственные препараты).
Цель данной работы заключается в изучении перспектив исследования генома человека и его значение для медицины.
В соответствии с поставленной цeлью пoставлены следующие задачи:
1. Изучить материалы пo исследованиям генома человека;
2. Раскрыть понятие «геном» человека;
3. Рассмотреть зарождение идеи создания геномной программы;
4. Изучить процесс генетического скрининга;
5. Раскрыть значение понятия «генетический паспорт».

Эта программа скрининга требует огромных кадровых и экономических затрат, она быстро распространилась на неонатальное выявление других курабельных заболеваний, таких как галактоземия, гипотиреоз и гомоцистинурия. Такого рода меры, необходимые для вторичной профилактики, подчеркивают значение взаимодействия между окружающей средой и наследственностью для проявления болезни и не сопряжены с серьезными этическими проблемами.Генетический скрининг может быть очень полезен при определении врожденных заболеваний у новорожденных. Так, например, существуют исследования, которые посвящены изучению наследственной глухоты.Известно, что врожденная глухота обусловлена гетерогенной природой, то есть может быть как приобретенной, так и генетически запрограммированной. Ребенку, родившемуся с врожденной двухсторонней тяжелой тугоухостью после проведения подробного аудиологического обследования необходимо провести генетическое тестирование, которое совместно с предыдущими данными обеспечит наиболее полную характеристику патологии генотипа. Особенно важно данное обследование ребенка при условии отсутствия каких-либо признаков тугоухости [11, 12].Постепенно, по мере накопления информации о геноме человека, оформилась идея создания генетического паспорта, в котором бы отражалась генетическая информация каждого человека, что помогло бы ограничить риски, подобрав лечение индивидуально для конкретного человека.Геном человека составляют различные гены и фактически любой человек может быть носителем скрытых мутаций, информация о которых важна практическом смысле для супругов, например, которые планируют заводить детей. Тестирование болезней с поздней манифестацией (проявлением), включая онкологические заболевания – не менее важная задача, решение которой под силу при исследовании состава егнов. На данном этапе медицина не в силах лечить подобные заболевания, однако возможность дать человеку рекомендации, что может помочь удалить новообразование на ранней стадии. Тестирование человека на его предрасположенность к заболеваниям – также задача, которая важна для человечества. Некоторые ученые считают, что не следует осуществлять все анализы по первому требованию, как это происходит на Западе. Образец должен попадать к молекулярному биологу только после того, как пациент побеседует со специалистом по медицинской генетике, и будет собран анамнез. Каждый человек, вспоминая ушедших родственниках, вспомнит: дядя страдал от повышенного давления, у дедушки было два инфаркта, у родственников по женской линии были проблемы с почками. Полученные данные помогают определиться с первоочередными задачами тестирования. У врачей есть термин - locus minoris resistentiae, место наименьшего сопротивления. Обычно он употребляется применительно к сопротивлению инфекции, но это верно и в общем смысле: при стрессе, избыточной нагрузке в организме лопается самое слабое звено, и генетическое тестирование поможет заранее определить его. Генетический паспорт является логичным продолжением генетического скрининга. Результаты проведенных исследований, тестирования заносятся в генетический паспорт и представляют собой характеристику генетической предрасположенности к тем или иным заболеваниям [13].Медицинская диагностика на сегодняшний день располагает современными технологиями генотипирования, позволяющими с высокой точностью определить генотип человека, что открывает широкие перспективы развития персонализированной медицины. Большинство генетических вариаций обусловлено заменами единичных нуклеотидов, приводящими к количественным изменениям экспрессии или затрагивающими биологические свойства белков. Известно около 10 млн однонуклеотидных полиморфизмов, однако их биологический смысл не всегда очевиден. В настоящее время активно изучается наследственная предрасположенность к атеросклерозу, идентифицируются генетические варианты генов метаболизма липидов крови, эндотелиальной дисфункции, системы гемостаза, белков, вовлечённых в агрегацию тромбоцитов и тромбоз.Индивидуальный «генетический паспорт» позволяет определить факторы риска атеросклеротического поражения сосудов у конкретного человека задолго до развития заболевания. Актуальными остаются определение и исследование групп генов, ответственных за развитие атеросклероза у людей, населяющих конкретную местность. На основании данных исследований возможно создание специфических для Республики Татарстан тест-систем диагностики предрасположенности к развитию определённых форм атеросклероза, широкое внедрение которых позволит значительно снизить смертность и инвалидизацию населения, экономический и социальный ущерб [13].Вывод к главе 1: В результате исследований, которым положило начало научное сообщество, человечество получило возможность заглянуть за черту, внутрь своей генетической информации и попытаться разгадать ее, что помогло прийти к ряду интересных идей. В частности, к идее создания генетического паспорта, который бы содержал всю биологическую и генетическую информацию о человеке, позволяющую решить такие вопросы, как генетические заболевания или алкогольная зависимость.Благодаря научным данным о геноме человека стала возможна такая процедура, как генетический скрининг, который еще на стадии беременности, например, позволяет составить картину о генетической информации будущего ребенка, что помогает в будущем решить ряд вопросов, связанных с наследственными заболеваниями.Глава 2 Вклад зарубежных и отечественных ученых в расшифровку геномаКоординационный центр HUGO находится в американском городе Бетесда, недалеко от Вашингтона, и относится к системе национальных институтов здоровья (National Institutes of Health). Возглавляет его Фрэнсис Коллинз - директор Института геномных исследований в Бетесде. Центр координировал научную работу в шести странах - Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. Но национальные программы по геномике сегодня имеют более 20 стран (20 лабораторий), а членами HUGO являются представители более 50 стран. Национальные программы есть в развивающихся странах, в частности, в Китае и Бразилии, где правительства понимают важность геномной программы [14]. Российская программа развивалась по ряду направлений: медицинская геномика‚ функциональная геномика,биоинформатика. Одним из главных направлений является биоинформатика. Биоинформатика представляет собой компьютерный анализ всей совокупности данных по нуклеотидным последовательностям ДНК. На данный момент, в базах данных находится несколько миллиардов нуклеотидных пар человеческого генома и геномов других живых организмов. В этом море информации еще нужно разобраться, описать, понять порядок следования генов, в том числе определить начало и конец гена, регуляторные участки. Расшифровка нуклеотидной последовательности настолько сложный и трудоемкий процесс. Вероятность правильного предсказания на сегодняшний день достигает 85%. Биоинформатика не дает конечной информации, а предоставляет фактически исходные данные. Наличие того или иного гена проверяется экспериментально [15]. Ученые-экспериментаторы "вырезают" предполагаемый ген из ДНК и проверяют, действительно ли этот фрагмент отвечает за синтез определенной белковой молекулы. Еще один аспект, который особенно бурно развивается в многонациональной России – это определение генома разных народностей. Ее населяют разные этнические группы. Оказывается, что геном у разных народностей слегка различается. Можно в ДНК выделить определенный "рисунок" нуклеотидов (особое расположение), который будет говорить о том, что этот человек - башкир, а этот - татарин. Геномы представителей разных этнических групп не идентичны, но различия между ними чрезвычайно незначительны, хотя и абсолютно достоверны, и поэтому возможно сравнивать разные этнические группы [1, 5, 8-12].Славяне близки по материнской линии (поскольку изучается митохондриальная ДНК, передающаяся ребенку от матери) к нашим западным соседям: немцам, угрофиннам.Сейчас ведутся работы по изучению Y-хромосомы, что гораздо сложнее, чем изучать митохондриальную ДНК. Через два-три года мы будем знать, как выглядит русский этнос по отношению к своим соседям уже по отцовской линии.Работа очень увлекательная и ведется весьма активно. Участвуют исследователи из Томска, Москвы, Уфы и Тарту (Эстония). Международное сообщество смотрит на результаты наших исследований во все глаза: ведь мы имеем уникальные этносы.Прежде всего, можно будет подбирать лекарственные препараты "по национальному признаку". Ведь не секрет, что многие признаки сцеплены с принадлежностью человека к определенной этнической группе. Поэтому такие исследования не только очень интересны, но они еще и создают основу будущей индивидуальной медицины [16].Новая медицина станет не только индивидуальной, а профилактической (превентивной). Врачи смогут не только лечить болезнь, но и предотвращать ее возникновение [15, 17]. 2.1 Возникающие проблемы при расшифровке генома человекаПрежде всего, возникает вопрос о значении понятия «геном». Зачастую  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 [18]. Существует феномен «неканонической наследственности», привлекший внимание в связи с эпидемией «коровьего бешенства», которая 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. Проникая в клетку-хозяина, они изменяют конформацию нормальных белков-аналогов. Феномен прионов обнаружен также у дрожжей. Рисунок 2 Примерное распределение генов человека по их функциям1 – производство клеточных материалов; 2 – производство энергии и ее использование; 3 – коммуникации внутри и вне клеток; 4 – защита клеток от инфекций и повреждений; 5 – клеточные структуры и движение; 6 – воспроизводство клеток; 7 – функции не выясненыПопытка 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. Важно также знать не только порядок следования звеньев в цепи ДНК и взаимное расположение генов, их функции, но и выяснить характер связей между ними, который, собственно, определяет, как гены будут работать в конкретных условиях – внутренних и внешних. Большинство болезней человека обусловливается не дефектами в самих генах, а нарушениями их согласованных действий, системы их регуляции [19]. 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 [20]. Соотношение кодирующих и некодирующих областей генома является интересным и в то же время интригующим многих ученых аспектом изучения генома человека. Проведенные исследования с помощью компьютерного анализа выявили, что  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. Сравнение данных с дрожжевым геномом и геномом человека показало, что  доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала. Парадокс состоит в том, что 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 пустой информации, которая не несет конкретной информации и представляется ученому миру непонятной для понимания [2, 5-10, 13].Один из авторов модели ДНК «двойная спираль» Ф. Крик дал название данной части ДНК - «эгоистической», или «мусорной». Предположительно, часть ДНК, пока не известно какая конкретно, и относится к таковой, при этом уже совершенно точно ясно, что основная доля «эгоистической» ДНК сохраняется в ходе эволюции, увеличиваясь, что дает ее обладателю эволюционные преимущества. Геном человека отличается большим ранообразием участков, отличающихся между собой парой или всего одним нуклеотидов, которые при этом передаются из поколения в поколение. Данный феномен как мешает исследователю, поскольку необходимо тратить время на дополнительные исследования, истинный ли это полиморфизм или ошибка секвенирования, так и является уникальной возможностью для молекулярной идентификации отдельного организма. С теоретической точки зрения, вариабельность генома создает основу генетики популяций, которая ранее основывалась на чисто генетических и статистических данных. Другая область применения результатов секветирования генома человека заключается в идентификация новых генов и выявление среди них тех, которые обусловливают предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Например, известны уже данные о генетической предрасположенности к алкоголизму и наркомании, открыты семь генов, дефекты в которых приводят к токсикомании. Идентификация конкретных генов позволит проводить раннюю (и даже пренатальную) диагностику заболеваний, предрасположенность к которым уже установлена. Любопытным является тот факт, что разные аллели одного гена могут обусловливать разные реакции людей на лекарственные препараты. Вероятно, данное обстоятельство будет применено в фармакологии. Может возникнуть целая новая отрасль – фармакогенетика, область изучения которой - влияние особенностей строения ДНК на эффективность лечения. Появятся совершенно новые подходы к созданию лекарственных средств, основанные на открытии новых генов и изучении их белковых продуктов, что позволит перейти от неэффективного метода «проб и ошибок» к целенаправленному синтезу лекарственных веществ.  Вариабельность генов, вероятно, приобретет важное практическое значение, как возможность идентификации личности человека. 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 [21]. 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. Несмотря на сложность проведения исследований в данном направлении, одной из серьезных проблем, которая, в первую очередь, вызывает опасение, является финансирование проекта. Другой момент участие в геномном исследовании большого числа специалистов. При этом оба момента основывались на постулате, что расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК сможет решить фундаментальные проблемы генетики.Результаты же исследований показали, что лишь 3% генома человека кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов в ходе развития. Функциональная направленность остальных участков ДНК не определена. Известно, что примерно 10% генома человека составляют так называемые Alu-элементы длиной 300 п.н., появление которых остается не изученным белым пятном в эволюции приматов, при этом данный факт отмечен только у них. Попав к человеку, они размножались до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом, то образуя сгустки, то прерывая гены [22]. 2.2 Перспективы расшифровки генома человекаОжидается, что результаты, полученные в ходе секветирования генома человека, можно применить для лечения генетических заболеваний. На сегодняшний день, идентификацию прошло большое количество генов, которые ответственны за многие болезни человека, например, такие 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 двадцать второй хромосомы и определены функции половины ее генов. С дефектами в них связано двадцать семь различных заболеваний, в том числе шизофрения, миелолейкоз и трисомия двадцать вторая является второй по распространенности причина спонтанных абортов [23]. Эффективным способом лечения таких больных фактически является замена дефектного гена здоровым. Теоретически это возможно, однако на данный момент не представляется возможной, так как необходимо знать точную локализацию гена в геноме, при этом необходимо, чтобы ген попал во все клетки организма (или хотя бы в большинство), к сожалению, современные технологии не позволяют воплотить в реальность. Кроме того, даже попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается ею как чужой, и она пытается избавиться от него. Дать конкретных гарантий на такое «лечение» на данный момент невозможно. Другое 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 [24]. 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.   Одной из сложнейших в биологии остается проблема взаимосвязи сигнальных регуляторных путей. Дело в том, что взаимодействие белковых продуктов многих генов происходит одновременно, причем комбинации белков меняются не только во времени, но и в клеточном пространстве.