В статье авторы анализируют историю и последние достижения в расшифровке генома человека в рамках проекта «Геном человека» и не только.
Ключевые слова : геном, молекулярная генетика, наследственная информация.
Введение
Интерес научного сообщества к генетике всегда был волнообразным: в XIX веке Грегор Мендель, сам того не зная, положил начало развитию генетики, открыв закономерности наследования. Фридрих Мишер выделил нуклеиновые кислоты из лейкоцитов. Начало XX века ознаменовалось ещё более важными событиями: Эрвин Чаргафф в 1949–1951 г.г. вывел принципы, описывающие количественное соотношение различных азотистых оснований, входящих в состав ДНК, но самым значимым событием стало открытие Уотсоном и Криком пространственной структуры ДНК. [2, 4, 5]
Логическим продолжением изучения ДНК стал проект «Геном человека», начатый в 1988 году, который позволил установить первую «черновую» последовательность ДНК всех хромосом человека. [7]
Этот проект после своего официального завершения в 2003 году стал отправной точкой других проектов: «Тысяча геномов», который ставит своей целью оценку генетического разнообразия людей всей планеты; проект ENCODE, который был сосредоточен на 1 % человеческого генома и впоследствии завершил две дополнительные фазы (ENCODE 2 и ENCODE 3), в ходе которых проводились полногеномные анализы геномов человека и мыши. [1, 10]
Были созданы базы генетических данных, одна из них — «UK Biobank». Создание таких баз данных позволяет сравнивать уникальные последовательности нуклеотидов каждого человека, собрать анамнез и проследить всю историю болезни, что помогает подобрать лечение или установить причину того или иного заболевания. [2]
Результатом проведенных исследований стало появление системной биологии, позволяющей понять детально работу клетки в целом. Такое понимание было бы невозможно без знания последовательности генома человека.
Реальные возможности (технические, методические, научные) определения структуры молекул, кодирующих наследственную информацию, появились в конце 20 века.
Международный проект «Геном человека» (HGP), начал реализовываться в 1988 году. Его основная цель — определение последовательности нуклеотидов во всех молекулах ДНК человека с одновременным установлением локализации всех генов,получение высокоточной последовательности подавляющего большинства эухроматической части генома человека. Основными направлениями были –структурно-функциональное изучение генома, медицинская генетика и генотерапия. [7]
Первоначально работа велась по двум направлениям:
— картирование геномов человека и мыши, для изучения наследственных заболеваний и обеспечения основы для сборки генома;
— секвенирование организмов с более простыми геномами, которые могли служить испытательным стендом для разработки метода интерпретации генома человека.
В результате работ по этим направлениям стало возможно секвенирование генома человека. Для выполнения этой части программы HGP был создан Международный консорциум по секвенированию генома человека (IHGSC) — открытое сотрудничество с участием двадцати центров в шести странах.
Для реализации проекта возникла необходимость поиска новых технологий расшифровки ДНК, создание новой вычислительной техники и компьютерных программ. Но даже после решения этих задач к 1998 году было расшифровано лишь около 3 % генома. [7]
В феврале 2001 года IHGSC и CeleraGenomics представили черновые варианты последовательностей, дающие первое общее представление о геноме человека. Эти последовательности позволили систематически изучать сам геном человека, включая идентификацию генов, комбинаторную архитектуру белков, различия в составе генома, распределение переносимых элементов, полиморфизма, а также взаимосвязь между генетической рекомбинацией и физическим расстоянием. Более того, систематическое знание генома человека позволило использовать новые инструменты и подходы, которые заметно ускорили биомедицинские исследования.
Однако обе черновые последовательности имели важные недостатки. Например, в последовательности IHGSC было пропущено ≈ 10 % эухроматического генома; она была прервана ≈ 150 000 пробелами; и порядок и ориентация многих сегментов в определенных участках не были установлены.
В результате многолетних усилий IHGSC количество пробелов сократилось в 400 раз и составило всего 341. [8]
Последовательность генома человека состоит из 2 851 330 913 нуклеотидов, почти полностью лежащих в пределах эухроматической части генома. Он прерывается только 341 пробелом, из которых 33 разрыва являются эухроматическими.
Эухроматическая часть генома человека все еще не завершена.
Представленный в 2001 году «эталонный» геном человека охватывал только эухроматическую часть генома, оставляя незаконченными важные гетерохроматические области. Текущий эталонный геном человека был выпущен Genome Reference Consortium (GRC) в 2013 году и исправлен в 2019 году (GRCh38.p13).
В дальнейшем работы были продолжены и Консорциум Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium представил полную последовательность из 3,055 миллиардов пар оснований человеческого генома, T2T–CHM13, которая включает в себя сборки без зазоров для всех хромосом, кроме Y, исправляет ошибки в предыдущих исследованиях. Завершенные области включают все центромерные спутниковые массивы, сегментарные дупликации и короткие рукава всех пяти акроцентрических хромосом, открывая эти сложные области генома для исследований.
Сборка T2T-CHM13 добавляет пять полных хромосомных плеч и больше дополнительных последовательностей, чем в любом эталонном выпуске генома за последние 20 лет. Эти части генома не были исследованы ранее из-за технологических ограничений.
Высокоточное секвенирование с длительным считыванием позволило провести всесторонние исследования геномных вариаций во всем геноме человека. Для таких исследований обязательно потребуется полный и точный эталонный геном человека.
В CHM13 отсутствует Y-хромосома, а гомозиготные Y-несущие CHM нежизнеспособны, поэтому для завершения этой последней оставшейся хромосомы потребуется другой тип образца.
Выходя за рамки эталонного генома человека, крупномасштабные проекты повторного секвенирования выявили геномные вариации в разных человеческих популяциях.
Хотя CHM13 представляет полный человеческий гаплотип, он не отражает всего разнообразия генетических вариаций человека. Чтобы устранить этот недостаток, справочный консорциум «Пангенома человека» объединился с консорциумом T2T для создания коллекции высококачественных справочных гаплотипов из разнообразного набора образцов.
В идеале, все геномы могут быть собраны, но автоматическая сборка диплоидных геномов методом T2T представляет собой сложную задачу. На данный момент последовательность T2T-CHM13 представляет собой наиболее полную, репрезентативную и точную версию. [10]
Понимание работы генома не сводится лишь к описанию набора элементов ДНК и определению их местоположения. Большое значение также имеет характер связей между элементами ДНК, который определяет, как гены будут функционировать и как пойдет индивидуальное развитие в различных условиях среды. Набор активных генов различается в зависимости от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов. [7]
Основополагающим законом передачи наследственной информации в течение последних 70 лет является закон комплементарности при формировании двойной спирали ДНК, считалось, что обработка и хранение информации возможно только за счет структуры двойной спирали. Эта элегантная модель хорошо объясняла молекулярную сущность процессов передачи наследственной информации, поэтому не рассматривались другие возможные взаимодействия в живых объектах.
Однако, в 2023 году российский исследователь Максим Никитин опубликовал в научном журнале Nature Chemistry результаты экспериментов по изучению механизма «молекулярной коммутации» ДНК. Эти эксперименты показали, что обработка информации может происходить без образования ДНК второй спирали. Хранение и передача может осуществляться за счет слабоафинных взаимодействий в случае низкого сродства молекул друг к другу. Также было показано, что даже короткая ДНК, которая некомплементарна гену максимально, может контролировать его работу.
«Молекулярная коммутация» заключается в переносе информации в процессе взаимодействий коротких одноцепочечных молекул ДНК/РНК или других молекул. Варианты взаимодействия определяются «сродством» молекул, а передача информации будет происходить через посредника — коммутатор, слабого взаимодействия с которым вполне хватает, чтобы передать ее. Большее количество олигонуклеотидов позволяет передать гораздо больший объем информации.
Модель, предложенная Никитиным, концептуально не имеет ограничения по числу взаимодействия олигонуклеотидов. Кроме того, эта модель позволяет показать, что неструктурированная оцДНК может специфично регулировать экспрессию гена безотносительно их комплементарности, в зависимости от наличия в среде или организме других олигонуклеотидов, некомплементарных тоже.
Открытый феномен коммутации цепей ДНК дает возможность улучшить специфичность генной терапии и безопасность вакцин за счет выявления и снижения побочных действий препаратов.
Показанное явление коммутации, будучи основным и естественным механизмом взаимодействия молекул друг с другом, может быть ключом к познанию природы самых разнообразных процессов. [10]
Заключение
Сфера применения знаний, полученных при изучении генома человека, огромна. Так, молекулярная антропогенетика вызывает интерес криминалистов, экологов, лингвистов, антропологов, палеонтологов, этнографов, философов, историков и многих других специалистов.
Решению всех этих задач способствовал проект «Геном человека», а также все проекты после него, позволившие заполнить пробелы, дополнить и уточнить уже известные данные.
Литература:
- Mu W., Zhang W. Molecular approaches, models, and techniques in pharmacogenomic research and development //Pharmacogenomics. — Academic Press, 2013. — С. 273–294.2.
- Fairbanks D. J. Demystifying the mythical Mendel: a biographical review //Heredity. — 2022. — Т. 129. — №. 1. — С. 4–11.
- Szustakowski J. D. et al. Advancing human genetics research and drug discovery through exome sequencing of the UK Biobank //Nature genetics. — 2021. — Т. 53. — №. 7. — С. 942–948.
- Dahm R. Friedrich Miescher and the discovery of DNA //Developmental biology. — 2005. — Т. 278. — №. 2. — С. 274–288.
- Portin P. The birth and development of the DNA theory of inheritance: sixty years since the discovery of the structure of DNA //Journal of genetics. — 2014. — Т. 93. — С. 293–302.
- Manchester K. L. Historical Opinion: Erwin Chargaff and his ‘rules’ for the base composition of DNA: why did he fail to see the possibility of complementarity? //Trends in biochemical sciences. — 2008. — Т. 33. — №. 2. — С. 65–70.
- Watson J. D., Crick F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid //Nature. — 1953. — Т. 171. — №. 4356. — С. 737–738.
- Гнатик Екатерина Николаевна Расшифровка генома человека: успехи, проблемы, перспективы // Вестник РУДН. Серия: Философия. 2016. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rasshifrovka-genoma-cheloveka-uspehi-problemy-perspektivy (дата обращения: 23.03.2023).
- Leamon J. H., Rothberg J. M. DNA sequencing and genomics. — 2009.
- Nurk S. et al. The complete sequence of a human genome //Science. — 2022. — Т. 376. — №. 6588. — С. 44–53.
- Nikitin M. P. Non-complementary strand commutation as a fundamental alternative for information processing by DNA and gene regulation //Nature Chemistry. — 2023. — С. 1–13.
- Davis C. A. et al. The Encyclopedia of DNA elements (ENCODE): data portal update //Nucleic acids research. — 2018. — Т. 46. — №. D1. — С. D794-D801.
