Геномика человека

Применительно к людям этот тип исследований может выявить молекулярные мишени и маркеры для профилактики заболеваний, ранней диагностики и персонализированного лечения. 

Что такое геномика

Геномика — это междисциплинарная дисциплина, которая занимается структурой, последовательностью, функцией и эволюцией генома, то есть, всей генетической информацией, содержащейся в ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте), присутствующей в клетках определенного вида. Размер генома и количество содержащихся в нем генов различаются у разных живых организмов. 

Хотя ДНК была впервые выделена в 1869 году, геномика зародилась только в 1970-х годах, когда ученым удалось определить последовательность ДНК простых организмов. Самый большой прорыв произошел в 1995 году, когда впервые удалось полностью секвенировать геном свободноживущего организма гемофильной палочки (Haemophilus influenzae).

Семинары по антивозрастной медицине

Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей

Узнать подробнее

Направления геномики

Постоянно развивающаяся область изучения генома включает несколько основных направлений:

• Функциональная геномика стремится понять, каким образом гены управляют развитием и функционированием нашего организма и как их сбой вызывает патологическое состояние.

• Структурная геномика. Это область геномики, которая занимается характеристикой структур генома, а именно генетическим и физическим картированием, а также секвенированием целых геномов. 

• Биоинформатика — это междисциплинарная область, которая объединяет информатику, программные инструменты и базы данных для поиска, анализа и понимания больших объемов биологической информации.

• Протеомика фокусируется на изучении изменений в моделях экспрессии белков в зависимости от болезней и условий окружающей среды.

• Геномика человека. Как следует из названия, она фокусируется на изучении последовательности человеческого генома.

• Геномика бактериофагов относится к изучению генома бактериофагов или вирусов, поражающих бактерии. Ее цель — найти альтернативное лечение тех заболеваний, основной причиной которых являются устойчивые к антибиотикам бактерии.

• Метагеномика фокусируется на изучении метагенома или генетического материала, полученного из образцов окружающей среды.

• Цианобактериальная геномика. Эта отрасль изучает цианобактерии, тип бактерий, способных производить энергию посредством фотосинтеза.

• Фармакогеномика изучает влияние генетических вариаций на эффективность и токсичность лекарственного средства.

Проект «Геном человека»

Современная геномика началась с секвенирования человеческого генома. Возможность его полной  расшифровки впервые обсуждалась на научной конференции, организованной в 1985 году Робертом Л. Синшаймером из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Важность и осуществимость этого проекта были подтверждены в 1986 году на конференции, организованной Министерством энергетики США в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. В том же году Ренато Дульбекко, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1975 года, в редакционной статье, опубликованной в журнале «Наука», изложил идею картирования ДНК человека, чтобы победить рак. 

Проект «Геном человека» (HGP) был начат в 1990 году с целью секвенирования всех 3 миллиардов оснований генома человека. Хромосома 22 была первой в рамках этого проекта, у которой определили последовательность нуклеотидов  в 1999 году. В нем приняли участие исследователи из 16 институтов США, Великобритании, Франции, Германии и Китая.

Международный консорциум по секвенированию генома человека опубликовал первый проект генома в журнале Nature в феврале 2001 года, завершив примерно 90% последовательности из трех миллиардов пар оснований всего генома. 

Первоначальные цели HGP были следующими: 

• определить последовательность 3 миллиардов пар оснований, составляющих ДНК человека; 

• идентифицировать ее гены; 

• хранить полученную информацию в общедоступных базах данных; разработать ИТ-инструменты для анализа данных; 

• передать производные технологии государственному сектору; 

• рассмотреть этические, юридические и социальные аспекты, которые могут возникнуть в результате реализации проекта. 

Благодаря быстрому развитию технических средств, используемых для считывания последовательностей ДНК, исследователям удалось завершить проект на два года раньше запланированного срока и со значительной экономией по сравнению с ожидаемым бюджетом. Одной из причин его раннего завершения стала конкуренция, возникшая между лабораториями государственного консорциума и частной компанией Celera Genomics. 

В июне 2000 года на совместной пресс-конференции, на которой присутствовали Фрэнсис Коллинз из Национального научно-исследовательского института генома человека (NHGRI) и Джон Крейг Вентер из Celera genomics, был объявлен первый рабочий проект последовательности генома. Он и первоначальная интерпретация собранных последовательностей были опубликованы в IHGSC (McPherson, Marra, Hillier et al. 2001) и Celera genomics (Venter, Adams, Myers et al. 2001). Эта неполная версия охватывала 90% генома с частотой ошибок 1/1000 п.н., включала более 150 000 разрывов и только 28% последовательностей достигли своей полной формы. 

Точная версия человеческого генома была представлена ​​публике в апреле 2003 года: в ней было менее 400 разрывов, 99% последовательностей генома были полными, а точность составляла менее 1/10 000 п.н.

Секвенирование генома

Существует два подхода к секвенированию генома. Первый первоначально создает карту, которая позволяет разделить геном на различные сегменты, а затем продолжается секвенирование различных сегментов. Этот подход аналогичен сортировке глав книги и последующем поиску слов, входящих в каждую главу. 

Подобный метод, используемый IHGSC, был основан на картах смежных клонов в векторах бактериальных искусственных хромосом (BAC). С его помощью ДНК человека делится на фрагменты (100 000–200 000 пар оснований), а затем они клонируются в бактерии, которые хранят и реплицируют ДНК. В методе секвенирования на основе BAC каждый клон картируется, чтобы определить, где в геноме человека - ДНК клона. Этот способ обеспечивает понимание точной последовательности ДНК каждого клона и пространственного соотношения с другими клонами. 

Для составления 3 миллиардов пар оснований человеческого генома требуется около 20 000 различных клонов BAC. Для секвенирования каждый из них разрезается на более мелкие фрагменты (около 2000 оснований), которые затем автоматически изучаются с помощью прибора, способного считывать около 500–800 оснований на реакцию. После секвенирования каждого фрагмента компьютер выравнивает смежные последовательности, что позволяет отследить последовательность клона BAC.

Второй подход, называемый методом дробовика, предполагает случайное фрагментирование генома на частично перекрывающиеся сегменты и последующее их секвенирование. Геномная последовательность затем собирается компьютером на основании перекрытия последовательностей между фрагментами. Этот подход аналогичен восстановлению копии книги путем соединения перекрывающихся страниц. Таким способом был секвенирован первый геном живой клетки — бактерии Haemophilus influenzae. Эту же технику использовала компания Celera Genomics для секвенирования генома человека.

На сегодняшний день секвенирование геномов различных организмов позволило узнать последовательность примерно 2360 вирусов, 2950 бактерий и 670 эукариотических организмов. Некоторые из них представляют собой модели выбора для изучения функций генома. 

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют собой эукариотическую модель, широко используемую в различных исследованиях. С функциональной точки зрения она во многих отношениях напоминает клетку млекопитающего, и именно поэтому его геном стал предметом интереса ученых. Геном Saccharomyces cerevisiae был первым геномом эукариот, который был полностью секвенирован в 1996 году. Большой процент генов дрожжей гомологичен генам млекопитающих, а функция примерно 25% из них пока неизвестна.

Первым секвенированным геномом многоклеточного эукариотического организма был геном нематоды Caenorhabditis elegans. Несмотря на то, что это простой организм длиной всего 1 мм, это очень важная модель для исследований. Его секвенирование началось в 1990-х годах, а информация о его последовательности была опубликована в декабре 1998 года. Геном состоит из 100,3 МБ и содержит 20 443 гена, 1270 из которых не кодируют белки. Из-за большого размера генома проект Caenorhabditis elegans считается основной пилотной моделью секвенирования генома человека.

Что касается геномов млекопитающих, то полностью секвенированы геномы человека, мышей и крыс. Хотя человеческое существо является самым крупным, все три этих млекопитающих имеют примерно одинаковое количество генов. Их последовательность показывает, что примерно 99% генов мышей и крыс имеют прямые аналоги у человека, включая гены, связанные с заболеваниями. 

Сравнение последовательности различных секвенированных геномов позволяет заметить, что не существует прямой зависимости между общим количеством ДНК, содержащейся в геноме, и структурной и организационной сложностью организма. В целом можно сказать, что у людей и других сложных организмов меньшая доля генома отведена генам, тогда как остальная часть состоит из межгенных областей, которые у людей часто состоят из повторяющейся ДНК.

Человеческий геном

Секвенирование генома человека вместе с геномом других видов позволило подчеркнуть, что последовательности генов между фенотипически очень разными существами демонстрируют сильное и неожиданное сходство.

До того, как геном человека был секвенирован, прогнозы общего числа генов варьировались от 60 000 до 100 000. После публикации первого черновика всей последовательности их количество оказалось на удивление небольшим — около 30 000 генов. Впоследствии, проведя сравнение генома человека с геномом других организмов, выяснилось, что в действительности количество ДНК в клетке не всегда прямо пропорционально ее функциональной сложности; например, некоторые виды амеб имеют более высокое содержание клеточной ДНК, чем люди. 

За последние несколько лет разработка нового программного обеспечения позволила управлять огромным объемом информации о геноме человека. Другой важный прогресс произошел в описании онтологии генов. Консорциум генной онтологии (GO) позволил разработать общую номенклатурную систему для определения концепции функциональности генов, применимой ко всем организмам. Согласно этой новой номенклатуре, генные продукты разделены на три отдельные категории: биологический процесс, клеточный компонент и молекулярная функция. В настоящее время словарь GO содержит около 28 000 функциональных терминов.

Организация генома человека

Геном человека состоит из сложного компонента — ядерного генома, включающего около 30 000 генов, и более простого — митохондриального генома, состоящего из 37 генов. Большая часть кодирующей ДНК используется для производства мРНК (информационной РНК ) и, следовательно, полипептидов, а меньшинство (от 5% до 10%) человеческих генов определяет некодирующую РНК (гены РНК).

Митохондриальный геном представляет собой кольцевую молекулу ДНК длиной 16 569 пар оснований. В основном двухцепочечный, он имеет небольшую часть, характеризующуюся структурой тройной спирали ДНК, называемой 7S ДНК . Он содержит 37 генов без интронов и плотностью 1/0,45 т.п.н.: 24 кодируют РНК (22 молекулы тРНК и 2 молекулы рРНК, рибосомальная РНК ). Остальные 13 генов кодируют полипептиды, синтезируемые на митохондриальных рибосомах. В отличие от своего ядерного аналога, около 93% последовательности митохондриальной ДНК является кодирующей.  

Единственной областью, не кодирующей ДНК, является область D-петли, которая содержит промоторы транскрипции митохондриальной ДНК, которые позволяют транскрипцию больших мультигенных транскриптов. Зрелые РНК впоследствии получают путем разрезания этих транскриптов. Интересно подчеркнуть, что митохондриальная ДНК наследуется исключительно через мать: при формировании зиготы сперматозоид обеспечивает только ядерную ДНК, поэтому самцы не могут передавать свои митохондрии последующим поколениям.

Ядерный геном составляет более 99% клеточной ДНК. Он разделен на 24 различных типа линейных двухцепочечных молекул ДНК, с каждой из которых связываются гистоны и другие негистоновые белки, образуя хромосомы. ДНК, выбранная для секвенирования в проекте генома человека, представляла собой не весь ядерный геном, а только его эухроматическую часть.

Существует значительное меньшинство генов, которые определяют некодирующие молекулы РНК в качестве конечного продукта (которые не транслируются), и по этой причине их называют генами РНК. Большинство из них используются для производства молекул, которые вмешиваются в общий процесс экспрессии генов. Некоторые из них, особенно рРНК и тРНК, участвуют в трансляции мРНК. Многие другие семейства РНК участвуют в реакциях, которые приводят к созреванию РНК, которое включает расщепление и специфичные для оснований модификации других молекул РНК (мРНК, рРНК, тРНК и других видов РНК). Недавно были идентифицированы другие гены РНК с различными функциями: sn РНК ( малая ядерная РНК ), образующая сплайсосому; мякРНК ( малая ядрышковая РНК ), участвующая в сайт-специфических модификациях и процессинге рРНК; микроРНК , молекулы длиной примерно 22 нуклеотида, обладающие антисмысловыми регуляторными функциями, способные предотвращать трансляцию специфической мРНК; РНК, связанные с инактивацией Х-хромосомы (XIST или TSIX РНК), которые регулируют гены, подлежащие импринтингу.

Международные проекты HapMap  и ENCODE

Международный проект HapMap начался в октябре 2002 года благодаря консорциуму ученых из шести стран с целью получения карты генома человека и выявления генов, связанных с такими заболеваниями, как астма, рак, диабет и сердечные патологии. Кроме того, это должно позволить изучать генетические факторы, которые способствуют индивидуальным различиям в экологических рисках, восприимчивости к инфекциям и эффективности лекарств и вакцин.

Проект ENCODE ( ENCyclopedia Of Dna Elements) стартовал в 2003 году и направлен на создание энциклопедии функциональных элементов, закодированных в ДНК, и, следовательно, на идентификацию и точное определение местоположения всех кодирующих или некодирующих генов, а также всех других функциональных элементов, содержащихся в последовательности ДНК (The ENCODE). 

Создание этого монументального каталога поможет ученым более эффективно изучать и использовать последовательность генома человека для разработки новых стратегий профилактики и лечения заболеваний. На начальном этапе участвующие исследовательские группы разработают эффективные и высокопроизводительные методы для всестороннего анализа примерно 1% генома человека. Анализ этих первых 30 миллионов оснований человеческого генома позволит экспериментировать и сравнивать различные технологии, полезные для идентификации функциональных элементов человеческой ДНК. В 2017 году началась четвертая фаза проекта. 

Фармакогенетика и фармакогеномика

Секвенирование генома человека не только позволило продвинуться вперед в фармакогенетике — дисциплине, изучающей вариабельность индивидуальной реакции на лекарство, связанной с наследственностью, личными и семейными генетическими характеристиками, но и определило развитие фармакогеномики. Эта дисциплина сочетает в себе методы медицины, фармакологии и геномики с целью разработки и использования новых персонализированных, более эффективных и менее вредных лекарственных препаратов, начиная с анализа индивидуального генома для выявления новых генов, которые могут выступать в качестве мишеней для новых видов терапии,  а также индивидуальных генетических профилей, от которых может зависеть ответ на введенный препарат.

Возможность измерять профили экспрессии или изменения тысяч генов одновременно, а также улавливать различия между людьми дает возможность более эффективно и с большей специфичностью осуществлять терапевтическое вмешательство, чем это делалось в прошлом. Обе дисциплины  нацелены на индивидуальную терапию, ориентированную на отдельно взятого человека, учитывая что на реакцию конкретного пациента может определенным образом влиять его или ее собственный геном. 

Примером применения между фармакогенетикой и фармакогеномикой является изучение ферментов печеночного цитохрома P450 (CYP), которые способны метаболизировать большое количество лекарственных средств. От субъекта к субъекту генетические вариации этих ферментов могут приводить к различной метаболической способности. Измеряя генетические вариации этих ферментов, можно определить фенотип, прогнозирующий способность субъекта реагировать на определенную категорию лекарств, и, следовательно, определить наиболее подходящее фармакологическое лечение и дозировку, максимизируя эффективность и минимизируя побочные эффекты. В то же время определение этого фенотипа может быть полезно для проверки возможной частоты побочных реакций на новые лекарства с целью заблаговременного выявления ответа на лечение.

Перспективы и цели геномики

Технологические проблемы и необходимые финансовые усилия подтолкнули проект «Геном человека» к созданию междисциплинарных групп (включая инженерию, информатику и биологию), чтобы автоматизировать, где это возможно, процедуры и сконцентрировать исследования в крупных исследовательских центрах для оптимизации ресурсов. 

Некоторые текущие исследовательские проекты (такие как HapMap и ENCODE) характеризуются совместной деятельностью с участием различных учреждений и стран. Таким образом, геномика выводит биологические исследования в новую эру, основанную на междисциплинарной и совместной деятельности. Однако эта дисциплина представляет ряд новых инструментов и технологий, которые могут использоваться отдельными учеными для более эффективного проведения своих исследований.

Знать полную последовательность человеческого генома — это все равно, что выучить все страницы руководства по человеческому телу. Следующей задачей будет научиться читать содержимое всех этих страниц, чтобы затем понять, как различные части нашего организма работают вместе, и обнаружить генетическую основу здоровья или недуга. В этом отношении исследования на основе генома позволят медицинской науке разработать высокоэффективные диагностические инструменты, понять генетический вклад человека и разработать новые методы лечения заболеваний.

Индивидуализированный анализ, основанный на геноме каждого человека, приведет к созданию своеобразной персонализированной медицины. Медицинские работники смогут помочь людям улучшить свое здоровье путем изменения диеты или образа жизни или путем более тщательного медицинского наблюдения. Более того, понимая на молекулярном уровне, как развиваются такие патологии, как диабет, болезни сердца или шизофрения, можно будет разработать новые терапевтические методы, многие из которых будут основаны на более специфических и эффективных лекарствах, чем те, которые доступны сегодня. 

Разработка диагностических тестов будет происходить быстрее, особенно тех, которые способны прогнозировать индивидуальные риски для здоровья и профилактической медицины. Однако в отношении лекарств прогресс будет медленнее, поскольку фармацевтической компании обычно требуется более десяти лет, чтобы протестировать и вывести на рынок вещество. Ожидается, что в ближайшие 10–15 лет будут разработаны геномные лекарства. 

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

• Геномика человека - это область науки, изучающая геном человека, то есть полный набор генетической информации, закодированной в ДНК.

• Она включает в себя исследования структуры, функции и взаимодействия генов, а также их влияние на здоровье и различные биологические процессы.

• Главная цель геномики - понять особенности генетической основы человека, связанные с заболеваниями, наследственными факторами, развитием и функционированием организма. Исследования в этой области могут привести к разработке новых методов диагностики, лечения и профилактики различных заболеваний, в том числе рака, сердечно-сосудистых заболеваний, неврологических и генетических нарушений.

• Геномика человека также имеет важное значение для понимания эволюционных процессов, дифференциации тканей и клеток, а также персонализированной медицины, которая учитывает индивидуальные генетические особенности каждого человека при принятии решений о лечении и профилактике заболеваний.

Список использованной литературы

1. E. E. Eichler, R. A. Clark, X. She, An assessment of the sequence gaps: Unfinished business in a finished human genome. Nat. Rev. Genet. 5, 345–354 (2004).

2. K. H. Miga, Y. Newton, M. Jain, N. Altemose, H. F. Willard, W. J. Kent, Centromere reference models for human chromosomes X and Y satellite arrays. Genome Res. 24, 697–707 (2014).

3. M. Gupta, A. R. Dhanasekaran, K. J. Gardiner, Mouse models of Down syndrome: Gene content and consequences. Mamm. Genome 27, 538–555 (2016).

4. M. J. P. Chaisson, J. Huddleston, M. Y. Dennis, P. H. Sudmant, M. Malig, F. Hormozdiari, F. Antonacci, U. Surti, R. Sandstrom, M. Boitano, J. M. Landolin, J. A. Stamatoyannopoulos, M. W. Hunkapiller, J. Korlach, E. E. Eichler, Resolving the complexity of the human genome using single-molecule sequencing. Nature 517, 608–611 (2015).

5. International Human Genome Sequencing Consortium, Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature 431, 931–945 (2004).

6. K. Berlin, S. Koren, C.-S. Chin, J. P. Drake, J. M. Landolin, A. M. Phillippy, Assembling large genomes with single-molecule sequencing and locality-sensitive hashing. Nat. Biotechnol. 33, 623–630 (2015).