Введение в молекулярную биологию.

Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития молекулярной биологии и молекулярной генетики, их взаимосвязь с классической генетикой. Практическое значение молекулярной биологии. Современные важнейшие достижения биотехнологии, перспективы ее использования в клинической медицине. Понятие о молекулярной медицине.

Предмет молекулярной биологии. Молекулярная биология - нау­ка, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности пу­тём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекуляр­ному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, изменчивость, размножение, биосинтез, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, пре­вращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта молекулярной биологии — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые прими­тивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточ­ного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные кле­точные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; да­лее — системы, стоящие на границе жи­вой и неживой природы, — вирусы, в т. ч. и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой мате­рии — нуклеиновых кислот и белков. В основе концепции молекулярной биологии лежит представление, что организмы – это динамические формы живой материи, частицы (молекулы) которой и силы, действующие на них, непрерывно изменяются и взаимодействуют друг с другом и с открытой средой.

Биологические процессы, происходящие в различных формах организмов, подчиняются общим законам физики и химии. В связи с этим при изучении структуры молекул, а также их систем, следует обращать особое внимание на химические связи, кинетику химических реакций и другие физические и химические внутри- и межмолекулярные взаимодействия.

Однако определенные стереохимические различия и индивидуализация молекул ДНК приводят к тому, что одни и те же химические компоненты связываются друг с другом в различных последовательностях, положениях, количествах, обеспечивая появление индивидуальных и различных форм жизни.

Конечный результат биохимического исследо­вания может быть представлен в виде той или иной системы химических уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой молекулярной биологии яв­ляется её трёхмерность. Сущность молекулярной биологии усматривается М. Перуцем в том, что­бы истолковывать биологические функции в понятиях молекулярной структуры.

Решающую роль приобретают взаимное расположение атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуаль­ных, компонентов, так и общей конфигу­рации молекулы в целом. Именно в ре­зультате возникновения строго детермини­рованной объёмной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу которых они оказываются способны­ми служить материальной основой био­логических функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типичную черту молекулярной биологии.

Предметом изучения молекулярной биологии является также исследование молекулярных факторов вирулентности и иммунохимической специфичности.

Молекулярные факторы вирулентности. Специфические участки и компоненты микробных макромолекул и более крупных структур, способные вызывать заметные физико-химические, функциональные и структурные изменения в более высокоорганизованной живой единице, такой, например, как человек, можно назвать факторами вирулентности.

У микроорганизмов, обитающих в более высокоразвитых хозяевах, основной механизм связи хозяин-паразит представляет собой специфическую реакцию на молекулярном уровне, вызывающую губительные изменения, как в хозяине, так и в паразите.

Взаимодействия между вирулентным агентом и мутантным хозяином, утратившим один или несколько своих ферментов или структур, необходимых для ассоциации паразита с хозяином и для репродукции вирулентного агента, не вызывают таких губительных последствий.

Очевидно, вирулентность зависит, в сущности, от взаимодействия между уникальными по конформации субъединицами патогенных микроорганизмов и комплементарными субъединицами в чувствительном хозяине. В результате этих взаимодействий в хозяине разрушаются жизненно важные биомолекулы и биоструктуры. Однако молекулярная природа вирулентности изучена недостаточно.

Молекулярные факторы иммунохимической специфичности. Иммунохимические свойства молекулы складываются из двух основных факторов. Первый – это иммуногенность или способность вызывать образование специфических иммуноглобулинов, содержащих участки (сайты), комплементарные специфическим областям поверхности молекулы. Второй – способность к объединению, направленная непосредственно на стереохимические сайты макромолекулы иммуноглобулина, комплементарной молекуле, индуцировавшей данную конфигурацию. Как следует из квантовой иммунохимии, иммунная реакция индуцируется в том случае, когда электроны атомов иммунокомпетентной клетки получают энергию от молекул антигена, в результате чего они переходят в возбужденное состояние с большей энергией. Поглощение энергии приводит к молекулярным перестройкам в клетках, которые передаются клеткам потомства. Эти клетки продуцируют молекулы иммуноглобулинов с определенной электронной конфигурацией, которые могут благодаря этому специфически реагировать с исходной молекулой антигена. Лишь молекулы антигена и антитела, образованные в результате поглощения и передачи квантов энергии и отличающиеся по энергии внешних орбиталей их электронов, могут взаимодействовать с образованием продуктов иммунной реакции. Для проявления иммуногенности необходимо, очевидно, наличие кольцевой структуры молекул. Так, простые сахара и олигосахариды становятся иммуногенами, если присоединяют по крайней мере одну молекулу с кольцевой структурой.

Антигенность молекул белков и пептидов в основном зависит от присутствия молекул определенных аминокислот, например тирозина или глутамина, расположенных на поверхности белковой или пептидной молекулы. Антигенный характер молекулы определяется расположением, пространственной конфигурацией и последовательностью аминокислот или моносахаридов на поверхности макромолекулы.

Иммунохимически активный участок (сайт) на белковой макромолекуле – это такой участок, в котором определенные остатки аминокислот приближаются к новосинтезирующейся молекуле иммуноглобулина на расстояние связи, составляющее примерно 0.2 нм.

Связывающий центр молекул иммуноглобулинов можно наглядно представить в виде неглубокой полости размером около 700 А0. В зависимости от класса иммуноглобулинов в молекуле антитела можно обнаружить от двух до десяти связывающих сайтов или комплементарных областей.

Задачи молекулярной биологии. В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от молекулярной биологии (М. б.), на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее — пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний — молекулярных болезней. Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т.е. действия ферментов. К числу современных важнейших направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов, токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б.— познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важнейших разделов М. б.— генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетических дефектов). В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживающие (напр., получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских веществ.

Основные этапы развития молекулярной биологии и молекулярной генетики, их взаимосвязь с классической генетикой. Молекулярная биология — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта при­меняемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элемен­тарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно свя­зана с молекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя, и сформировалась уже в самостоятельную, дисциплину.

Огромное зна­чение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов, говоривший о последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы. Самый термин «Молекулярная биология» был впервые употреблён в начале 40-х годов английским учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибрилляр­ных (волокнистых) белков, таких, как кол­лаген, фибрин крови или сократитель­ные белки мышц. Широко применять термин «Молекулярная биология» стали с начала 50-х гг. 20 в. Возникновение М. б., как сформировав­шейся науки, принято относить к 1953г., когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Кем­бридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это позволи­ло говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало извест­но несколько раньше (1944) в результате ра­бот американского генетика О. Т. Эйвери с сотруд­никами, но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строе­ния ДНК. Это стало возможным лишь пос­ле того, как в лабораториях У. Л. Брэгга, Дж. Бернала и др. были разработаны но­вые принципы рентгеноструктурного ана­лиза, обеспечившие применение этого ме­тода для детального познания прост­ранственного строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмер­ную структуру миоглобина, а в после­дующие годы это было сделано М. Пе­руцем в отношении гемоглобина. Были сформулированы представления о раз­личных уровнях пространственной организа­ции макромолекул.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологические функции моле­кулы, служит ДНК.

Так же и в случае гемоглобина оказа­лось, что его биологическая функция — спо­собность обратимо присоединять кисло­род в лёгких и затем отдавать его тка­ням — теснейшим образом связана с осо­бенностями трёхмерной структуры гемо­глобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциа­ции О2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемо­глобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кис­лороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин «молеку­лярными лёгкими».

Одна из важнейших черт живых объек­тов — их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. в научные открытия сле­дует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма обозначаемого как аллостерический эффект. Он заключается в способности веществ низкой молекулярной массы— т. н. лигандов — видоизменять специфические биологические функции макромоле­кул, в первую очередь каталитически действующих белков—ферментов, гемо­глобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран, в синаптической передаче.

В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являю­щейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический уникальный отпечаток.

Молекулярная генетика (М.г.), раздел генетики и молекулярной биологии, ста­вящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования про­текающих на субклеточном, молекуляр­ном уровне процессов передачи, реализа­ции и изменения генетической информации, а также способа её хранения.

М. г. выделилась в самостоятельное, направ­ление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических мето­дов (рентгеноструктурный анализ, хро­матография, электрофорез, высокоскоро­стное центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактив­ных изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компо­нентов клетки и всю клетку как единую систему. С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики и кибернетики. Большую роль в быстром развитии М. г. сыграло перенесение центра тяжести генетических ис­следований с высших организмов (эукариотов) — основных объектов классической гене­тики, на низшие (прокариоты) — бак­терии и многие другие микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования бо­лее простых форм жизни для решения ге­нетических проблем заключаются в быстрой смене поколений у этих форм и возмож­ности изучать одновременно огромное число особей; благодаря этому сильно воз­растает разрешающая способность гене­тического анализа и повышается его точность. Кроме того, сравнительная простота орга­низации бактерий и особенно вирусов облегчает выяснение молекулярной при­роды генетических явлений. Высказываемое иногда мнение о тождестве М. г. и гене­тики микроорганизмов ошибочно. М. г. изучает молекулярные основы генетических процессов как у низших, так и у высших организмов и не включает частной гене­тики прокариотов, занимающей видное место в генетике микроорганизмов.

За свою недолгую историю М. г. до­стигла значительных успехов, углубив и расши­рив представления о природе наследст­венности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развиваю­щееся направление генетики.

Одно из главных достижений М. г.— выяснение химической природы гена. Классическая генетика установила, что все наследст­венные потенции организмов (их генети­ческая информация) определяются дис­кретными единицами наследственно­сти — генами, локализованными гл. обр. в хромосомах клеточного ядра, а также в некоторых органеллах цитоплазмы (пла­стидах, митохондриях и др.). Однако методы классической генетики не позволяли вскрыть химическую природу генов, что было отмечено ещё в 1928г. выдающимся биологом Н. К. Кольцовым, обосновав­шим необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уров­не. Первый успех в этом направлении был достигнут при изучении генетической трансформации у бактерий. В 1944 американский учёный О. Т. Эйвери с сотрудни­ками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетиче­ски отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетическая трансформация с помощью ДНК была открыта у других бактерий, а в послед­нее время — и у некоторых многоклеточных организмов (цветковые растения, насеко­мые). Т. о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был под­тверждён опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса до­статочно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все другие компоненты вируса (белки, липиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состо­ят из РНК. Выяснение генетической роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимическими, физико-химическими и рентгеноструктурными методами. В 1953 американский учёный Дж. Уотсон и английский учёный Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, предположив, что её гигантские молекулы представ­ляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными апериодически, но в определённой последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити по правилу комплементарности. Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика. Несколько позже было установлено, что аналогичной структурой обладают моле­кулы разных РНК, только они большей частью состоят из одной полинуклеотидной нити. Дальнейшие работы, в которых химические и физико-химические методы сочета­лись с точными генетическими методами (ис­пользование разнообразных мутантов, явлений трансдукции, трансформации и т. д.), показали, что разные гены раз­личаются как числом входящих в них пар нуклеотидов (от нескольких десятков до полутора тысяч и более), так и строго определённой для каждого гена последо­вательностью нуклеотидов, в которой зако­дирована генетическая информация. Принци­пиально сходную химическую структуру имеют и гены, состоящие из РНК,— у вирусов РНК-типа.

Классическая генетика рассматривала ген как дискретную и неделимую единицу на­следственности. Большое значение в пере­смотре этой концепции имели работы А. С. Серебровского и его учени­ков, в 1930-х гг. впервые указавших на возможность делимости гена. Однако разрешающая способность методов клас­сической генетики была недостаточной для изучения тонкого строения гена. Только с развитием М. г. удалось в 50—60-х гг. решить эту проблему. Многими работами, проведёнными сначала на бактериях и вирусах, а затем и на многоклеточных организмах, было выяснено, что ген обла­дает сложным строением: он состоит из десятков или сотен участков — сайтов, способных независимо мутировать и рекомбинировать. Пределом дробимости гена, а, следовательно, и минимальным разме­ром сайта является одна пара нуклео­тидов (у вирусов, которые содержат одну нить РНК,— один нуклеотид). Установ­ление тонкого строения генов позволило значительно углубить представление о ме­ханизме генетической рекомбинации и зако­номерностях возникновения генных му­таций, оно способствовало также выясне­нию механизма функционирования генов.

Данные о химической природе и тонком строении генов позволили разработать методы их выделения. Впервые это было выполнено в 1969г. американским учёным Дж. Бэквитом с сотрудниками для одного из ге­нов кишечной палочки. Затем то же уда­лось осуществить у некоторых высших организмов (земноводных). Ещё более значительный успех М. г. — первый химический синтез гена (кодирующего аланиновую транспортную РНК дрожжей), осущест­влённый X. Корана в 1968г. Работы в этом направлении ведутся в ряде лабо­раторий мира. Для внеклеточного синтеза более крупных генов успешно при­менены новейшие биохимические методы, основанные на явлении так называемой обратной транскрипции. Используя эти методы, С. Спигелмен, Д. Балти­мор, П. Ледер и их сотрудники (США) в 1972г. смогли синтезировать ген гемоглобина.

Таким образом, М. г. уже выяснила в принципе вопрос о том, как записана и хранится генетическая информация, получаемая потом­ками от родителей, хотя расшифровка конкретного содержания этой информа­ции для каждого отдельного гена требует ещё огромной работы.

Установление структуры ДНК открыло возможности для экспериментального ис­следования биосинтеза молекул ДНК — их репликации. Этот процесс лежит в основе передачи генетической инфор­мации от клетки к клетке и от поколения к поколению, т. е. определяет относительное постоянство генов. Изучение репликации ДНК привело к важному выводу о мат­ричном характере биосинтеза ДНК: для его осуществления необходимо наличие готовой молекулы ДНК, на которой, как на шаблоне (матрице), синтезируются новые молекулы ДНК. При этом двойная спираль ДНК раскручивается и на каж­дой её нити синтезируется новая, компле­ментарная ей нить, так что дочерние мо­лекулы ДНК состоят из одной старой и одной новой нити (полуконсервативный тип репликации). Выделен белок, вызы­вающий раскручивание двойной спирали ДНК, а также ферменты, осуществляю­щие биосинтез нуклеотидов и их соедине­ние («сшивание») друг с другом. Несом­ненно, что в клетке имеются механизмы, регулирующие синтез ДНК. Пути такой регуляции ещё во многом неясны, но очевидно, что она в большой степени определяется генетическими факторами.

М. г. достигла выдающегося успеха и в решении важнейшей задачи, сформу­лированной ещё классической генетикой,— каким образом ген определяет признак, или как происходит реализация генетической информации. Предпосылкой по­служило сформулированное ещё в 1941 Дж. Бидлом и Э. Тейтемом положение «один ген — один фермент». Это положе­ние позволило поставить вопрос в следую­щем виде: как гены, т. е., по сути дела, участки молекулы ДНК, определяют хи­мическую структуру и свойства белков, специфичных для данного организма? Раскры­тие химической структуры ДНК и белка дало возможность сопоставить эти два типа биополимеров, что привело к концеп­ции генетического кода, согласно которой порядок чередования 4 сортов нуклеоти­дов в ДНК определяет порядок чередо­вания 20 сортов аминокислот в белковой молекуле. От последовательности распо­ложения аминокислот в белковой моле­куле (её первичной структуры) зависят все её свойства. Расшифровка принципов, на которых основан генетический код, была осуще­ствлена в 1962 Ф. Криком с сотрудника­ми в генетических опытах с мутантами одного бактериального вируса. Оказалось, что каждая тройка нуклеотидов в цепи ДНК (триплет, кодон) определяет, какая имен­но из 20 аминокислот займёт данное ме­сто в полипептидной цепи синтезируемо­го белка, т. е. каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Последующие работы позволили полностью рас­шифровать генетический код и установить его свойства.

Расшифровка генетического кода сыграла выдающуюся роль в выяснении механиз­ма биосинтеза белка.

Как показали в 1961г. французские учёные Ф. Жакоб и Ж. Моно, биосинтез белка в бактерии находится под двойным гене­тическим контролем. Ими предложена и модель оперона.

С развитием М. г. более глубоким стало понимание мутационного процесса, т. е. изменения генетической информации. Было показано, что мутации представляют собой либо замены отдельных нуклеотидов, либо вставки или выпадения нуклеотидов в молекуле ДНК. Мутации возникают как вследствие случайных ошибок при репликации ДНК, так и в результате повреждающего нуклеиновые кислоты дейст­вия различных физических и химических агентов — мутагенов.

Изучение репарации открыло новые подходы к исследованию механизма рекомбинации сцепленных (т. е. лежащих в одной хромосоме) генов, представляющей одну из причин комбинативной изменчивости, которая наряду с мутациями играет важную роль в эволюции. Классической генетикой было показано, что рекомбинация сцепленных генов происходит путём обмена гомологичных хромосом участками (кроссинговер), но тонкий механизм такого обмена оставался неизвестным. Экспериментальные данные последних лет позволяют рассматривать внутрихромосомную и внутригенную (межсайтовую) рекомбинацию как ферментативный процесс, происходящий при взаимодействии молекул ДНК. Акт рекомбинации осуществляется путём раз­рывов и соединения в новом сочетании отрезков полинуклеотидных нитей.

М. г. своими замечательными открытиями оказала плодотворное влияние на все биологические науки. Она явилась той основой, на которой выросла молекулярная биология, значительно ускорила прогресс биохимии, биофизики, цитологии, микробиологии, вирусологии, биологии развития, открыла новые подходы к пониманию происхождения жизни и эволюции органического мира.

Так, исследования в области генетики микроорганизмов наряду с решением общебиологических проблем имеют и свои специфические микробиологические задачи. Основными из них являются познания молекулярных основ наследственности и изменчивости микробов, разработка методов и принципов управления их жизнедеятельностью и получение видов микробов, полезных для человека. Применительно к задачам медицинской микробиологии генетические исследования имеют целью познание генетических основ патогенности и иммуногенных свойств микробов, получение на основе этих данных вакцинных штаммов, продуцентов антибиотиков и устранение вредоносного действия микробов.

Многочисленные исследования изменчивости микробов, несомненно, имели и имеют важнейшее практическое значение. Они дают возможность ставить более точный микробиологический диагноз инфекционных заболеваний, выбирать наиболее полноценные штаммы для производства вакцин.

В конце 80-х годов XX ст. группа ученых во главе с Д. Уотсоном (один из авторов модели ДНК) составили программу расшифровки генома человека, работы над которой начались в 1990 г. Всего на ее выполнение израсходовано около 6 млрд долларов. Наряду с этим исследовались и геномы других организмов (около 820 видов).

Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 г. генома бактерии Haemophilus influenzae. Позднее были полностью описаны геномы еще более 20 бактерий, среди которых возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 г. картировали ДНК первой эукариотической клетки - дрожжей, а в 1998 г. впервые был картирован геном многоклеточного организма - круглого червя Caenorhabditis elegans. К 1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене человека, т.е. расшифрована примерно половина, как тогда считали, генетической информация человека. Полученные данные позволили впервые реально оценить функции генов в организме человека.

В декабре 1999 г. исследователи Великобритании и Японии объявили об установлении структуры 22-й хромосомы. Это была первая декодированная хромосома человека. Она содержит 33 млн пар оснований, и в ее структуре остались нерасшифрованными 11 участков (около 3% длины ДНК). Для этой хромосомы определены функции примерно половины генов, из 545 обнаруженных. Установлено, например, что с дефектами этой хромосомы связано 27 различных заболеваний, среди которых такие, как шизофрения, миелоидная лейкемия и трисомия 22 - вторая по значению причина выкидышей у бременных.

В апреле 2000 года была расшифрована структура 21 хромосомы и выявлено 225 генов. Наличие данных о числе генов в двух разных хромосомах, на долю которых приходится 2 % ДНК генома, позволило рассчитать общее число генов в кариотипе человека равным 40 000.

В феврале 2001 г. было опубликовано две предшествующих версии генома человека. Это результат многолетней работы многих ученых, которые составили две группы. Первая из них — Международный некоммерческий проект «Геном человека» — Human Genom Ргоyесt (НGP) — объединил 20 лабораторий, сотни ученых из разных стран мира. Эта группа поставила перед собой цель расшифровку генома человека и получение данных, которые могло бы стать общедоступными. Частная же компания «Целера Геномикс» (Сеlега Gеnomics) также поставила перед собой задачу расшифровки генома человека, но планировала предоставлять полученную информацию на коммерческой основе.

Обе версии содержат еще много белых пятен и неточностей, поэтому работа продолжается. Тем не менее полученные результаты разрешили сопоставить геном человека с геномами других эукариотов (дрожжей, червя, мухи дрозофилы и растения). Установлено, что последовательность генома человека, как и других эукариотов, состоит из участков, которые кодируют белки (? 2 %), участков, которые кодируют РНК (? 20 %), а свыше 50 % составляют повторяемые последовательности, которые тяжело клонируются и потому создается много пробелов.

Итак, большая часть генома человека не кодирует белки. В эту часть входят фрагменты, которые кодируют только РНК и участки ДНК повторов.

Тысячи генов у человека только транскрибируются и продуцируют РНК, которая не кодирует белок (нкРНК). Идентифицировано также около 500 генов для транспортных РНК. Пока нет полных последовательностей для рибосомальних РНК (рРНК), хотя интерес к ним очень большой учитывая их роль в образовании пептидних связей при трансляции.

Кроме того, идентифицировано около 80 маленьких ядерных РНК, которые принимают участие в сплайсинге незрелой РНК, а также почти сотня генов маленьких ядрышковых РНК, которые принимают участие в процессинге.

Гены нкРНК и псевдогены, которые образовались из них, по своим размерам являются маленькими и не делятся на группы — это специфические структурные особенности, поиск их с помощью компьютерных методов очень труден, хотя они очень распространены в геноме человека.

В 2003 г Национальный институт геномных исследований (США) завершил расшифровку (секвенирование) генома человека.

Несмотря на определенные успехи в секвенировании генома человека (он просеквенирован на 99%), никто из генетиков не может с уверенностью назвать точное количество генов у человека. В последних данных упоминалась цифра в пределах 22-25 тысяч, однако американские ученые, в статье, опубликованной в журнале PLoS Computational Biology (2006), заявили о находке дополнительных 5286 регионов, которые могут транскрибироваться.

Основанием для такого утверждения является успешное применение нового подхода в обработке данных, позволяющего выявлять так называемые геномные отпечатки транскрипции, невидимые обычными методами. Ученые предполагают, что в большинстве случаев найденные ими гены не являются белок-кодирующими, но выполняют определенные, и пока неизвестные функции.

Расшифровка генома подняла научную планку в эмбриологии, вирусологии, клеточной биологии, теории эволюции, биотехнологии, медицинской генетике. Уже появился термин «new biology», новая биология - наука, которая началась еще в феврале 2001 года.

Структура генов человека намного более сложная, чем у других эукариотов. Часто они перерываются большими интронами, приблизительно 35 % генов могут считываться с разными рамками, 40 % иРНК могут подвергаться альтернативному сплайсингу. Итак, одна последовательность ДНК может кодировать больше, чем один тип иРНК.

Сама карта топографии генов на хромосомах напоминает глобус или контуры Земли, видимые из самолета. Основная часть генов сбита в большие и малые «города», которые разделены огромными безжизненными пространствами. Мужская половая хромосома, обедненная генами, напоминает Византийскую империю, уже пережившую эпоху взлета. За истекший период истории многие гены покинули эту территорию и перебрались в другие «страны».

Наоборот, девятнадцатая хромосома человека напоминает генетическую «столицу» - весь информационный хлам и старые отжившие постройки выкинуты с этой функционально продвинутой территории. С большим трудом на этой хромосоме удалось отыскать вакантные места, не застроенные генами, то есть не несущие в реальный мир проекты трехмерной жизни мира белков и белковых машин. Вот почему аномалии 19-й хромосомы заканчиваются смертью уже в утробе матери.

На техногенном языке - любая функция клетки закодирована устройством белковых машин. На девятнадцатой и двадцать первой хромосоме хорошо виден порядок жизни в «городах»: вдоль главной улицы кварталы застраиваются дупликацией генов, то есть все родственники селятся рядом. Хотя бывают исключения, когда новые отпрыски генов начинают осваивать далекие территории. Хромосомы человека отличаются от хромосом бактерий, дрозофилы и низших многоклеточных максимальными перепадами плотности генов по длине двойной спирали ДНК. У человека - максимальное число «мегаполисов» генов наряду с огромными пустыми пространствами бессмыслицы. Именно на границе «генных городов» и «пустырей» родятся новые проекты переустройства старых генов или правил использования старых генов для новой функции.

Практически каждый ген человека отличается вариабельностью. В геноме человека есть участки с повышенной и пониженной вариабельностью. Например, участки главного комплекса гистосовместимости (МНС), которые кодируют белки гистосовместимости, отличаются значительной вариабельностью, определяя иммунологическую индивидуальность человека.

Генетический полиморфизм имеет большое биологическое значение для человека. Так, полиморфизм гена апоЕ4 оказывает содействие увеличению плотности бляшек при болезни Альцгеймера, а делеция гена, который кодирует хемокиновый рецептор ССR 5, увеличивает стойкость иммунодефицита человека относительно вируса. Этот корецептор, вместе с рецептором СD4, является необходимым для связывания и проникновения вируса в Т-лимфоцит. При сравнении расположения и частоты одиночных замен у больных и здоровых людей обнаруживаются те замены, которые связанны с той или иной болезнью. Такие сопоставления дают возможность выяснить роль определенных генов в развитии мультифакториальных заболеваний. Исследования в этом направлении очень перспективны и интенсивно развиваются.

В 1994 г. в молекулярной биологии возник новый термин — протеом. Он, фактически, призван описать все совокупности белков, которые синтезируются на протяжении жизни клеток организма. Область исследования структуры и функции белков — продуктов функционирования генов —получила название протеомика. Ее значение в медицине является крайне важным, так как будут идентифицированы белковые маркеры различных болезней. Перспективно также изучение эффектов взаимодействия лекарственных веществ с геномом человека (фармакогеномика).

Следует отметить, что расшифровка первичной структуры белков на основе изученных генов, которые кодируют белки, еще не указывает на раскрытие функций тех или других продуктов генов. За этим будет следовать продолжительный систематический анализ протеома человека. Большое значение в расшифровке роли определенных генов, которые синтезируют белок, имеет сравнение первичной структуры белков с известными и неизвестными функциями, которые получены от представителей видов разного уровня эволюционного развития. Сегодня такая работа начинается. На основе выявления только первичной структуры белка нельзя установить его точную функцию. Тем не менее изучение генома дает важную информацию о возникновении белковых доменов, о расширении их семейств, семейств самих белков и т.д.

В геноме человека выявлены гены, гомологичные таким в геноме мухи (61 %), в геноме червя (43 %), в геноме дрожжей (46 %). Это основной набор генов, которые кодируют главные жизненные процессы в клетке: основной метаболизм, репликация и репарация ДНК, биосинтез белка.

Выявлено также свыше 220 генов, продукты которых похожи на белки бактерий, но не похожие на белки дрожжей, растений, беспозвоночных. Скорее всего, эти гены попали в геном человека от бактерий путем переноса.

Сопоставление генома человека и исследованных беспозвоночных дало возможность обнаружить значительно большее количество генов, которые отвечают за разные регуляторные функции в организме: защита и иммунитет; структура и функции центральной нервной системы; белков, которые принимают участие в построении цитоскелета и движении везикул; внутренне- и межклеточная сигнализация в развитии и гомеостазе; транскрипция и трансляция; гемостаз; апоптоз и др.

Секвенирование генома стало толчком к исследованию генов, которые «отвечают» за болезни человека. Необходимым является проведение функциональной классификации самих генов и их продуктов — белков. Все гены (923), которые вызывают моногенные заболевания или повышают вероятность возникновения болезни, характеризовались по функции их продуктов относительно патологического процесса и клинических проявлений. Наибольшую функциональную группу составляли ферменты (31 %). Вторая по величине группа — белки-активаторы и стабилизаторы, белки, которые принимают участие в правильном свертывании полипептидных цепей (14 %). Любая из остатка групп (рецепторы, факторы транскрипции, трансмембранные переносчики и др.) составляли менее 10 % от всех генов, которые вызывают болезни. Корреляционный анализ между функцией продуктов генных болезней и возрастом больных показал, что болезни, связанные с нарушениями функции ферментов, обнаруживаются на всех этапах развития. В тоже время болезни, связанные с генами, которые кодируют транскрипционные факторы, обнаруживаются на этапе внутриутробного развития.

Таким образом, секвенирование генома человека свидетельствует об усложнении генома в ходе эволюции — от дрожжей к человеку. Однако количество генов увеличилось лишь в 5 раз. Усложнение состоит в возникновении большого количества белков, а не генов, которые синтезируют белок. Организм человека, используя известные структурные конструкции, собирает новые белки с новыми функциями. Возможно, это достигается с помощью сложных механизмов посттранскрипционных процессов.

Следует отметить, что описанные достижения еще не являются расшифровкой генетического «текста». Настоящее чтение генетического текста, перевод его из языка молекул на язык характеристик морфологических и функциональных особенностей человека, его болезней только начинается.

Перспектива получить ответ на эти и прочие вопросы относительно генома человека появилась в декабре 2002 г., когда было завершено секвенирование генома мыши. Это шестой секвенированный эукариотический геном и второй после человека — млекопитающего.

Сравнение геномов человека и мыши позволит лучше понимать эволюцию и функционирование генома. По предварительным данным, у мыши количество генов, которые кодируют белок, ориентировочно составляет 27-35,5 тыс., а у человека, как уже было указано выше, — 30-40 тыс. Таким образом, у млекопитающих количество генов, которые кодируют белок, всего 30-40 тыс., а не 100 тыс., как прогнозировалось раньше. Вероятно, что дивергенция исходного генома общего предка началась 75-65 млн лет тому. При этом частота перестроек оказалась довольно низкой, а некоторые гены остались практически неизменными, благодаря чему стало возможным распознать синтенные районы, которые относительно сохраненными передалось от общего предка.

У мыши 99% генов имеют сходные к геному человека последовательности, 96 % из них находятся внутри синтенных участков хромосом мыши и человека. В геноме мыши определено 558 ортологосних маркеров для выявления консервативных синтенних участков. Оба генома можно распределить на 342 синтенных сегмента, то есть максимально длинные участки, в которых последовательности маркеров в хромосоме мыши и человека имеют одинаковый порядок. Около 90,2 % генома человека и 93,3 % генома мыши содержат консервативные синтенные сегменты.

Кроме того, было выявлено 217 синтенных блоков. Синтенный блок — один или больше синтенных сегментов, расположенных на одинаковой хромосоме у человека и мыши, но которые могут отличаться порядком расположения или ориентации. Например, Х-хромосома — целый синтенный блок, а хромосома 20 человека, кроме небольшого центрального сегмента, практически целиком отвечает хромосоме 2 мыши. Хромосома 17 человека отвечает части хромосомы 11 мыши. Другие хромосомы человека и мыши отличаются между собою значительно больше. Карта консервативных синтенных сегментов геномов мыши и человека дала возможность предположить минимальное количество перестроек, необходимое для трансформации одного генома в другой. С учетом 342 синтенных сегментов, это, за весьма скромными подсчетами, — 295 перестроек. Причем в некоторых участках хромосом перестройки могли происходить повторно. На основании знаний генома только двух видов млекопитающих невозможно определить порядок генов в хромосомах общего предшественника или восстановить точную последовательность перестроек.

Почти 40 % генома человека является родственным геному мыши на нуклеотидном уровне. Вероятно, это ортологосные последовательности, которые сохранилось от общего предка. Менее 1 % генома мыши не имеет гомологичных участков в геноме человека и наоборот. Сделан также вывод об идентичности аминокислотной последовательности в 78,5 % случаев. Он базируется на сходстве почти 13 тыс. генов человека и мыши.

Анализ генома мыши и сопоставление его с геномом человека дало возможность обнаружить новые гены человека, как, например, новый ген семейства АРОА -АРОАV, который принимает участие в метаболизме липидов, был выявлен при сравнении нуклеотидной последовательности мыши и синтенного участка хромосомы 11 человека.

Сравнение геномов двух видов предоставило возможность также определить отличия между механизмами, которые формировали геном, включая разность между мутационным и селективным давлением. В геноме мыши выявлена экспансия генов, которые «отвечают» за репродукцию, обоняние, защиту.

При сравнении двух геномов появились также и новые вопросы. Оказалось, что подобные типы повторяемых последовательностей накапливаются в соответствующих участках генома обоих организмов, что свидетельствует о некоторые дополнительных факторах, влияющих на перестройку генома транспозонами.

Завершение секвенирования генома мыши имеет важнейшее практическое значение. Оно даст возможность более точно моделировать биологические процессы и болезни человека. Лабораторная мышь — экспериментальный ключ к геному человека, который разрешит манипулировать каждым геном человека.

Мышь используется как объект лабораторных исследований на протяжении всего XX ст. В 1909 г. была выведена первая инбредная линия мышей DВА. На мышах инбредных линий было проведено огромное количество экспериментов, но данные, полученные в эксперименте на мышах, не всегда можно экстраполировать на человека, в особенности относительно медицинских аспектов. Проблема анализа болезней человека, которые моделируются на мышах, была частично разрешена путем создания трансгенних мышей, первую из которых было получено в 1982 г., когда в эмбрион мыши встроили ген гормона роста крысы под контролем Zn-зависимого промотора. В 1989 г. создали первую «нокаут» мышь с селективной инактивацией гена в эмбриональных стволовых клетках.

Знание нуклеотидних последовательностей и синтенных участков человека и мыши позволит целенаправлено встраивать определенные гены человека или инактивировать подобные участки ДНК мыши. Анализ фенотипов таких мышей дает возможность обнаружить неизвестную сейчас функцию отдельных генов человека. Изучение мышиных моделей полигенных болезней человека и наличие подобных последовательностей в геноме человека даст возможность обнаружить и локализовать гены, которые отвечают за развитие этих заболеваний. Знание отличий геномов также будет предотвращать создание неполноценных моделей при удалении одного гена в мыши, если в ее геноме он представлен несколькими копиями.

Знание соответствия между последовательностями ДНК мыши и человека разрешит точно встраивать гены человека в синтенные участки генома мыши и получить «очеловеченную» за определенными признаками мышь. Особый интерес такие мыши составляют для фармацевтической промышленности. Так, исследование генома мыши показало экспансию у нее четверых подсемейств генов цитохрома Р450. Эти гены отвечают за ферменты, которые активно участвуют в метаболизме ксенобиотиков, в том числе и лечебных средств. Генетически модифицированная по генам цитохромов мышь может стать точной моделью человека в процессе исследования биотрансформации лечебных препаратов.

С завершением в ближайшем будущем секвенирования генома еще одного лабораторного животного —крысы — моделирование болезней человека будет намного достовернее. Запланированное секвенирование геномов шимпанзе, собаки, коровы значительно увеличит наши знания о геноме млекопитающих и, соответственно, человека. Достижения в области молекулярной биологии на рубеже XX и XXI ст. оказало содействие возникновению молекулярной медицины — нового направления в естествознании. Это, в свою очередь, инициировало развитие прогрессивных технологий, которые совершенствовали старые и создавали новые методы. Подавляющее большинство этих методов автоматизированные и объединяются с компьютерными технологиями. Наглядными примерами этого являются автоматические подходы секвенирования генома человека и следующий этап — исследование человеческого протеома. Новые технологии дают возможность довольно быстро получить колоссальный объем информации о структуре до сих пор неизвестных белков. Дальнейшее выявление и изучение их функций сделает возможным совершенствование исследований клеточных процессов, механизмов индивидуального развития, эволюции живого мира.

Идентификация новых белков укрепит интеграцию биологии и фундаментальной медицины, которая приведет к открытию новых диагностических маркеров, выявлению белков-мишеней для фармакологических препаратов. Большие надежды полагаются на изучение протеома опухолей, что позволит улучшить их диагностику и в особенности лечение.

Парадоксальность ситуации, складывающейся сейчас в геномике, состоит в том, что объем информации, которым располагают исследователи, намного больше того, что можно осмыслить, проанализировать и использовать в экспериментальной работе. Поэтому развитие новых математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствование способов описания и хранения геномной информации становятся чрезвычайно актуальными. Этими проблемами активно занимается биоинформатика, включающая в себя и геноинформатику.

Биоинформатика анализирует ситуацию как бы на четырех тесно связанных друг с другом уровнях. Первый - это генетический текст, то есть нуклеотидная последовательность ДНК; второй - тоже текст, но сначала в форме РНК, а затем в форме аминокислотной последовательности белка; следующий, третий уровень - пространственная структура белка. Как известно, она целиком определяется первичной структурой, а экспериментально устанавливается с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллов белков или с помощью ядерного магнитного резонанса в растворе для белков небольшого размера.

Хотя методы предсказания трехмерной структуры белка (вторичной и третичной структуры) по его аминокислотной последовательности все еще крайне неточны, тем не менее, благодаря тому, что в банках данных уже есть информация о трехмерной структуре сотен белков, можно на ее основе, используя сведения о нуклеотидной и аминокислотной последовательностях неизвестного белка, предсказывать во многих случаях и трехмерную структуру с достаточной точностью. Наконец, последний, четвертый уровень - это предсказание функции белка на основании знания его первичной структуры и предсказанной трехмерной структуры. Таким образом, структурная и сравнительная геномика через биоинформатику как бы переходят в новый раздел геномики, который обычно называют функциональной геномикой.

Все большее внимание ученых привлекает проблема разнообразия генома человека. Эти исследования направлены на решение фундаментальных научных проблем, связанных с происхождением человека, и на выяснение генных различий, связанных с чувствительностью или устойчивостью человека к различным заболеваниям и воздействиям среды.

Генетические тексты двух человек отличаются друг от друга примерно одной буквой из тысячи. Остальные 999 нуклеотидов у них одинаковы. Конечно же, замены не распределены равномерно в геноме - их больше в некодирующих участках. В каждой зародышевой клетке возникает несколько мутаций, отличающих ее геном от родительского. В некоторых участках хромосом, кодирующих особенно важные белки или рибосомную РНК, замены нуклеотидов встречаются относительно редко, в других частота обнаружения мутаций может быть в десятки раз выше. Наиболее часто встречаются мутации в гене рецептора гормона роста - в этом участке они обнаруживаются у одного из 100 000 человек.

Пока люди живут вместе, появляющиеся у них мутации распространяются по всей группе. Если же группы разделились, процесс накопления мутаций идет в них независимо. Способ датировки эволюционных событий по генетическим изменениям основан на постоянстве числа накопленных мутаций за определенный отрезок времени. Лишь небольшая часть этих мутаций (преимущественно в белок-кодирующих областях) вредна.

Большинство мутаций, по современным представлениям, нейтральны, то есть не оказывают какого-либо полезного или вредного влияния на их обладателя. Они не отсеиваются отбором и, раз появившись, передаются из поколения в поколение. Метод, предложенный английским биохимиком Лайнусом Полингом для аминокислотных замен в белках, был назван «молекулярными часами». Позже скорость хода «молекулярных часов» была установлена по скорости изменения ДНК тех видов, время расхождения которых было известно по ископаемым останкам. Однако точность этих методов по статистическим причинам не очень высока - ошибка в молекулярных датировках может составлять 20-30%.

«Молекулярные часы» помогли определить дату разделения ветвей человека и обезьян - от 5 до 7 млн лет назад. До этого палеонтологи полагали, что разделение произошло около 25 млн лет назад. Однако теперь «молекулярная» датировка является общепринятой. Считается, что предки человека и шимпанзе разделились около 5 млн лет назад, отделение горилл произошло раньше, и еще раньше, около 10-15 млн лет назад, отделилась ветвь орангутангов. Пересмотр представлений о происхождении человека связан с развитием методов молекулярной генетики, в частности, с внедрением в практику исследований полимеразной цепной реакций, которая позволяет быстро нарабатывать нужные для анализа количества ДНК даже если в образце присутствует всего несколько фрагментированных молекул, и с разработкой методов автоматического анализа ДНК и компьютерной обработки данных. Новые сведения получены также в связи с увеличением числа изученных останков древних гоминид и с развитием в последние десятилетия новых методов палеонтологии (датировка останков термолюминесцентными методами и методом электронного спинового резонанса), которые позволили уточнить даты в период 200 - 50 тыс. лет.

За последнее десятилетие молекулярная антропология и палеогенетика заняли достойное место в исследованиях антропогенеза. Для сравнительного исследования генетического родства популяций используют и ядерную ДНК, и ДНК, содержащуюся в клеточных органеллах митохондриях. Митохондрии человека содержат кольцевую молекулу ДНК (мтДНК), состоящую из 16 500 пар нуклеотидов - это совсем немного по сравнению с ДНК хромосом, находящихся в ядре клетки и состоящих из десятков и сотен миллионов пар оснований. Кроме того, мтДНК передается только по материнской линии и не участвует в рекомбинации, что упрощает ее анализ. Так как мтДНК мутирует в 10 раз чаще, чем ядерная ДНК, это делает «часы» более точными.

Получившие известность исследования, выявившие общность происхождения мтДНК ныне живущих людей, были проведены в 1987 г. Аланом Уилсоном и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли. Они изучили мтДНК представителей различных рас - африканцев, азиатов, европеоидов. Наибольший уровень разнообразия ДНК был найден в Восточной Африке, что указывает на африканское происхождение человека современного типа. По степени разнообразия мтДНК современных людей Уилсон оценил время существования предковой последовательности для всех изученных мтДНК. В соответствии с его выводами, общая «праматерь», к которой восходят все типы мтДНК современных людей, жила в Восточной Африке менее 200 000 лет назад. Обладательницу этой мтДНК тут же окрестили «митохондриальной Евой», что породило неверные толкования - будто все человечество произошло от одной женщины. Речь идет лишь о сохранении до настоящего времени одной из нескольких линий мтДНК, но не остальных генов. Современники «Евы» внесли свой генетический вклад. Изучение разнообразия ДНК других генов, находящихся в разных хромосомах, показало, что численность популяции в период видообразования составляла около 10 000 человек.

Близкие оценки времени существования общего предка получены и при изучении передающейся только по отцовской линии Y-хромосомы. К радости генетиков оказалось, что «Адам» жил в том же районе и примерно в то же время, что и «Ева». Эволюционная история мтДНК и Y-хромосомы отличается, так как связана с разными брачными традициями, разным поведением мужчин и женщин при переселениях, завоеваниях или колонизации. На основе распределения частот различных аллелей генов Y-хромосомы и мтДНК составлена карта расселения людей с Африканской прародины.

Различные группы генетиков, исходя из оценок генетического разнообразия современных популяций человека, пришли к выводу, что на протяжении последнего миллиона лет численность прямых предков человека колебалась от 40 до 100 тысяч. В период прохождения «бутылочного горлышка» 130 000 лет назад она сократилась до 10 тысяч индивидов, то есть на 75-90%, что привело к утрате значительной части генетического разнообразия.

Сравнительные исследование мтДНК разных популяций современных людей позволило выдвинуть предположение, что еще до выхода из Африки, около 60-70 000 лет назад (в этот период также наблюдалось снижение численности, но не столь значительное, как предыдущее) предковая популяция разделилась по крайне мере на три группы, давшие начало трем расам - африканской, азиатской и европейской.

Изучение генетического разнообразия популяций человека имеет существенное значение не только для понимания процесса антропогенеза, но и для понимания механизмов адаптации популяций к различным условиям обитания, устойчивости или восприимчивости к тем или иным заболеваниям, для разработки методов ДНК-идентификации личности и для ДНК-диагностики наследственных и онкологических заболеваний. Не только наследственные заболевания, но и предрасположенность к инфекционным заболеваниям имеет генетическую основу. Разные люди в разной степени восприимчивы к различным инфекциям. «Чума» ХХ века - СПИД - пока неизлечимое заболевание. Но некоторые люди (в Европе около 1-2 %) невосприимчивы к вызывающему СПИД вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ) из-за мутации в гене хемокинового рецептора. Хемокиновый рецептор расположен на поверхности клеток и служит «посадочной площадкой» для вируса СПИДа. В отсутствии этого белка вирус, попав в организм, не способен проникнуть внутрь клетки и не приводит к заболеванию. Описаны и другие мутации, приводящие к повышенной устойчивости к ВИЧ.

Другой пример - эпидемия «коровьего бешенства» (губчатая болезнь мозга), распространившаяся в Англии в связи с изменением технологии приготовления костной муки, используемой в качестве кормовой добавки для скота (была снижена температура обработки) и поразившая 160 000 животных. Пик эпидемии пришелся на 1992 г. Заболевание вызывается белком-прионом - удивительным инфекционным агентом, не содержащим ДНК и вызывающим изменение конформации клеточных белков и нарушение функций клеток нервной системы. Хотя зараженную говядину употребляли многие, только два десятка человек заболели. Все заболевшие люди имели одну и ту же мутацию, известную ранее и считавшуюся нейтральной.

В последние годы особое внимание уделяют распространенности в различных популяциях аллелей генов предрасположенности к тем или иным заболеваниям и так называемых генов «внешней среды». В частности, это гены, контролирующие детоксикацию чужеродных веществ. Все вещества, поступающие в организм, метаболизируются в два этапа. На первом этапе образуются промежуточные генотоксические вещества. На втором этапе эти промежуточные метаболиты превращаются в безвредные растворимые соединения, которые выводятся из организма.

Показано, что при снижении активности детоксикационной функции плаценты (она связана с ферментом, называемым плацентарной глютатион-трансферазой) возрастает риск ранних спонтанных абортов.

То, как организм реагирует на вредные воздействия среды, например, на табачный дым, также в значительной мере определяется активностью системы детоксикации. Например, у 3% женщин встречается сочетание генов, ответственных за обезвреживание канцерогенов табачного дыма ферментами печени, которое в 10 раз повышает риск развития рака молочной железы. Таким женщинам курить строго противопоказано. Влияют гены и на эффективность лечения различными препаратами. Так, лечение эндометриоза - заболевания, встречающегося почти у 10% женщин белой расы - широко используемым препаратом циклофероном у части больных безрезультатно по причинам генетического характера.

Найдены гены, защищающие от заболевания некоторыми формами рака. Особенно эффективно они действуют в сочетании с благоприятными условиями среды. Например, вероятность развития рака толстой кишки снижается в присутствии некоторых аллелей генов детоксикации, также как и при употреблении в пищу капусты брокколи или зеленого чая.

Получение информации о собственных генетических особенностях для каждого человека из научной перспективы превращается в повседневную реальность. Это дает возможность еще до рождения предсказать, к каким наследственным заболеваниям будет предрасположен человек, какие меры профилактики и лечения могут быть приняты. Меньше известно о том, что можно получить и определенные рекомендации по выбору профессии, установить какая деятельность будет связана с повышенным риском для данного индивида.

Например, давно известна ассоциация между анилиновыми красителями и риском возникновения рака мочевого пузыря. Недавно, однако, было установлено, что такому грозному «производственному» осложнению особенно подвержены индивидуумы, у которых сочетается повышенная активность ферментов первой фазы детоксикации с пониженной активностью ферментов второй фазы.

С частотой 15% встречается аллель гена аполипопротеина Е (белок, отвественный за связывание липидов), приводящий к ухудшению регенерации нервных тканей после травм или сотрясений мозга, особенно если индивид гомозиготен по данному аллелю. Значит, таким людям не стоит выбирать профессию боксера или автогонщика. Другой пример - у носителей мутации, приводящей к талассемии (заболеванию крови) при повышенной физической нагрузке может наступить смерть от избытка кислорода в крови. Такие случаи зафиксированы в армии США - по этой причине погибло несколько темнокожих солдат. Очевидно, что тестирование талассемической мутации может быть целесообразным при отборе пилотов авиалайнеров – ведь им иногда приходится применять кислородные маски, которые в случае носительства мутации представляют угрозу жизни пилота, а тем самым и угрозу жизни всех пассажиров.

Прочтенный в 2005 году геном шимпанзе открыл перед биологами небывалые перспективы. Сравнивая геномы человека и его ближайшего родственника, ученые рассчитывают найти те генетические различия, которые, собственно, и делают нас людьми, а не обезьянами.

Геномы человека и шимпанзе идентичны на 98%. Очевидно, уникальные человеческие свойства зашифрованы в оставшихся двух процентах. Однако расшифровать их не так-то просто.

2% ДНК, отличные у нас и шимпанзе, должны создавать все радикальные различия между нами, в том числе и в строении головного мозга.

Согласно выводам международной исследовательской группы, человеческая ветвь отделилась от общего с приматами генеалогического дерева от 2 до 7 миллионов лет назад. Вероятной причиной этого могла быть утрата человеческими предками единственного гена, которая произошла буквально перед тем, как скромный предшественник великого Нomo sapiens поднялся на задние конечности, а, может, и вскоре после этого. Этот утраченный ген контролирует синтез одного из сахаров, который называется Neu5Gc и расположен на внешней стороне мембраны всех клеток организма.

Дело в том, что поверхность всех клеток нашего тела несет определённые молекулы, в частности, сахара, которые отвечают за большое количество функций. Например – за способность клетки захватывать из межклеточной жидкости те или другие вещества, за взаимную координацию клеток при росте организма и т.д. От этих молекул также зависит способность клетки быть поражённой вирусом или иным возбудителем: нет молекулы, с которой взаимодействуют рецепторы патогена, и организм устойчив к инфекции. Не исключено, что ген, отсутствующий у человека, мог отвечать за процессы формирования нервной ткани. Когда произошла его утрата, древние человекообразные существа уже сильно напоминали современного человека по строению конечностей и другим признакам, не исключено, также, что он уже был прямоходящим. Он был очень похож на современного человека, но не совсем. Основное отличие состояло в том, что объём головного мозга был не больше, чем у шимпанзе. Значит 2% ДНК, отличной у нас и шимпанзе, и должны создавать все радикальные отличия между нами, в том числе в строении головного мозга. И ген Neu5Gc, продукт деятельности которого представлен на каждой клетке организма, вполне претендует на эту роль. Сейчас учёные занимаются обработкой полученных результатов и прогнозами того, какие это может иметь последствия.

Сегодня ученые многих стран ведут охоту за «подлинно человеческими» особенностями в геноме человека, и первые результаты – один другого интереснее – уже получены. Например, выявлены различия в генах человека и шимпанзе, связанные с эмоциональной регуляцией поведения (эти различия могли изменить мотивацию наших поступков); найдено 1500 различий в генах, связанных с онкологией (это поможет выяснить, почему шимпанзе почти не болеют раком).

Недавно обнаружилось, что эволюционный путь от обезьяны к человеку сопровождался множеством потерь. Некоторые гены, которые у шимпанзе нормально работают, у человека выключились, превратились в молчащие «псевдогены». До сих пор было известно около десятка таких генов. В 1999 году М. Олсон предложил гипотезу, известную под названием «less is more» («меньше значит больше»), согласно которой утрата генов может открывать путь для прогрессивных преобразований. Например, выключение гена MYH16 привело к уменьшению (редукции) жевательной мускулатуры у предков рода Homo, а это, в свою очередь, позволило мозгу начать увеличиваться. Группа американских ученых обнаружила в геноме человека еще около 50 молчащих генов, аналоги которых у шимпанзе вполне нормально функционируют. Работают они и у других обезьян, фрагменты генома которых уже прочтены.

Среди выключившихся генов многие оказались связаны с обонянием и иммунитетом. Обонятельные гены могли отключиться просто «за ненадобностью». В борьбе за выживание хороший нюх едва ли давал нашим предкам большое преимущество, и естественный отбор не выбраковывал особей со слабым обонянием. Но как естественный отбор мог допустить потерю генов иммунной защиты? Ученые Мичиганского университета считают, что это объясняется изменением условий жизни наших предков, а также тем, что иммунная система иногда может вредить организму излишней бдительностью. Неумеренная агрессивность иммунной системы порой ведет к опасным «аутоиммунным» заболеваниям, таким как рассеянный склероз. У мышей с искусственно выключенным иммунным геном Mbl1 реже развивается сепсис, так что отключение этого гена повышает выживаемость.

Человеческий ген Mbl1, как выяснилось, выключен у 100% лиц внеафриканского происхождения и у 89% африканцев. «Испортившая» его мутация возникла около 60 тысяч лет назад, незадолго до выхода наших предков из африканской прародины. Носители мутации явно получили какое-то важное преимущество, потому что мутация начала быстро распространяться в популяции.

Об этом говорит анализ изменчивости прилегающих участков ДНК. Как и следовало ожидать, исходя из гипотезы о позитивном отборе, вариабельность этих участков оказалась ниже у лиц с выключенным геном по сравнению с носителями исходного «рабочего» варианта. Для остальных отключенных генов доказать прямое действие отбора сложнее: они замолчали раньше, и следы отбора уже стерлись. Но и одного примера достаточно, чтобы показать, что утрата генов могла быть выгодна нашим предкам.

Повышенный уровень отключения («псевдогенизации») среди обонятельных и иммунных генов может иметь и иное объяснение. Дело в том, что между обонятельной и иммунной системами существует глубокая и не до конца еще понятая связь. Согласно недав