Геномика и биоинформатика. Микрочипы

Современная молекулярная генетика и геномика, с одной сторо­ны, дают примеры глубокого проникновения в механизмы живого, а с другой — преподносят сюрпризы, разрушая многие представления, благодаря которым картина живого была более или менее стройной и логичной. Представления о генетическом детерминизме подвергают­ся серьёзному пересмотру. Фрагментарность генома, «перепутан­ность» кодирующих и некодирующих участков, наличие альтернативного сплайсинга — всё это предусматривает необходи­мость управления процессами формирования зрелой РНК, относи­тельно которых пока нет ясности. Схемы 70-х годов, на которых рисовали последовательно расположенные на ДНК гены, кодирую­щие белки-ферменты, регулирующие последовательные и взаимосвя­занные реакции метаболизма, годятся, пожалуй, только для микроорганизмов, да и то не всегда. Гены в хромосомах человека не только расположены в беспорядке, но и взаимно перекрываются — интроны и экзоны одного гена располагаются внутри интронов и экзонов другого. Именно в силу этого обстоятель­ства так сложно было определиться с числом генов человека — единственным способом стало выявление зрелой мРНК. Это материал для определения наличия гена, его положения и интрон-экзонной структуры.

В современной геномике накоплено столько материала, что не хватает возможно­стей для его анализа. Поэтому сегодня самым важным элементом молекулярной генетики становится биоинформатика или геноинформатика, автоматизация и «интернетизация» науки. Одной из революционных технологий в геномике и молекулярной генетике, позво­лившей быстро накапливать большие объёмы генетической информации, являются микрочипы.

Мирзабеков А. Д.

А. Д. Мирзабеков (1937 — 2003 гг.)

Данная технология имеет большое значение для функциональ­ной геномики и медицинской диагностики, поэтому остановимся на ней подробнее. Первый патент на микрочипы принадлежит коллекти­ву под руководством российского генетика А. Д. Мирзабекова. А. Д. Мирзабеков предложил иммобилизовать синтетические фрагменты ДНК на твёрдых матрицах и проводить гибридизацию этой матрицы с исследуемым образцом нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК.

Микрочип представляет собой твёрдую основу (нейлоновую мембрану или стеклянную пластинку), на которой различные олиго­нуклеотиды в микроколичествах иммобилизованы на микроплощад­ках с определёнными координатами. Каждый олигонуклеотид соответствует части экзона на основе сиквенса геномной ДНК, либо представляет собой какую-либо специфическую последовательность, предназначенную для выявления комплементарной последовательно­сти. Если стоит задача выявить наличие однонуклеотидных поли­морфизмов (SNP), используют фрагменты ДНК, которые наносят на микрочипы и с помощью флуоресцентных меток устанавливают наличие специфического связывания. Подробнее процедуру можно рассмотреть на примере использования микрочипов для установления профиля генной экспрессии.

Чтобы выяснить, действительно ли в данной ткани или клетке транскрибируется (т. е. работает) тот или иной ген, из клетки выделя­ют суммарную РНК. С помощью обратной транскриптазы из всех этих молекул РНК получают ДНК-копии, которые метят флуоресцентной меткой, после чего проводят гибридизацию с иммобилизованными на микрочипе олигонуклеотидами. Если в данных условие какие-то площадки с олигонуклеотидами остаются тёмными, то это значит, что участок геномной последовательности, комплементарной данному олигонук­леотиду, не транскрибируется.

ДНК-микрочип

Рис. 1. Вид ДНК-микрочипа

Если же площадка матрицы «светится», значит, олиго­нуклеотиды на этой площадке прогибридизо­вались с флуоресцентно меченым продуктом. Следовательно, соответствующий участок ге­нома транскрибировался и действительно яв­ляется частью какого-то гена (рис. 1).

С помощью микрочипов можно сравнивать уровень транскрипции данного гена в разных клетках и тканях, в них гены экспресси­руются по-разному. Можно сравнивать ткань опухоли и нормальную ткань, тогда выявляют те гены, которые специфически более сильно транскрибируются в опухоли. Таким образом, гибридизация на мик­рочипах позволяет узнать, какие конкретно полиморфизмы несёт тот или иной человек, а также какие гены в геноме в данных условиях транскрибируются. Изменения экспрессии генов происходят при раз­личных видах поведения, при реагировании на негативные воздей­ствия среды (стресс, физические и психологические травмы), при возникновении психических расстройств и различных психологиче­ских состояний. Экспрессия генов изменяется при нагрузках, трени­ровках, запоминании информации и возникновении заболеваний. Любую болезнь можно охарактеризовать своеобразным набором ас­социированных с ней генов и изменением уровня их транскрипции. Этот анализ является очень важным для усовершенствования диагно­стики в медицине и понимания патогенеза болезни.

Использование микрочипов, как и другие приёмы геномики, роднят молекулярную генетику с информационными технологиями. В данной области науки и практики, как и в сфере компьютерных си­стем, технологии постоянно дешевеют, становятся всё более доступ­ными и производительными. Ещё несколько лет назад выявление некоторых генов с помощью ПЦР (например, диагностика предраспо­ложенности к раку молочной железы у женщин или пренатальная ди­агностика плода по нескольким дефектным генам) было дорогой процедурой. Однако с широким внедрением и совершенствованием микрочипов открывается перспектива исключительно быстрого и от­носительно дешёвого сканирования всего генома с выявлением одно­временно миллионов полиморфизмов. Однако наиболее полную информацию даёт секвенирование всего генома.

Автоматизация методов секвенирования генома и разработка новых эффективных методов ведёт к тому, что уже просеквенирова- ны сотни геномов растений, насекомых и млекопитающих. Геном мыши «издан» в виде небольшого книжного тома, страницы которо­го, изготовленные из специальной бумаги, содержат фрагменты, «пропитанные» растворами соответствующих кДНК. Любой исследо­ватель может, вырезав соответствующий кусочек бумаги, получить интересующий его ген. В качестве подарка к своему 80-летию перво­открыватель двойной спирали Дж. Уотсон получил сиквенс своего генома. В перспективе любой желающий сможет получить то же са­мое. В настоящее время некоторые компании предлагают запись на секве­нирование индивидуального генома за 10 тысяч долларов США, и постав­лена задача снизить стоимость этой процедуры ещё на порядок. Многое зависит от требований к точности, для повышения которой геном необходимо прочитывать многократно. Многочисленные ком­мерческие компании уже предлагают эту услугу, равно как услугу по выявлению родственных связей между людьми, уточнению фамилии у мужчин (как известно, фамилия передаётся по мужской линии вме­сте с Y-хромосомой) и прочие высокотехнологичные возможности. Всё это ставит перед человечеством сложные вопросы морально-этического свойства и создаёт новую реальность, когда люди будут передавать своим детям и внукам свой геном, записанный на диске, как важную информацию о здоровье и рисках, значение которой бу­дет расти по мере накопления новых медико-генетических данных.

В объёме этой статьи, естественно, мы не можем отразить все ин­тересные достижения геномики за последнее время, тем более что новые впечатляющие успехи в этой науке появляются чуть ли не ежемесячно. Мы можем констатировать, что если с 1953 года, благодаря от­крытию Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК и объяснению ими механизма наследственности, началась эра молекулярной биоло­гии, то через 50 лет, с момента расшифровки человеческого генома и ряда других геномов в начале 2000-х годов, началась эра геномики. Вслед за ней быстро развиваются новые отрасли знаний: транскриптомика (информация о профиле транскрипции генов), протеомика (информация о структуре реально синтезируемых белков) и метаболомика (информация о низкомолекулярных продуктах, присущих данной клетке или ткани). Биохимия со своими громоздкими и дорогими методами исследований отступает на второй план. Появилась (по выражению российского генетика Л. Л. Киселёва) «сухая биохи­мия» — конструирование белков с помощью компьютеров на основе знаний о последовательности нуклеотидов в гене, кодирующем тот или иной белок. Сегодня это проще, доступнее и дешевле. Скорость, с которой появляются новые важные факты, поражает.

Психология как наука о поведении и сознании также очень выигрывает от этого развития, поскольку генетические данные способ­ствуют усилению роли биологической психологии. Благодаря современной молекулярной генетике и геномике психология и психи­атрия переживают «биологическую революцию», поскольку впервые появилась возможность объяснять с биологических позиций многие поведенческие акты, эмоциональные реакции и проявления сознания и мышления, что является большим подспорьем для психологов при доказательстве различных гипотез. В то же время генетика, какой бы высокотехнологичной она ни была, сама по себе не сможет решить проблем психологии. Поведение и сознание человека — это результат сложного взаимодействия генов и среды, в котором наука только начинает разбираться.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Генетическая идентификация личности человека

Основные свойства и характеристики генов

Роль генов в функционировании организма человека

Чужеродная ДНК в геноме человека — вирусы

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>