Открытие строения генома человека – значение для медицины и онкологии

Причина любой болезни внутри клетки или клеток, – на уровне молекул ДНК и белков. В будущем причины болезней будут обнаруживать на уровне атомов и их электронных оболочек.

В настоящее время нарушения в молекулах ДНК и белков клетки или клеток – истинная причина любой болезни. Для понимания болезни, еe ранней диагностики и излечения, необходимо знать их молекулярные причины.

Но это прежде требует знаний структуры и функций молекул ДНК и белков в нормальной клетке каждого типа. На уровне ДНК – это гены.

Ген – это фрагмент ДНК, который несет информацию о структуре иРНК, других РНК и белков.

Геном – это совокупность генов и межгенных участков в молекулах ДНК. Геном изучает наука – геномика.

В ядре любой соматической клетки человека имеется 23 пары хромосом. Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК из двух цепочек. Каждая цепочка построена из нуклеотидов, в каждом по одному из азотистых оснований. Всего азотистых оснований четыре: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Для краткости их обозначают первыми буквами слов – А, Т, Г, Ц. Эти буквы – алфавит ДНК.

Каждая молекула ДНК представляет собой целый ряд генов. Так как ДНК построена из двух цепочек, то еe длина измеряется числом пар оснований, а каждую пару обозначают словом «буква».

Две цепочки из нуклеотидов с помощью пар оснований соединяются вместе и образуют целую молекулу ДНК. Пары оснований комплементарны друг другу и соединены между собой водородными связями только такими сочетаниями: А-Т или Т-А- Г-Ц или Ц-Г. На протяжении всей длины молекулы ДНК можно видеть такие сочетания оснований. Но порядок размещения пар оснований или их последовательность для каждого гена свой. Именно в последовательности пар оснований или «букв» и заключена генетическая информация. Это инструкция о том, как должна быть построена клетка каждого типа, и как она должна функционировать. Это относится и к организму в целом. То есть генетическая информация всех генов – это «рецепт» построения и функционирования организма человека.

Из этого ясны цели открытия строения генома:

1) выявить последовательность пар оснований каждого гена вдоль длины молекулы ДНК-

2) определить место каждого гена и его границы по длине молекулы

ДНК. Это необходимо было сделать в каждой хромосоме – с 1-й по 23-ю.

Весь процесс открытия строения генома человека состоял из этапов:

1) разделение молекул ДНК на большие фрагменты и секвенирование (от лат. sequi – следовать), т.е. определение последовательности пар оснований или «букв»-

2) картирование, т.е. идентификация генов и локализация места их расположения на хромосомах.

На первом этапе было обнаружено, что ДНК человека в 23-х хромосомах состоит из 3,2 млрд. пар оснований, т.е. химических «букв». Каждая пара оснований – это «кирпичик», из которых формируются гены.

На втором этапе ученые расположили эти пары оснований в правильной последовательности, что позволило «прочитать» каждый ген и произвести инвентаризацию генов и межгенных участков. Так была составлена карта топографии генов на хромосомах. Но эти данные будут еще уточняться и дополняться.

Прямая выгода от знания строения генов станет очевидна не сразу, пока не будут выяснены функции каждого гена в клетке, т.е. что он делает?

До открытия строения генома ученые знали функции ряда генов. В целом учeные знают о функциях не более одной трети генов, а о двух третях их – ничего.

То есть учeным ещe предстоит выполнить важнейший третий этап – выяснить функции каждого гена в клетке каждого типа в норме. Важно узнать, какие гены в такой клетке работают, а какие «молчат». Затем ученые то же сделают в дефектной клетке того же типа, например, в раковой клетке. По разнице можно выявить ген-причину, но это лишь один из путей обнаружения раковой клетки.

Что пока дало открытие строения генома?

1. Оказалось, что в геноме человека всего 26-30 тысяч генов, а не больше, как предполагалось.

Очевидно, не зря в клетках человека обнаружено «расщепление» генов. За счет этого с гена может копироваться не одна иРНК, а больше – в среднем до 10 таких молекул. Отсюда продукт гена – белок не один, а несколько – от 3 до 10 разных белков.

То есть в схему этапов реализации генетической информации от гена к его основному продукту, следует внести уточнение: ген – иРНК – белки, вместо – «белок» в прежней схеме.

Считают, что у человека «один ген отвечает за группу функций» или «за одну функцию отвечает сразу целая группа генов». Это будет изучено, так как есть методы определения функций генов.

2. Лишь 2% всех генов участвует в синтезе белков в клетке, остальные – 98% длины ДНК до недавнего времени считалось – не являются генами. Это длинные последовательности нуклеотидов, в которых часто повторяется – АГГ, АГГ Функции этой части генома только начинают изучаться. Но уже ясно, что это не «мусор», как некоторые считали, а часть ДНК, которая регулирует экспрессию генов и их связей между собой.

3. Небольшое число генов в геноме человека имеет важное практическое значение – легче разобраться в роли генов, которые могут вызывать разные болезни, в частности, рак.

4. Оказалось, что около половины генов являются общими и для человека, и для червячка «C. elegans». Более того, в геноме человека только 300 генов, которых нет в геноме полевой мыши.

Для изучения функций генов широко используется клетки в культуре. Принцип: с помощью введения в клетки антисмысловой РНК блокировать, а теперь можно малой молекулой РНКи разрушить в клетке иРНК, т.е. копию изучаемого гена. По изменению свойств такой клетки можно определить функции этого гена.

Открытие общих с человеком генов у червячка и мыши делает эти организмы новыми, очень нужными моделями для определения функций неизвестных у человека генов, но одинаковых с ними. Ведь изучать функции генов на этих организмах проще и легче, чем на человеке. Их гены можно легко изменять, т.е. вызывать мутации или выключать ген, следя за изменениями свойств клетки или свойств организма.

На мышах можно использовать и такой прием: в половых клетках удалять один, либо два, либо больше генов и изучать организм таких мышей-мутантов. Это позволит понять какой ген или гены за что отвечают, изучать взаимодействие генов между собой.

5. Разница между генами мыши и человека не превышает 1%, а между разными людьми – 0,01%.

На выяснение функций всех генов в клетках каждого типа человека уйдет много лет. Когда это будет достигнуто, ученые смогут на уровне нормальной клетки каждого типа установить стандарт или идеал нормы: а) последовательности пар оснований для каждого гена и б) функций каждого гена в клетке.

Акад. А.И. Арчаков (2000) подчеркивает, что «теперь стало совершенно очевидно, что ?все болезни от генов?». На этой основе он впервые предложил классификацию всех болезней на «два больших класса»:

1. Наследственные болезни. Они составляют всего 2% от всех болезней. Их причина – дефект гена или генов в половых клетках.

2. Ненаследственные или приобретенные болезни. Они составляют 98% от всех болезней. Их причина – нарушения экспрессии гена или генов в соматической клетке или клетках.

Из причин болезней «сразу» вытекают и методы лечения пациентов: для пациентов первого класса – «перспективна генная терапия», а для пациентов второго класса – «создание новых лекарств».

В настоящее время для оценки функций генов и их изменений в клетках при различных болезнях, в частности, раке, разработан ряд новых методов. Но в клиническую практику они только начинают «входить». Они необходимы для ранней диагностики раковых клеток и для контроля излечения от рака.

1. ПЦР-ММК – это чувствительный и надежный метод получения фрагментов генов или РНК в неограниченном количестве копий для последующего их анализа. Им можно выявлять любые фрагменты мутантных генов или избыток иРНК генов из раковых клеток в образцах из плазмы крови и других биоло- гических жидкостей, из клеток рака материала биопсий от пациента. А избыток иРНК и мутации в генах – это маркеры раковых клеток.

2. ДНК-чипы. На них можно определять, какие гены в нормальной клетке каждого типа активны, а какие – «молчат». Такие микрочипы позволяют оценить состояние десятков тысяч генов в клетке и даже сразу всех, т.е. 26-30 тысяч составляющих геном человека.

ДНК-чипы позволяют произвести раннюю диагностику рака, т.е. первую раковую клетку и еe первые потомки по исследованию образца плазмы крови от пациента: в ней можно находить фрагменты генов фетальных белков, например, гена oct-4, гена белка «5Т4» и другие, а также фрагменты мутантного гена wt53 – «стража» генома из погибших раковых клеток.

Когда будут выяснены функции каждого гена в нормальной клетке каждого типа и гены-причины, вызывающие ту или иную болезнь, медицина будет изменена в корне: она станет молекулярной.

Перед учeными стоят задачи:

1) какие гены в нормальной клетке разного типа, став дефектными, превращают нормальную клетку в раковую клетку-

2) сколько всего дефектных генов вызывает образование из нормальной клетки раковую клетку-

3) влияние таких дефектных генов на организм человека. Для этого необходимо создать мышь-мутант с таким дефектом гена или генов. То есть, работы по идентификации генов теперь могут длиться дни, а не годы, как раньше. Но главная задача молекулярной медицины заключается теперь в том, чтобы выяснить, какие гены и как изменены, что вызывают ту или иную болезнь, в частности, канцерогенез, «трансформировать в знание того, что с этим можно сделать».

Для этого ученым потребуется лучше понять, как, строя и поддерживая наш организм, взаимодействуют между собой белки – молекулы, построенные по генетическим «шаблонам» ДНК.

Наука геномика уже существует и активно развивается, но наука протеомика ещe только вначале своего пути. И здесь впереди еще «долгий путь».

Диагностика болезней будет основана на выявлении дефекта гена или генов, или изменения экспрессии генов по иРНК. Такие изменения в генах – это маркеры для ранней диагностики болезни и гены – причины конкретной болезни. Они же будут мишенями для воздействия лекарственных препаратов.

Среди лекарственных препаратов могут быть: нормальный ген для замены дефектного гена в клетке, ингибиторы дефектных генов – введение РНКи в дефектные клетки, «ремонт» генов в клетке и др.

Действие лекарственных препаратов будет избирательным, т.е. без повреждения здоровых клеток и направлено не на ликвидацию симптомов болезни, а против гена-причины. Это особенно необходимо соблюдать при лечении рака.

Что даст в перспективе для медицины открытие строения генома?

1. Проведение генетических тестов. Для любой болезни будут определены гены-маркеры: а) «до еe начала» – это диагностика предболезни и б) «ее начало» – это ранняя диагностика болезни – I уровень.

По одному небольшому образцу крови или плазмы от пациента достаточно, чтобы определить степень риска возникновения болезни, в том числе появления первых раковых клеток в организме. Для этого наука быстрыми темпами разрабатывает детальные тесты, что позволит очень рано выявлять предболезнь или болезнь. В таких случаях применение избирательных лекарственных препаратов может предотвратить возникновение болезни, в частности, рак.

2. Создание индивидуальных лекарственных препаратов. Лекарство будет создаваться для конкретного пациента. На уровне ДНК эти лекарства будут направлены против дефектов генов и их иРНК. В отличие от существующих препаратов, новые препараты будут давать максимальный эффект, а их избирательное действие на клетки-мишени предупредит побочные эффекты у пациента.

3. Проведение генной терапии. В настоящее время любой ген можно клонировать или синтезировать. Сам по себе такой ген, введенный в организм любого вида, не отторгается этим организмом.

Для излечения рака генная терапия крайне необходима. Для этого уже разработано много методов, но в клиническую практику только начинают внедряться.

Например: введение в раковые клетки нормального гена-супрессора wt53 белка р53 при мутациях его в раковой клетке, «гена-смерти» bах для индукции апоптоза в раковые клетках, подавление экспрессии генов oct-4, Nanog, hTERT, циклина D1, генов mts1 и остеопонтина и других генов инвазии раковых клеток.

До сих пор считалось, что хранилищем генетической информации являются только гены, кодирующие белки. Но в некодирующих белки областях ДНК, которые долгое время относили к «хламу», оказалось множество генов, кодирующих только малые, т.е. короткой длины двухцепочечные молекулы РНК. Они то и осуществляют контроль обычных генов – избирательно подавляя их экспрессию в клетке, путем разрушения копии, т.е. иРНК гена. Это интерферирующие РНК (РНКи).

Фенотип клетки любого типа во многом определяется метильными группами – (-СН3). Они могут связываться с цитозином (С), когда в одной цепи нуклеотидов за ним следует гуанин (G) – это дуплет CpG. Такие дуплеты часто располагаются в промоторе генов.

При присоединении к CpG – островкам метильной группы метилтрансферазой, – ген выключается, а когда удаляется метильная группа деметилазой, – ген включается. Важно то, что при этом последовательность нуклеотидов не затрагивается. Отсюда и название этого явления – эпигенетическое изменение гена. «Эпи» в переводе с греческого, – это «над» генами.

Открытие строения генома человека, – «это только начало пути», подчеркивает У. Гиббс (2004). В настоящее время ученые приступили к изучению эпи- генома, конечная цель которого – составление карты «всех сайтов метилирования в ДНК».

В отличие от мутаций метилирование и деметилирование промотора генов – процесс обратимый. В каждой нормальной клетке разного типа «рисунок» метилирования свой. Кроме редких типов клетки, ошибки в метилировании – главная причина превращения нормальной клетки в раковую клетку.

Для раковой клетки характерны:

- снижение метилирования геномной ДНК в целом-

- деметилирование ряда фетальных генов, что приводит их к дерепрессии-

- метилирование генов-супрессоров, препятствующих в норме превращению нормальной клетки в раковую клетку-

- введение деметилирующих лекарств в эти гены возвращает гены в нормальное состояние. Однако, в раковой клетке в отличие от нормальной клетки, такое изменение часто нестабильно. Ученые заняты решением этой очень важной проблемой для онкологии.

Эпигенетическими изменениями занимается наука эпигенетика – еe объект эпигеном человека.

4. Открывается подход к определению состояний живого существа.

«Живое существо» или «живое» начинается с уровня клетки, ниже этого уровня молекулы, еще ниже – атомы и их электроны. Но это уже не живое.

Понятие «состояния» относится к живому существу, так как только живое существо, а не молекулы или атомы, могут реагировать на раздражители.

Состояния живого существа известны с глубокой древности – из работ нашего великого соотечественника – учeного и врача ибн Сины (980-1037 г.).

Величайший труд ибн Сины «Канон врачебной науки» охватывает все разделы средневекового медицинского знания. Он включает анатомию и физиологию человека, патологию, лекарствоведение, клиническую диагностику и лечение болезней.

Этот труд по своей роли в истории медицины ученые сопоставляют только с Гиппократовым сборником.

«Канон» был составлен в первые десятилетия XI в., впервые был отпечатан на арабском языке в Риме в конце XVI в., затем был ряд переводов его на латинский язык.

Много веков подряд его штудировали в университетах и школах Запада и Востока как обязательное руководство для врачей. Да и сегодня каждый читатель находит в нем много интересного и поучительного.

Ибн Сина определял медицину так: «медицина – наука, познающая состояние тела человека, поскольку оно здорово или утратит здоровье, ради того, чтобы сохранить здоровье и вернуть его, если оно утрачено».

«Познание всякой вещи, если она возникает, достигается и бывает совершенным через познание ее причин, если они имеются». Поэтому ибн Сина говорит: «в медицине следует знать причины здоровья и болезни. Причины эти бывают явные и скрытые».

«В истинных изъяснено, что познание вещи приобретается через познание ее причин и начал. Материальные причины – это заложенные в теле основы».

Теперь нам можно перейти к определению состояний живого существа. Среди состояний живого существа ибн Син различал: «здоровье» и «утрата здоровья». В утрату здоровья он включал два состояния: «болезнь» и «не здоровье и не болезнь». Для сегодняшнего дня «не здоровье и не болезнь» – это предболезнь.

Познание состояний живого, писал ибн Син, требует знания их причин. И на это ушли века. Многие ученые пытались дать определение «болезни», а определения «здоровья» практически не касались. Но мы до сих пор не имеем правильного и понятного определения ни здоровья, ни болезни.

На наш взгляд, выделенные впервые ибн Син состояния живого, – основа для их определения.

Лишь недавно прогресс науки – расшифровка генома человека и начало изучения его эпигенома дают нам возможность решить эту проблему или заметно приблизиться к ней. Но для этого прежде надо дать ответ на вопрос: что является причиной этих состояний?

Ответ: причиной является эпигеном живого существа, так как: 1) именно эпигеном «контролирует и регулирует работу каждого гена» в клетке и 2) нарушения экспрессии гена или генов в нормальной клетке – причина болезни (А.И. Арчаков, 2000).

Анализ эпигенома позволит определить каждое из этих состояний, в том числе промежуточное состояние – предболезнь- в схеме это можно было бы сделать так1:

а) на уровне соматической клетки

1. Идеальный эпигеном клетки - Здоровье клетки

2. Изменения в эпигеноме клетки без нарушений еe функций3. Изменения в эпигеноме клетки с нарушениями еe функций

- Предболезнь клетки

- Болезнь клетки

б) на уровне эпигенома человека по анализу клеток крови

1. Идеальный эпигеном человека - Здоровье человека

2. Изменения в эпигеноме без нарушений функций организма3. Изменения в эпигеноме с нарушениями функций организма

Примечания:

- Предрасположенность к болезни или предболезнь человека

- Болезнь человека

1. В пункте «а» тип исследуемой клетки должен быть одинаковым с типом клетки идеального эпигенома.

2. Регистрация отличий эпигенома исследуемого образца от идеального эпигенома.

3. Сравнение эпигеномов проще проводить на ДНК-чипах.

1 Идеальный эпигеном, т.е. стандарт здоровья.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!