Почти треть генома составляют повторяющиеся последовательности и последовательности, повторяющиеся в самых различных вариациях. Более трети генов человека, связанных с обеспечением функций клеток, идентичны генам бактерий. Ряд специалистов считает это результатом горизонтального переноса генов, т. е. внедрения бактерий путём симбиоза в организм человека с последующим усвоением их геномов человеческим геномом.
Другие специалисты видят в этом всего лишь конвергенцию, развитие сходных структур в сходных условиях. Тем более, что около 60 % белков человека обладают явным сходством с белками организмов, принадлежащих к другим видам.
С самого начала международная научная программа «Геном человека» преследовала три основных цели: картирование и секвенирование генома, его структурно-функциональное изучение и создание тем самым основ для эффективного лечения генетических заболеваний, развития медицинской генетики и генотерапии.
Из этих трёх великих целей в полной мере была осуществлена только первая. К достижению двух других были сделаны только первые, хотя и необходимые шаги. «После определения последовательности, её первичной организации и проверки на точность, – отмечают американские генетики Уильям Клаг и Майкл Каммингс, – встаёт следующая задача: определить все гены и кодируемые ими белки. Таким образом, аннотация расшифрованной ДНК – последовательности представляет собой процесс, в котором идентифицируются гены, их регуляторные области и функции генов. При этом также определяют гены, которые не кодируют белки, обнаруживают и характеризуют белки, обнаруживают и характеризуют мобильные генетические элементы и семейства повторов» (Клаг У и Каммингс М. Основы генетики – М.: Техносфера, 2007 – 896 с., с.601).
Опираясь на анализ последовательностей нуклеотидов в геноме, удалось выяснить, что общее число генов у человека составляет всего около 30 000, тогда как ранее полагали, что их насчитывается около 80-100 тысяч. Но число это тоже очень приблизительное. Было обнаружено, что на средний размер гена в хромосомах приходится около 50000 нуклеотидов. Но уже идентифицированные с определённым уровнем надёжности гены очень сильно различаются по величине.
Так, самый объёмный ген из всех, что уже идентифицированы по своим функциям, содержит 205 млн. пар нуклеотидов. Он кодирует один из белков мышечной ткани. Самые же короткие гены содержат их всего лишь около двух десятков. Расшифровка генома, хотя и меньше, чем ожидалось, приблизила нас к решению важнейшей проблемы генетики, коей является путь от генов к признакам.
Трудности исследования этого пути очень велики и многообразны. Гены имеют весьма сложную структуру. Геноцентристская эйфория, распространившаяся в связи с открытием генетического кода, когда казалось, что уже раскрыты все тайны воспроизведения жизни, была обусловлена тем, что тогда никто и не догадывался об этой сложности. Но эта сложность предстала перед исследователями во всей своей полноте только после расшифровки последовательностей генома.
Гены не являются машиноподобными приспособлениями для кодирования белков. Они состоят из экзонов (от англ. сокращения выражения, обозначающего экспрессирующую зону) и интронов, некодирующих участников.
Экзоны, т. е. структуры генов, кодирующие наследственную информацию, обнаруживаются посредством выявления этой информации в последовательностях нуклеотидов. Но анализ этих рамок сопряжён с рядом фундаментальных трудностей.
Наиболее чётко характеризуют эти трудности У. Клаг и М. Каммингс. «Поиск открытых рамок считывания с помощью компьютера, – отмечают они, – эффективный метод для аннотации бактериальных геномов. Геномы эукариот, в том числе и геном человека, обладают некоторыми свойствами, наличие которых делает этот метод непродуктивным» (Там же, с. 602).
В чём же дело? «Многие гены эукариот, – разъясняют они, – состоят из экзонов, разделённых интронами. Это означает, что многие гены не содержат непрерывную открытую рамку считывания. В результате программа поиска часто интерпретирует экзоны как отдельные гены… Гены у человека и других эукариот часто очень протяжённые, что увеличивает шансы для обнаружения ложных открытых рамок считывания. Более 70 % генома человека содержат протяжённую последовательность ДНК между генами» (Там же).
Определение предполагаемых рамок считывания составляет только начало работы по локализации и установлению функций того или иного гена. Далее необходимо провести сравнение данного участка ДНК, заключённого в этой рамке, с похожими участками других организмов и с последовательностями генов бактерий, поскольку последние устроены гораздо проще и их функции выявляются с определённой точностью.
Затем проводится поиск функциональных возможностей участков ДНК с точки зрения их способности кодировать определённые белковые образования. Наконец, последовательности нуклеотидов в данных рамках считывания анализируют на предмет наличия таких функций, которые могут отсутствовать в других организмах. Совершенствование с каждым годом компьютерной техники и методологии исследований позволяют решать подобные головоломные задачи, но только с определённым уровнем вероятности, а не в виде однозначно установленных фактов.
Экзоны представляют собой работоспособные участки ДНК, которые по характеру своего действия многофункциональны. Они могут кооперироваться между собой в различных сочетаниях, вследствие чего один и тот же ген может осуществлять синтез большого разнообразия белков, отличающихся друг от друга аминокислотными последовательностями. Один ген может кодировать до 40000 функционально разных белков.
Вся эта сложность определяется тем, что молекулы ДНК, упакованные в хромосомах, представляют собой не более чем куски материи, структурно пригодные для записи наследственной информации. Видоспецифические организации геномов, их смысловые участки – гены и их экзоны – образуются исторически и поддерживаются в относительном постоянстве, постоянно активируясь биологической работой вида.
Геном – это генетический паспорт вида, записанный в 3,5 млрд. оснований. «Последовательности ДНК человека идентичны между собой на 98,8 %, однако, оставшиеся 0,2 % генома человека характеризуются значительной вариабельностью», – отмечают авторы фундаментального российского учебника по генетике (Генетика. Учебник для вузов. Под ред. акад. РАМН В.И. Иванова – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006 – 638 с., с. 342). По-видимому, и человек, и каждый вид живых организмов на Земле с течением времени изменяется в пределах подобной вариабельности.
Один геном человека отличается от другого всего лишь одним основанием на каждые 1200–1500 оснований. Столь же незначительно отличаются друг от друга геномы представителей других видов животных организмов. Причины генетических вариаций в геноме подразделяются на мутации и проявления полиморфизма.
Около 90 % вариаций в геноме человека составляют очень мелкие проявления полиморфизма, размером всего лишь в один нуклеотид. Понятно, что при такой незначительности вариабельных изменений генома в рамках чисто генетических отклонений вид может сохранять своё постоянство сколь угодно долго. Это обстоятельство подкрепляет нашу убеждённость в том, что крупномасштабные трансформации видов, обеспечивающие фундаментальные изменения их геномов, могут происходить только при коренных изменениях характера и содержания биологической работы в новых исторических условиях существования видов.
Наряду с геномикой – наукой о геноме и одновременно методологией расшифровки генома, определения его структурно-функциональных особенностей и их применения в медицине в настоящее время активно развивается протеомика – наука о наборах белков, экспрессируемых геномом и одновременно методология определения функций, структуры и действия тех или иных белков. Протеомика стремится «определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение, количество, локализацию, модификации и механизмы взаимодействия» (Там же, с. 363).
Предмет изучения протеомики – протеом – полный набор протеинов (т. е. белков, которые продуцируются генами генома и разновидностей которых в современной науке уже открыто около 500000). Функционирование генома раскрывается через протеомику, и наоборот. В этом выражается их глубинная взаимосвязь.
XXI век в истории человечества начался с расшифровки генома. Мы верим, что он продолжится усовершенствованием жизни.
24.9. Эволюционные проблемы биотехнологии
Под биотехнологией в наше время понимают совокупность технологических процессов с использованием биологических систем, включая живые организмы, компоненты живой клетки и продукты её жизнедеятельности – ферменты и гены.
Развитие современной биотехнологии, начавшееся в 70-е годы XX века, открывает волнующие, поражающие воображение перспективы – от выращивания технических устройств и неистощимых ресурсов и до создания биороботов и живых существ с заранее заданными свойствами. Соответственно биотехнология – это реальная перспектива творческой эволюции.
