Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

Иногда совокупность генов сравнивают с большим музыкальным оркестром. В зависимости от дирижера и исполнителей одна и та же партитура может звучать так, что вызывает у слушателей или восторг, или глубокое разочарование. Каким образом каждый музыкант — отдельный ген — играет в этом «оркестре», как осуществляется слаженное «концертирование» многих тысяч разных исполнителей? Какую роль в основном «дирижировании» играет сложнейшее взаимодействие между различными генами, какое влияние оказывают постоянные воздействия на гены многочисленных факторов внутренней и внешней среды, таких, как радиация, температура, пища, солнечный свет, бактерии, вирусы, лекарственные вещества, внутриклеточные метаболиты? Не менее важен и вопрос о «дирижерских палочках» — сигнальных путях и молекулярных механизмах, контролирующих программы работы генов, так как дисгармония этих процессов сильно отражается на слаженной игре «оркестра» в целом.

Таким образом, когда мы говорим о групповой ответственности генов за те или иные функции, следует помнить, что внутри определенной группы всегда есть такие, кто собственно и выполняет всю работу, другие ее контролируют, а кто-то обеспечивает чисто вспомогательные функции. Речь идет сейчас о том, чтобы определить иерархию внутри таких сложных групп взаимозависимых и взаимосвязанных между собой генов.

Все эти вопросы еще предстоит решить в будущем. И все это, безусловно, гораздо более сложная и трудоемкая задача, чем уже проделанная гигантская работа по секвенированию генома человека.

Однако и на этом сложности предстоящей работы не заканчиваются. В изучении регуляции экспрессии генов сейчас все большее и большее значение придается химическим изменениям, происходящим иногда в определенных участках генома. Наиболее известное из них — уже упоминавшееся метилирование — это присоединение в ДНК к букве Ц специальной химической группы, состоящей из одного атома углерода и трех атомов водорода (метильная группа). Такая модификация существенно сказывается на работе гена, без изменения его текста. Метилирование, а также другие способы, которыми природа изменяет активность генов, меняя лежащие рядом с ними регулировочные участки, стали предметом изучения новой «постгеномной» дисциплины — эпигеномики (от греческого «эпи» — рядом, около). Явление немутационной эпигенетической изменчивости, открытое в конце 50-х годов при изучении генетики простейших и генетики соматических клеток, тогда не вписывалось в хромосомную теорию наследственности, «вызывая тень Ламарка» (последний утверждал, что признаки, приобретенные организмами в процессе своей жизни, могут передаваться по наследству, что отвергается современной генетикой). В наше время, когда понята молекулярная природа этого явления, эпигеномика стала еще одним из важных направлений биологического поиска. Об этом говорит хотя бы тот факт, что еще до завершения проекта «Геном человека» произошло объединение усилий большой группы ведущих европейских научных центров с целью создания Европейского эпигенетического консорциума. Его основная задача — выявление сотен тысяч участков генома, подвергающихся метилированию, и анализ различных вариаций.

Каковы же магистральные пути развития функциональной геномики человека в настоящее время? Разработано огромное множество подходов для решения данной задачи. Обо всех рассказать здесь просто невозможно, поэтому остановимся вкратце лишь на некоторых основных из них.

В последние годы появились принципиально новые экспериментальные технологии, позволяющие одновременно следить за динамикой экспрессии сотен, а порой и тысяч генов в ходе функционирования и развития клеток. И здесь в первую очередь следует отметить технологию так называемых микрочипов. В 2000 году, выступая с традиционным обращением к американскому народу, президент США отметил, что биологические чипы станут одним из ведущих направлений в развитии биологии и медицины XXI столетия. В чем же причина проявления столь жгучего интереса к биочипам?

История биочипов началась еще в конце 80-х годов, когда исследователи сразу трех стан (Югославии, США и СССР) опубликовали первые результаты работ по оценкам возможности применения биочипов для анализа ДНК. В нашей стране ведущая роль в разработке данных технологий принадлежит Институту молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (директор академик А. Д. Мирзабеков). Спустя 10 лет в США было объявлено о начале проекта по выпуску на рынок первых коммерческих продуктов, использующих биочипы. В настоящее время эта технология очень широко используется в самых разных целях большим числом фирм. С ее помощью осуществляется широкомасштабная автоматизация процесса обнаружения множества различных генных мутаций, одновременный анализ работы десятков тысяч генов в здоровых и поврежденных тканях, диагностика генетических заболеваний и многое другое.

Современный биологический микрочип имеет весьма небольшой размер (чаще всего с ноготь) и представляет собой набор нанесенных и закрепленных (иммобилизованных) на предметном стекле специальных проб в количестве от нескольких десятков до 10000 и более. В качестве таких проб могут служить очень короткие нуклеотидные последовательности ДНК (олигонуклеотиды), протяженные фрагменты ДНК, ферменты, антигены, антитела и т. д. В зависимости от поставленной задачи сложность микрочипа (количество иммобилизованных проб и плотность их расположения) может варьировать в широких пределах. Пробы расположены на чипе в определенной последовательности. Чип гибридизуют (о гибридизации мы уже говорили) с изучаемым образцом, содержащим сложную смесь меченых тем или иным способом РНК или ДНК, а далее анализируют полученный результат с помощью специальных приборов — сканеров. По получаемой картине можно судить о том, что именно содержится в анализируемом образце. Таким образом, обеспечивается проверка на соответствие известных и неизвестных образцов ДНК и автоматизируется процесс их идентификации. Иными словами, биочип — это новое изделие, которое выступает в роли биологического эквивалента микрочипа компьютера, за исключением того, что, вместо выполнения миллионов математических действий, использующих электричество, здесь происходит расшифровка работы тысяч генов за счет процесса гибридизации.

В настоящее время исследования генной экспрессии часто проводятся с использованием высокоэффективных микрочипов ряда фирм. У фирмы Affymetrix они представляют собой маленькие пластинки, в микролунки которых нанесены короткие (20–25 нуклеотидов) пробы, комплементарные последовательностям исследуемых генов. При этом каждому гену соответствует несколько (10–20) таких проб. Это существенно повышает точность и воспроизводимость количественного анализа генной экспрессии. Плотность размещения проб, а следовательно количество генов, анализируемых на одном чипе, могут быть столь велики, что один такой чип способен охватить все гены человека. С таким микрочипом проводят гибридизацию меченых копий суммарной РНК клетки (кДНК). Благодаря комплементарности цепей, в каждой лунке гибридизуется отдельная фракция кДНК. Затем автоматически микрометодами определяется спектр генов, изменяющих свою экспрессию в одном типе клеток по сравнению с другим. В результате можно расписать функциональное состояния огромного числа генов на каждый конкретный момент времени в каждом определенном типе клеток.