ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

Новые направления биотехнологии Гсномика и метагеномика

В последние годы родилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Г сном - это совокупность наследственной информации клетки, сохраняемой и передаваемой следующему поколению в виде последовательности нуклеотидов молекул ДНК.

Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований (рис. 4.1, табл. 4.1).

Рис. 4.1. Фрагмент генома

Таблица 4.1

Объемы геномов разных организмов

Геномика сформировалась как особое направление в 1980- 1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секве- нированию (определению нуклеотидной последовательности) геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Ф-Х174 (5 368 нуклеотидов) в 1977 г. Эго небольшой вирус, питающийся клетками бактерий (рис. 4.2). Проект осуществлялся под руководством британского биохимика Фредерика Сенгера, единственного в мире человека, который дважды получил Нобелевскую премию но химии.

Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1995 г.). Такая работа была проведена в институте генетических исследований TIGR (США) под началом Крега Венгера (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Бактериофаг Ф-Х174

Рис. 4.3. Геном бактерии Haemophilus influenzae

После этого были полностью секвенированы геномы ещё нескольких видов, включая геном человека. Проект генома человека начат в 1990 г. Первая версия последовательности нуклеотидов была закончена в 2000 г. Конечная версия, которая больше не будет совершенствоваться (названная Build35) - закончена в 2004 г. Это был один из самых масштабных проектов за всю историю биологии. Затраты на него составили порядка 3 млрд долларов, а сообщения о предварительных результатах оглашали президент США Билл Клинтон и премьер Великобритании Тони Блэр.

Последняя версия последовательности содержит 2,85 млрд пар нуклеотидов с 341 брешью, то есть в этих местах по каким-то причинам секвенировагь геномную ДНК не удалось. Предсказанное число генов у человека теперь 20-25 тысяч, что немного меньше, чем предсказывалось раньше. Фрагмент генома человека представлен на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Фрагмент генома человека

В 2005 г. расшифрован геном риса. В проекте участвовали ученые из десяти стран. Среди источников финансирования были крупнейшие фирмы, занимающиеся производством сортовых семян, в том числе и трансгенных.

Расшифровка ДНК шимпанзе показала, что генетическая разница между нами и нашим ближайшим родственником среди обезьян составляет примерно 1 %. Скорее всего, в этом проценте и спрятано го, что делает человека человеком, - крупный мозг, развитая речь и т.д.

Геномика привела к возникновению новых направлений в медицине - нугригенегики, нутригеномики, фармакогенетики, фармакогеномики.

Подобно генетике (науке о генах) и геномике (науке о всем наследственном аппарате клетки), различают нутригенети- ку и нутригеномику, которые определяют как наследуемые индивидуальные различия реакции организма на пищу. При этом нутригенетика исследует влияние генетических вариаций между диетой и заболеванием. Ее цель - оценить риск и пользу определенной диеты, ее отдельных компонентов для здоровья индивида, то есть разработать научные подходы индивидуального (персонифицированного) питания.

Нутригеномика - понятие более емкое. Она исследует действие диеты не только на геном, но и на весь протеом (обмен белков) и метаболом (метаболические системы всего организма).

Главные задачи нутригеномики:

• - изучить, как влияет питание на метаболические процессы;
• - выяснить, как эта регуляция изменяется на ранних стадиях болезней, ассоциированных с диетой;
• - установить, в какой мере индивидуальные особенности генома связаны с развитием заболевания.

Своими корнями нутригеномика уходит в далекое прошлое. Еще 2 400 лет назад Гиппократ сказал: «Пища будет вашим лекарством, и нища излечит вас» («...food be your medicine and medicine be your food»).

Сам термин «нутригеномика» впервые появился в 1975 г. в работе английского исследователя Р.О. Бреннана «Нутригенетика: новая концепция, облегчающая гипогликемию», в которой был впервые сформулирован тезис о том, что нища влияет на работу генов.

Фармакогенетика - наука о генетически обусловленной индивидуальной реакции организма на лекарство. Созданный в последние годы союз молекулярной фармакологии и функциональной геномики привел к возникновению еще одного родственного научно-практического направления - фармакогеномики, основная цель которой - оптимизация направленного поиска новых препаратов, специфически действующих на определенные гены и их продукты (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Фенотипические эффекты лекарственных препаратов в зависимости от функции генов

Одним из важных итогов расшифровки генома человека является создание генетических иасиортов. Генетический паспорт - это индивидуальная база ДНК-данных, отражающая уникальные генетические особенности каждого человека, его предрасположенность к тем или иным наследственным и другим заболеваниям (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Вариант генетического паспорта

В последнее время одним из актуальных направлений исследований является метагеномика. Термин «метагеномика» был впервые использован учеными Jo Handelsman, Jon Clardy и Robert M. Goodman и появился на страницах журналов в 1998 г. Под метагеномикой подразумевают раздел молекулярной генетики, изучающий метагеном - генетический материал, получаемый напрямую из образцов среды.

Человек с позиции метагеномики рассматривается как суперорганизм, который обладает совокупностью не только своих собственных генов, но и тех, которые обитают на поверхности и внутри тела человека.

Нормальная микрофлора - это качественное и количественное соотношение разнообразных микроорганизмов отдельных органов и систем, поддерживающее биохимическое, метаболическое и иммунное равновесие макроорганизма, необходимое для сохранения здоровья человека.

Желудочно-кишечный тракт человека - это сложная экосистема, идеальная среда обитания для множества бактерий. По-настоящему хорошо изучены лишь немногие представители микрофлоры кишечника и желудка, например, Escherichia coli или Helicobacter pylori. Об остальных известно мало. Даже видовое многообразие энтеробактерий оценивается приблизительно от 300 до 1000 видов. Но теперь ситуация начинает меняться благодаря международному проекту «Human Microbiome».

В конце 2007 г. был организован Международный консорциум «Микробном человека», крупнейшими программами которого стали «Human Microbiome Project», реализуемый в США, и европейский проект «MetaHIT». Американская программа была изначально нацелена на изучение около 20 сообществ микроорганизмов здорового человека. Европейские ученые сосредоточились на желудочно-кишечном тракте. В международный консорциум вошли также национальные программы Канады, Японии, Кореи, Австралии и других стран.

С 2010 г. масштабное исследование мегагенома человека наметилось и в России. Консорциум ведущих российских институтов в области гастроэнтерологии и молекулярной биологии в качестве инициативного проекта начал проводить первые эксперименты но широкомасштабному секвенированию образцов ДНК из кишечника человека. Целью первого этапа исследования в рамках российского проекта «Метагеном» является характеристика состава биоты желудочно-кишечного факта, характерной для жителей различных территорий РФ, в норме и при патологиях и оценка возможного вклада микроорганизмов, колонизирующих различные отделы ЖКТ, в развитие ряда его патологических состояний.

Именно поэтому в индивидуальный генетический паспорт человека должна быть включена информация не только о его генах, но и о геномах микробиогы, обитающей в/на геле человека. Эти микробы содержат тысячи генов, отсутствующих у человека, но влияющих на его метаболизм.

Многочисленные исследования подтверждают, что дисбаланс микрофлоры кишечника желудочно-кишечного тракта является источником заболеваний обмена веществ. В настоящее время насчитывается большое количество метаболических заболеваний, основными из которых являются ожирение (избыточное количество жира в организме), сахарный диабет (нарушение углеводного обмена), анемия (снижение концентрации гемоглобина), остеопороз (снижение костной массы и плотности костей), сердечно-сосудистые, онкологические заболевания.