История развития теории гена также заслуживает отдельного рассмотрения, так как понятие «ген» многократно изменялось и уточнялось в ходе развития генетики.
О существовании в половых клетках наследственных факторов как дискретных единиц догадывались еще во времена Г. Менделя. Впервые назвал эти факторы генами В. Иогансен в 1903 г.
Дальнейшие представления о гене возникали в связи с формированием хромосомной теории наследственности и других научных воззрений. Существенную роль в развитии теории гена сыграли:
• концепция «один ген — один фермент» (Бидл Дж. и Тейтем Э.,
1941);
• доказательство связи биологической функции с химическим строением молекулы ДНК и ее характеристика как носителя наследственной информации (Эйвери О. и соавт., 1944);
• открытие двойной спирали ДНК (Уотсон Дж., Крик Ф. и
Уилкинс М., 1953);
• постановка проблемы гена и рассмотрение возможных вариантов генетического кода (Даунс А. и Гамов Г., 1952-1954);
• установление параметров генетического кода для белков (Крик Ф. и Бреннер С., 1961);
• расшифровка генетического кода (Ниренберг М. и Маттеи Дж., 1961; Очоа С., 1962; Корана Х., 1965).
Следует отметить: по мере проникновения в молекулярную структуру наследственного материала все труднее становилось находить в молекулах ДНК границы генов. Это было связано с трудностями локализации нуклеотидов, выделением участков последовательностей ДНК с неизвестными функциями, мигрирующих последовательностей (мобильных генетических элементов), псевдогенов и т.д.
Тем не менее, такие новые сведения не только не изменили имеющихся представлений о тонком строении гена, а напротив, существенно их расширили (см. главу 2).
Современное состояние и перспективы развития геномики и протеомики
Современный этап развития генетики характеризуется огромными достижениями: генетика человека, медицинская и клиническая генетика значительно продвинулись вперед, особенно за последние 20-30 лет.
На основе консолидированных усилий ученых развитых стран мира (США, Англия, Франция, Германия, Швеция, Израиль и Япония), предложивших, профинансировавших и полностью реализовавших международную программу «Геном человека» (1988- 2005), в данной области знаний произошли кардинальные изменения. Результаты выполнения программы трудно переоценить. Она привела к возникновению новых научные направлений — биоинформатики (ее предмет — генетическое разнообразие человека), функциональной геномики (протеомики), экогенетики, а также
учения об этических, правовых и социальных аспектах исследований генома человека.
Теперь указанные дисциплины (особенно вторая и третья) играют важную роль во всех сферах человеческой деятельности. Уже допустимо говорить о быстро нарастающей биоинформатизации и генетизации человечества.
Кратко рассмотрим историю биоинформатики (ранее называемой кибернетикой). Она также незаслуженно пострадала от гонений в советские годы. В настоящее время в рамках биоинформатики разрабатываются и применяются программные алгоритмы для систематизации и анализа данных о структуре и функциях макро- и микромолекул клетки. Полученные сведения затем используются в клинической геномике и протеомике, в том числе для создания новых лекарственных препаратов.
Теперь остановимся на истории протеомики, являющейся одной из основных тем настоящего учебного пособия.
Как сказано в начале главы, рождение протеомики как самостоятельной науки произошло в 1995 г. (официальная дата), хотя биохимики уже почти двести лет изучают белки человека и животных.
Геномика (старое название — генетика) и протеомика объединены одной целью: выяснении характера связей информационных структур — генов — с реально функционирующими молекулярными машинами (белками), т.е. связей между генами и признаками, генотипом (геномом) и фенотипом (феномом) организма на разных этапах онтогенеза.
Иными словами, современная протеомика (или функциональная геномика) есть следствие (продолжение) развития геномики — от создания генетических (хромосомных) карт до разработки белковых (протеомных) карт. Следовательно, прогресс генетики человека связан с формированием сначала двух направлений, затем с выделением из них новых (дочерних) направлений, а уже из них (в недалеком будущем) — следующих. Именно в этом заключается огромное эволюционное значение генетики человека (как науки о жизни), обусловливающее ее бессмертие.
Тестирование макромолекул генов, белков и других компонентов клеточной структуры, а также расшифровка характера молекулярных связей между генами и белками, между уникальными или повторяющимися последовательностями ДНК, белковыми и небелковыми структурами клетки — главные задачи геномики и протеомики.
В медицине результаты тестирования генов и белков и расшифровки связей между ними используются для диагностики, лечения и профилактики генетических и негенетических заболеваний.
Как известно, в рамках программы «Геном человека» получены данные об организационной структуре и функционировании молекулы ДНК, определена совокупность генов организма (генотип), проведено сиквенирование всех последовательностей генома, изучены тонкая структура гена и особенности генной экспрессии, составлены карты всех хромосом, на которых локализованы сотни ранее неизвестных генов, расшифрован геном митохондрий.
Накоплен огромный багаж новых научных сведений, требующих глубокого рассмотрения и анализа. Среди них:
• доказательства необходимости пересмотра существующих взглядов на происхождение современного человека (его генотип содержит следы экспансии более древних генов из Африки, сотни генов получены от бактерий и беспозвоночных, а почти половина генов произошла из мобильных элементов — транспозонов);
• картирование на хромосомах человека свыше 11 000 генов;
• данные о появлении и усовершенствовании новых типов генов: нейрональных генов, генов свертывания крови, генов приобретенного иммунного ответа, генов общих возможностей человека (гены внутриклеточных и межклеточных сигналов, гены индивидуального развития, гены программированной клеточной гибели и контроля транскрипции и др.);
• выделение 5 классов повторяющихся последовательностей ДНК и доказательство их роли в эволюции, процессах естественного отбора и мутагенеза; показано, что повторы могут перестраивать геном, модифицировать и перетасовывать существующие гены, в том числе модулируя в них содержание ГЦ-пар (соответственно Г — гуанин, Ц — цитозин) оснований;
• идентификация генов транспортной РНК и сотен псевдогенов, способствующих реализации функций генов «домашнего хозяйства»;
• обнаружение в геноме огромного числа однонуклеотидных полиморфизмов и коротких фрагментов ДНК; предполагается, что среди них могут быть картированы гены, ответственные за наследование мультифакториальных признаков и заболеваний;
• выделение в кодирующих областях генома CpG-островков (динуклеотидов), связанных с 5′-концами генов; часть из них содержится в рибосомальных генах и псевдогенах;
• открытие новых биологических феноменов (геномная память или маркирование моноаллельной экспрессии импринтированных генов — эпигеномное воздействие на экспрессию); данные о прионных белках как о носителях информации нового типа, хранимой в механизме конформации; данные об экспансии (или росте числа) кодирующих и некодирующих нуклеотидных повторов, связанных с динамической мутацией и антиципацией;
• новая оценка роли многочисленных семейств белков, особенно белков-доменов, которые считаются консервативной частью генома в эволюции.
Показано, что у человека в сравнении с другими биологическими видами в расчете на один белок доменов выявлено больше, и наблюдаются новые их комбинации.
Следует отметить: из всех предполагаемых у человека белков (их примерно 350-400 тыс.) в настоящее время идентифицировано всего 7-8\%. Определение и изучение функционирования многих типов белков (белковых комплексов) еще только начинается.
Медицинское значение результатов программы «Геном человека» заключается в следующем.
Главный итог ее реализации — появление и бурное развитие молекулярной медицины , общепризнанными достижениями которой стали:
• доказательство уникальности наследственного материала индивида и проведение на этой основе молекулярно-генетических и биохимических исследований по индивидуальной геномике, протеомике и фармакогеномике;
• выяснение молекулярной природы сотен генных и полигенных болезней (были идентифицированы, клонированы и изучены 320 генов, ответственных за наиболее частые, болезни 170 генов — за редкие; в целом количество моногенных болезней с известной локализацией поврежденного гена уже превышает 1500);
• разработка точных и высокоэффективных методов диагностики (в том числе дородовой, пренатальной) наследственных болезней на разных этапах онтогенеза человека;
• разработка экспериментальных и клинических методов генотерапии, основанной на введении в клетки и последующей экспрессии в них нормальных генов вместо патологических; генотерапия предложена для лечения семейной гиперхолестеринемии,
недостаточности аденозиндезаминазы, болезней Альцгеймера и Паркинсона, миодистрофии Дюшенна-Беккера, бешенства, многих форм рака и других заболеваний;
• разработка и усовершенствование методов профилактической (превентивной) медицины, в том числе массового и селективного скрининга наследственных болезней, подходов к созданию геномного (и протеомного) паспорта человека, пресимптоматической дородовой диагностики и др.;
• выяснение роли генетических факторов в этиологии и патогенезе бактериальных и вирусных инфекционных заболеваний, иммунных, онкологических и других болезней;
• доказательство возможности картирования генов, контролирующих формирование и изменчивость отдельных признаков (например, определено влияние изменений структуры отдельных генов на развитие и вариабельность симптомов заболевания; так, различие по одному основанию в гене рецептора хемокина (CCR5) ассоциируется с чувствительностью к вирусу иммунодефицита (HIV) и способствует формированию синдрома иммунодефицита).
В ближайшие годы основу молекулярной медицины должны составить:
• идентификация сотен и тысяч новых структурных и регуляторных генов;
• выяснение вклада сперматогенеза и оогенеза в развитие мутационного процесса (в первом случае вклад вдвое выше, чем во втором);
• широкое применение методов биоинформатики, включающих:
а) тестирование генов, предположительно ответственных за наследственные болезни, с помощью компьютерной базы данных о сиквенсе ДНК и последующего скрининга генома человека на различные мутации на основе имеющейся информации о структуре гена;
б) тестирование генных сетей или функционально связанных между собой генов, в том числе главных генов и генов-модификаторов ряда нормальных и патологических процессов (выделены генные сети: иммунного ответа — 2190 генов, состоящих из 166 млн нуклеотидов, 6\% всех генов; бронхолегочной системы — около 2000 генов; репликации и контроля клеточного цикла — более 400 генов; обеспечения и контроля эритропоэза — 200 генов и др.);
в) получение индивидуальных лекарств на основе компьютерной базы данных о клетках-мишенях для таких лекарств (идентифицированы 483 клетки-мишени);
• выявление паралогов генов наследственных болезней (найдены 286 паралогов для 971 гена наследственных заболеваний, включенных в международный каталог OMIM);
• определение предрасположенности к моногенным и полигенным болезням, в том числе тестирование генов внешней среды (контролируют метаболизм, деградацию и детоксикацию ксенобиотиков), генов-триггеров (контролируют ключевые биохимические реакции и механизмы адаптации и деградации естественных метаболитов, включая аминокислоты) и генов-рецепторов (кодируют структуру и функции мембранных белков и поступление в клетку веществ);
• сиквенирование участков генома, ответственных за отдельные биологические функции (например, тестирование генов рецепторов, связывающих С-белок);
• разработка новых и совершенствование имеющихся методов генотерапии генных и мультифакториальных болезней;
• разработка правовых и этических требований к созданию и внедрению в медицинскую практику молекулярного (геномного и протеомного) паспорта индивида.