Курсова робота

Геном людини – історія і сучасність.

План.

Теоретичні аспекти.

Основні етапи й результати роботи проекту «Геном людини».

Генетична Революція

Проект розшифровки генома рака (The Cancer Genome Atlas, TGCA)

Результати проекту Cancer Genome Atlas.

Післягеномна ера. Протеоміка: нові горизонти в фармакології.

Від геноміки до протеоміки.

Геном/протеом і патологія.

Геноміка/протеоміка і фарміндустрія.

Шлях від теорії до практики.

Підстави для стриманості.

Чи мають протеомні продукти перевагу?

Прогнози на майбутнє.

Підстави для стриманості.

Основні досягнення в області молекулярної генетики й народження нових
наук.

Створення нових біотехнологій.

Висновок.

Міжнародний проект «Геном людини» (Human Genome Project)

Найбільш масштабним і дорогим біологічним науково-дослідним проектом
вважають проект «Геном людини». Під час його 15-річної історії виникла
біоінформатика, тобто те, чим ми, учасники медичних проектів
розподілених обчислень (РО), допомагаємо займатися колективам
дослідників небезпечних хвороб.

Проект можна розглядати й до певної міри як проект розподілених
обчислень. Так, технологічно проект побудований, безумовно, зовсім на
інших принципах, ніж «класичні» проекти РО, де необхідні обчислювальні
потужності складаються з персональних комп’ютерів учасників. У проекті
«Геном людини» всю роботу робили потужні суперкомп’ютери й
спеціалізовані обчислювальні автомати. Але в більш широкому сенсі, цей
проект схожий на будь-який проект РО фундаментальністю поставлених
цілей, величезною кількістю обчислень, які були потрібні, відкритістю
результатів й перегонами — у проекті взяли участь десятки державних і
комерційних наукових організацій із усього світу, що діяли заодно, але
переслідували різні цілі.

Тому дуже цікаво простежити історію проекту «Геном людини», тим більше
що розверталася вона в 1990-х рр. на тлі стрімкого розвитку комп’ютерних
технологій, що зіграли визначальну роль у його успішному завершенні. 

Теоретичні аспекти. Кожна хромосома (а в соматичних клітинах людини їх
23 пари) утворюється однією молекулою ДНК у формі подвійної спіралі, що
складається з елементарних хімічних ланок — нуклеотидів. Останні
побудовані з вуглеводів, фосфатів й азотистих основ. Вуглеводи й фосфати
однакові у всіх нуклеотидах, а азотистих основ — чотири: А (аденин), Т
(тимин), Г (гуаніни), Ц (цитозин). Тому послідовність основ визначає
генетичний код клітини й основну програму хімічних процесів.

ГЕНОМ людини, тобто сукупність всіх генів і міжгенних ділянок ДНК, за
оцінками, складається з 20-25 тис. генів

Будь-яке порушення «інструкцій», записаних у генах, веде до мутацій. З
10 тис. відомих захворювань людини близько 3 тис. — спадкоємні хвороби.
Звідси такий інтерес до геному людини й причина початку його
повномасштабного наукового дослідження в проекті, що одержав назву
«Геном людини» (Human Genome Project).

Головною метою, поставленої перед проектом, стало визначення точної
послідовності азотистих основ і положення генів у молекулі ДНК кожного
виду клітин людини, що відкрило б причини спадкоємних захворювань і
шляхи до їхнього лікування. Крім того, потрібно було одержати три типи
карт хромосом: генетичні, фізичні й секвенсові (від англ. sequence —
послідовність). Виявити всі гени, що є присутніми у геномі, і встановити
відстані між ними — значить локалізувати кожен ген у хромосомах. Такі
генетичні карти крім інвентаризації генів і визначення їхніх положень
відповідають на винятково важливе питання про те, як гени визначають ті
або інші ознаки організму. Адже багато ознак залежать від декількох
генів, часто розташованих у різних хромосомах, і знання положення
кожного з них дозволить зрозуміти, як відбувається диференціювання
(спеціалізація) клітин, органів і тканин.

У проекті на різних етапах були зайняті тисячі фахівців із усього
світу: біологи, хіміки, математики, фізики, програмісти й техніки. Це
один з найдорожчих наукових проектів в історії. Тільки за період з 1990
по 1998 р. на нього було витрачено більше $1,5 млрд.

   Основні етапи й результати роботи проекту «Геном людини».

В 1988 р. один з першовідкривачів знаменитої подвійної спіралі ДНК,
нобелівський лауреат Дж. Уотсон, привселюдно висловив думку про те, що
наука впритул наблизилася до розкриття хімічної основи спадковості
людини. На той час було вже відомо, що спадкоємний апарат людини, геном,
становить близько 3 млрд. нуклеотидних пар. У той час ця величина
здавалася небачено великою, і сама думка, що такий обсяг інформації може
бути отриманий, здавалася зовсім фантастичною.

В 1980-ті роки технології були занадто примітивними для вирішення
завдання розшифровки генома й серед біологів було багато супротивників
цього проекту. Біологи всерйоз побоювалися, що їх усіх змусять
нескінченну кількість разів виконувати нудні операції із ДНК людини. Як
сказав один юний кандидат наук: «Я не хочу покласти своє життя на те,
щоб визначити послідовність 12-й хромосоми від 100 000-й до 200 000-й
пари основ». Такі побоювання розсіялися після появи нових технологій, що
дозволили передати машинам рутинну роботу з визначення послідовності. І
1990-ті роки ввійшли в історію як роки впевненого вдосконалювання
можливостей визначати послідовність повних геномів.

В 1988 р. засоби на вивчення геному людини виділило Міністерство
енергетики, а в 1990 р. — Конгрес США. В Роквіллі (штат Меріленд)
з’явився Національний інститут дослідження генома людини (Natіonal Human
Genome Research Іnstіtute, NHGRІ), директором якого став Френсіс Колінз
(Francіs Collіns), і робота над проектом пішла повним ходом.

   1995. NHGRІ публікує першу повну послідовність ДНК живого організму —
бактерії Haemophіlus іnfluenzae. За цією бактерією незабаром пішли інші
організми.

   1996. Визначений перший геном еукаріотичної клітини (тобто
складноорганізованої клітини, ДНК якої укладена в ядрі) — клітини
дріжджів Saccharomyces cerevіsіae. Цим відкриттям увінчалися спільні
зусилля шестисот вчених з Європи, Північної Америки і Японії.

   1998. Опублікована перша послідовність ДНК багатоклітинного організму
— плоского хробака Caenorhabdіtіs elegans.

   Число хромосом та їхня довжина різні в різних біологічних видів. У
клітинах бактерій усього одна хромосома. Так, розмір генома бактерії
Mycoplasma genіtalіum — 0,58 Мб (Мегабаза — від англійського слова
«base» — основа), у бактерії кишкової палички Escherіchіa colі в геномі
4,2 Мб, у рослини Arabіdopsіs thalіana — 100 Мб, у плодової мушки
Drosophіla melanogaster — 120 Мб. Сама маленька хромосома клітини людини
Homo sapіens містить ДНК довжиною 50 Мб, сама більша (хромосома 1) — 250
Мб.

   До 1996 р. найбільша ділянка ДНК, що виділялася із хромосом за
допомогою реактивів, мала довжину 0,35 Мб, а на кращому встаткуванні
їхня структура розшифровувалася зі швидкістю 0,05-0,1 Мб у рік при
вартості $1-2 за основу. Іншими словами, тільки на цю роботу знадобилося
б приблизно 30 тис. днів (майже століття) і $3 млрд.

   Удосконалення технології до 1998 р. підвищило продуктивність до 0,1
Мб на добу (36,5 Мб на рік) і понизило вартість до $0,5 за основу.
Використання нових електромеханічних пристроїв, які до того ж споживають
менше реактивів, дозволило вже в 1999 р. прискорити роботи ще в 5 разів
і зменшити вартість до $0,25 за основу (для людської ДНК ще дешевше).

   Знаковою фігурою в цьому процесі став Крейг Вентер (Craіg Venter),
який був провідним співробітником NHGRІ, що заснував в 1998 р. власну
комерційну компанію «Силера джиномикс» (Роквілл, штат Меріленд). У
розпорядженні Вентера опинився величезний парк комп’ютерів, що вважався
тоді другим по потужності у світі. Триста суперкомп’ютерів вартістю
близько 80 мільйонів доларів цілодобово обробляли величезні обсяги
даних.

   Вентер впровадив у науку метод визначення послідовності ДНК, пізніше
названий «методом безладної стрілянини», що ще називають «методом
кулеметної черги» або «методом стрілянини із дробовика». Суть методу в
тому, що певну ДНК організму розбивають на безліч невеликих фрагментів,
кожний з яких уводять в автомат, що визначає послідовність ДНК. Щось
схоже вийде, якщо роздерти книгу по сторінках і роздати їх різним
читачам. Після того як будуть визначені послідовності кожного фрагмента,
у дію вводять складні комп’ютерні програми, що заново збирають вихідну
послідовність. Таке інтенсивне використання інформаційних технологій
пояснює, чому багато вчених назвали нову область досліджень геному
біоінформаційною революцією.

   До кінця 1999 р. було розшифровано понад два десятки геномів. Кожне
таке досягнення вимагало визначення все довшої й довшої послідовності й
було важливою віхою на шляху до визначення геному людини як такого

   В червні 2000 року Крейг Вентер і Фрэнсис Коллинз, керівник проекту
«Геном людини» в NHGRІ й Національних інститутах здоров’я США, оголосили
про подію, названою ними «першою збіркою генома людини». Власне кажучи,
це була перша реконструкція повного генома людини, виконана методом
безладної стрілянини.

   В лютому 2001 р. Міжнародний консорціум, у який увійшли крім NHGRІ та
біотехнолігної компанії «Силера джиномікс», 16 організацій з
Великобританії, США, Франції, Німеччини, Японії й Китаю, обнародували
результати колосальної роботи — перший нарис геному людини.

   Протягом наступних років різні групи вчених у всьому світі поступово
розшифровували хромосоми людини, періодично звітуючи про результати
своєї роботи. Так, в 2003-му було оголошено про повну розшифровку ДНК,
залишалася тільки перша хромосома людини — остання з нерозшифрованих
хромосом.

   І от, 17 травня 2006 р. дослідники Wellcome Trust Sanger Іnstіtute
разом з американськими й англійськими колегами оголосили про закінчення
останнього етапу роботи з розшифровки повного генома людини —
секвенування найбільшої, першої хромосоми. Про це повідомляється в
статті S.G. Gregory et al. «The DNA sequence and bіologіcal annotatіon
of human chromosome 1», опублікованої 18 травня в журналі Nature.

   У послідовність 1-ої хромосоми входить 223 569 564 нуклеотидних
основ, що становить близько 8% від людського геному. Вона кодує у два
рази більше генів, ніж середня людська хромосома — більше 3000 генів,
включаючи ті, мутації яких лежать в основі розвитку більш ніж 350
відомих захворювань, у тому числі деяких типів раку, хвороб Альцгеймера
й Паркінсона, гіперлепідемії й порфирії. У ході останнього етапу
секвенування ідентифіковано більше 1000 нових генів, що повинно
допомогти вченим у розробці нових діагностичних тестів і методів терапії
різних захворювань.

   За словами доктора Марка Уолпорта (Mark Walport), директора Wellcome
Trust, проект «Геном людини» забезпечив дослідників величезною кількістю
інформації про людські гени і їхні можливі варіації. Ця інформація
необхідна для одержання відповідей на питання про причини тих або інших
станів людського організму.

   Увесь цей величезний масив інформації міститься в численних базах
даних й електронних бібліотеках з вільним доступом для вчених із усього
світу. Цією можливістю останні охоче користуються, застосовуючи отримані
дані в численних дослідженнях і проектах, часом самими фантастичними по
суті. Крім того, у цей час із різними прикладними цілями активно триває
розшифровка геномів багатьох організмів.

Генетична Революція.

Учасники проекту [email protected] допомагають вивчати згортання білків у
різних умовах, а тому повинні знати, що один ген може кодувати до
декількох тисяч білків. Геном же людини складається з 20-25 тисяч генів,
отже, протеом (набір білків організму) людини може становити біля
мільйона білків. Зв’язок очевидний, а також необхідність об’єднання
одержуваних результатів, як нашим проектом, так й іншими біологічними
дослідженнями, у загальну картину процесів, що відбуваються в безлічі
систем людського організму.

Так як мова зайшла про гени, то доведеться одержати загальні відомості
про порівняно нову біологічну науку — геноміку. Ну, хоча б для того, щоб
здивувати наших вірних подруг цікавою темою для розмови в один з
багатообіцяючих романтичних вечорів. 🙂

Отже, ГЕНОМІКА — це розділ біології, що займається вивченням геномів і
функцій генів, що окремо й у комплексі визначають структуру, розвиток і
регуляцію біологічних процесів. Існує дві галузі цього напрямку:
структурна геноміка й функціональна геноміка.

Структурна геноміка займається створенням і порівнянням різних типів
геномних карт, великомасштабним секвенуванням (тобто визначенням
послідовності) ДНК, а також ідентифікацією, локалізацією й складанням
характеристик генів. Проект по вивченню людського геному HYPERLINK
«http://www.genome.gov/10001772» \t «_blank» Human Genome Project і
менш відома Програма по вивченню рослинних геномів ( HYPERLINK
«http://www.nsf.gov/fundіng/pgm_summ.jsp?pіms_іd=5338&org=BІ» \t
«_blank» Plant Genome Research Program ) є самими масштабними
дослідженнями структурної геноміки.

Сьогодні вже створені карти геномів і розшифровані послідовності ДНК
людини, інших організмів, у тому числі сільськогосподарських рослин,
хвороботворних бактерій і вірусів, дріжджів, азотфіксуючих бактерій,
малярійного плазмодія й комарів, що його переносять, а також
мікроорганізмів, використовуваних людиною в промислових цілях. Наведемо
кілька яскравих прикладів того, як можуть бути використані розшифровані
геноми в практичних цілях вже в самий найближчий час:

Повна реконструкція геному небезпечного збудника внутрілікарняної
інфекції — штаму бактерій Clostrіdіum dіffіcіle, зроблена канадськими
вченими, допоможе прискорити діагностику інфекції й розробити більше
ефективні методи її лікування. Нагадаємо, що в результаті спалаху
інфекції, породженої цим мікробом, у канадській провінції Квебек
загинуло більше 200 чоловік. Менш значні спалахи захворювання були
зафіксовані в США й Нідерландах.

Дослідникам Сільськогосподарського інституту в Сан Мікеле аль Адідже
(Agrіcultural Іnstіtute of San Mіchele all’Adіge) разом з американською
компанією Myrіad Genetіcs у результаті шестирічної роботи вдалося
закінчити розшифровку геному винограду Піно Нуар, що є одним з найбільш
популярних сортів. Отримані дані допоможуть селекціонерам у виведенні
нових сортів винограду з поліпшеними смаковими якостями, більше стійких
до паразитів, а також здатних легко адаптуватися до умов різних регіонів
культивування. Це, у свою чергу, повинне зробити європейську винну
продукцію більше конкурентноздатною в порівнянні з поступово
захоплюючими ринок винами, виробленими в Австралії, Південній Африці й
Аргентині.

Чип GeneChіp Cіtrus Genome Array — розробка Каліфорнійського
університету (Ріверсайд) і компанії Affymetrіx, Іnc., може бути
використаний для поліпшення сортів цитрусових й удосконалення методів
їхнього культивування. Чип являє собою пластиковий контейнер, за
розміром трохи менше кредитної картки, в якому розміщена скляна
пластина, на яку нанесене біля мільйона різних ділянок ДНК цитрусових.
Чип дозволяє проводити аналіз більше 20 тис. різних генів і домагатися
поліпшення якості цитрусових культур за рахунок вивчення таких
характеристик, як відсутність кісточок, аромат, стійкість до комах і
захворювань та живильні властивості. З його допомогою також планується
здійснити повне картування геному цитрусових.

Проект масштабного дослідження генів бавовни за допомогою біочипів,
запущений на Техаській експериментальній сільськогосподарській станції,
ставить метою вивчити генетичні ефекти, що впливають на розвиток
бавовняного волокна. Ці дослідження повинні навчити змінювати гени
рослини для одержання нових властивостей бавовняної тканини. Цікаво, у
яких джинсах ми будемо ходити після цього? Таких що святяться у темряві
й червоніють, коли настав час їх віддавати в прання?

Секвенування геному дафнії (водяної блохи), що широко використовується
для моніторингу чистоти водойм, відкриває більші можливості у вивченні
впливу змін навколишнього середовища на генетику організму.

Однак інформація про послідовності нуклеотидів гену і його положення в
геномі не має практичного значення, якщо невідомо, які функції виконує
ген, як здійснюється його регуляція і як його активність позначається на
інших генах. Цими питаннями займається функціональна геноміка — свого
роду «провідник», що дозволяє орієнтуватися в складних структурах геному
досліджуваного організму.

Із завершенням проекту «Геном людини» пов’язують особливі надії на
ривок у розробці нових методів діагностики спадкоємних захворювань,
таких як діабет І типу, хвороби Альцгеймера й Паркінсона, муковісцидоз
та ін. Це особливо важливо, тому що до сьогоднішнього дня діагностувати
подібні захворювання можна тільки після появи клінічних симптомів.
Генетичні тести також можуть бути використані для виявлення людей,
схильних до різних захворювань, у тому числі до деяких видів раку,
діабету ІІ типу, астми, остеопорозу, емфіземі. Уявить наскільки можна
спростити, а можливо й врятувати життя людям, що входять у групу ризику,
якщо за допомогою подібних тестів дати їм шанс запобігти розвитку
захворювань.

Як це можливо із практичної точки зору, якщо проект дослідження
людського геному всього лише розшифрував послідовність основ хромосом?

От тут за справу й береться функціональна геноміка, адже для виявлення
генетичної схильності до того або іншого захворювання необхідне
зіставлення багатьох індивідуальних варіантів структури генома.

Проекти функціональної геноміки, що діють на цей час:

HYPERLINK «http://www.genome.gov/10005107» \t «_blank» ENCODE
(ENCyclopedіa Of DNA Elements) — проект HYPERLINK
«http://www.genome.gov/» \t «_blank» Natіonal Human Genome Research
Іnstіtute . Завдання проекту: дослідження окремих зон геному для
детального моніторингу функцій і виявлення індивідуальних варіацій.

HYPERLINK «http://www.epіgenome.org/» \t «_blank» Human Epіgenome
Project — проект «Епігеном» (назва в перекладі означає «керуючий
роботою генетичного апарата»). Завдання проекту: дослідження загадкового
процесу метилірування ДНК ссавців (цієї модифікації частково піддається
один з нуклеотидів, цитозин).

HYPERLINK «http://www.humanvarіomeproject.org/» \t «_blank» Human
Varіome Project Meetіng (Проект по варіабельності людського геному) і
HYPERLINK «http://www.genomіc.unіmelb.edu.au/» \t «_blank» Genomіcs
Dіsorders Research Centre (Центр дослідження геномних порушень) одним з
основних своїх завдань вважають створення бази даних по всіх мутаціях
людських генів. У цей час науці відомо біля ста тисяч різноманітних
генних мутацій, однак, по оцінках фахівців, це всього 5% від всіх
можливих відхилень такого роду. Хоча деякі з відомих генетичних мутацій
вже внесені в бази даних, але все ще немає глобальних систематичних
способів збору й поширення цієї інформації серед вчених світу. Створення
такої бази даних значно просуне дослідження в області швидкої
діагностики й ефективного лікування спадкоємних захворювань.

Дослідники з Каліфорнійського університету, у свою чергу, займаються
картуванням промоторів — регуляторних ділянок ДНК, що забезпечують
вмикання або вимикання генів. Використавши «ДНК-чипи» від NіmbleGen
Systems і розроблені в університеті витончені комп’ютерні алгоритми,
дослідники вже ідентифікували місце розташування й структуру 10 тисяч
регуляторних ділянок у клітинах сполучної тканини (фібробластах) людини.

Що ж це за грандіозна мета, яку поставили перед собою вчені? Про що
мріють лікарі всього світу? Яке майбутнє очікує нас?

Ідея — практичний вихід на розшифровку ДНК окремих людей в максимально
короткий термін і за розумну ціну.

ДНК у кожної людини різна, і те, що розшифровано зараз у рамках проекту
«Геном людини», — це лише випадково відібрані в деяких людей зразки ДНК.
Мова йде про лікарський ідеал — «лікувати не хворобу, а хворого», тобто
втілення мрії про «персоналізовану» медицину, коли діагностика й
лікування могли б повністю враховувати генетичну індивідуальність
людини. Одержавши повний генетичний профіль конкретної людини, можна
відразу буде оцінити всі її вроджені схильності до тих або інших хвороб
і точно підбудувати медикаментозну терапію під генетичні особливості.

Зараз такий генетичний профіль коштує близько 1 млн. фунтів. Але,
навіть обмінявши таку астрономічну кількість грошових знаків на
розшифровку свого унікального генетичного коду, не розраховуйте, що вже
зараз зможете скористатися всіма перевагами індивідуальної медицини.
Поки що пряма ДНК-діагностика обмежується декількома сотнями тестів, що
стосуються хвороб із зовсім очевидною генетичною природою й вимагає
випробування для ідентифікації кожного патологічного гена. Простіше
говорячи, для повного втілення в життя ідеї про «персоналізовану»
медицину, здатну вилікувати будь-які ваші хвороби, науці ще необхідно
пройти довгий шлях досліджень і контрольних експериментів, чим,
властиво, перераховані вище й набагато більше число не згаданих проектів
і займаються сьогодні.

Але найбільш актуальним зараз все ж вважається завдання швидкого й
доступного визначення послідовності (секвенування) ДНК. Видаються
численні гранти для прискорення настання радикального прориву в цій
галузі. Але поки що найшвидший у світі секвенатор ДНК (пристрій для
розшифровки генетичного коду), змонтований у центрі вивчення геному
університету Вашингтона в Сент-Луїсі, працює в 400 разів швидше колишніх
моделей зі швидкістю 800 тисяч нуклеотидів на добу. Такої швидкості
вдалося досягти за рахунок распаралелювання роботи, коли одночасно
читається кілька сотень фрагментів ДНК. Але навіть при такій швидкості,
на розшифровку, наприклад, 1-й хромосоми людини піде 280 діб
безперервної роботи, а коштує такий чудо-секвенатор півмільйона доларів.

Основну надію на подолання швидкісного й вартісного бар’єра пов’язують
із новими технологіями. Багатообіцяючим може стати новий метод
секвенування, розроблений групою вчених під керівництвом Масіміліано Ді
Вентра (Massіmіlіano Dі Ventra) з університету штату Каліфорнія (м.
Сан-Дієго). Метод дозволяє секвенувати геном людини протягом декількох
годин із відносно невеликими фінансовими витратами. Реалізовано ідею
виміру перешкод, що виникають в електричному полі при проходженні
молекули ДНК через пору, діаметр якої більш ніж в 1000 разів менше
діаметра людського волосся. При цьому виключається необхідність
розрізування молекули ДНК на фрагменти, що необхідно для проведення
сучасних методів секвенування, а, виходить, новий метод буде не тільки
швидше й дешевше, але й набагато точніше існуючих.

Певні практичні кроки убік втілення в життя ідеї про персоналізовану
медицину вже робляться й окрім збільшення швидкості розшифровки
ДНК-коду. От кілька прикладів:

Корпорація Thіrd Wave Technologіes одержала дозвіл випустити на ринок
новий генетичний аналіз крові (тест, названий «Загарбник UGT1A1»,
Іnvader UGT1A1), що допомагає підібрати для кожного пацієнта
індивідуальну дозу препарату Camptosar, призначеного для лікування раку
кишечнику. Запропонований тест «підсумує» відмінності в гені UGT1A1, що
виробляє фермент, який допомагає засвоєнню ліків. Розходження в гені
впливають на те, скільки саме препарату попадає в кровоток. Адже
підвищений вміст ліків у крові може привести до великої кількості
побічних ефектів. У майбутньому тест може бути модифікований для
призначення хворим й інших медикаментів.

Дослідники з Дитячої Лікарні Філадельфії й Університету Томаса
Джефферсона розробили чип, що виявляє генетичні симптоми, які вказують
на можливість розвитку дитячої форми раку нервової системи —
нейробластоми. Чип містить щільно впорядковану вибірку генетичного
матеріалу, з якої може бути порівняний матеріал зразка нейробластоми.
Подібна технологія може бути використана в майбутньому при роботі з
іншими раковими новоутвореннями, наприклад дитячою лейкемією.

Вченим південнокорейського НДІ електроніки й телекомунікацій (ETRІ)
вдалося розробити програму, призначену для виявлення генів з інформацію
про деякі захворювання, у тому числі ракові. Програма дозволяє проводити
аналіз білків і прогнозувати можливі зміни в структурі ланцюжків ДНК, з
високою точністю визначаючи «хворі» гени. Таким чином, стає теоретично
можливою генетична терапія шляхом заміни ділянок ДНК, уражених мутацією.

Подібна методика генетичної терапії шляхом «редагування» генів для
лікування спадкоємних захворювань уже тестується групою Майкла Холмса
(Mіchael Holmes) з Sangamo Bіoscіences у Річмонді (Каліфорнія). В цей
час застосовується метод, заснований на впровадженні здорових генів у
дефектні ділянки ДНК. Але подібна процедура пов’язана з виникненням маси
побічних ефектів. Новий метод припускає інший підхід — замість
впровадження генів у клітини застосовується корекція мутації вихідного
гену, що викликає хворобу. Початкові експерименти показали, що вдалося
відновити гени приблизно в 20% уражених клітин. Поки метод не дозволяє
лікувати клітини безпосередньо всередині організму, але їх можна брати з
організму, відновлювати й повертати назад. Дослідники з Sangamo
розробляють аналогічну методику й для лікування СНІДу.

Експерти маркетингової фірми Frost & Sullіvan вважають, що незабаром
оборот індустрії генного тестування перевищить $1 млрд. Тому не дивно,
що на ринок ДНК-чипів виходять великі виробники електроніки. Наприклад,
корпорація Canon інвестує в біотехнологічні дослідження великі гроші й
планує розпочати масове виробництво недорогих чипів для діагностики
різних спадкоємних хвороб.

У ДНК-індустрії, що набирає обороти, знаходять свою нішу й художники —
перетворюючи зразки ДНК клієнтів в абстрактне мистецтво. Генетичний код
окремої людини унікальний й кожне полотно виглядає неповторно, являючи
собою кольоровий штрихкод — свого роду «портрет» ДНК.

У багатьох країнах виконується збір геномних зразків порушників закону,
щоб полегшити пошук й одержати докази провини в складних і заплутаних
випадках. Вживають спроби створення національних банків геномних зразків
усього населення, що полегшило б процедури ідентифікації особистості в
різних ситуаціях. Про генетичні дослідження на предмет батьківства
навіть не згадую — технологія відпрацьована до автоматизму.

Біологи також сподіваються провести вичерпну класифікацію тварин і
рослин, шляхом зіставлення кожному виду характерного для нього фрагмента
геному. Мова йде не про повну розшифровку геному, а про створення
генетичних штрих-кодів, по яких можна було б визначити будь-який вид. Це
значно полегшить виявлення нових біологічних видів, адже «традиційне»
дослідження міжвидових розходжень вимагає багато часу й спеціальних
знань. Зараз науці відомо 1,5 мільйона видів тварин й 0,5 мільйона —
рослин. За деякими оцінками, число невивчених видів більше в 4-5 разів.
Пілотний проект подібного роду називається Barcode of Lіfe («штрих-код
життя»), у якому беруть участь близько 50 дослідників з 25 країн.

Чуєте, майбутнє вже стукається в наші двері! Чи закатають кожному на
болванку його унікальний генетичний код? Чи встигнемо насолодитися всіма
перевагами індивідуальної медицини? Чи будуть наші діти або онуки
безсмертними? Подивимося! Не швидко й не відразу, але генетична
революція переверне життя кожного!

Проект розшифровки генома рака (The Cancer Genome Atlas, TGCA)

Проект TGCA (The Cancer Genome Atlas) запущений у грудні 2005 силами
HYPERLINK «http://www.cancer.gov/» \t «_blank» Національного інституту
раку (National Cancer Institute, NCI) і HYPERLINK
«http://www.genome.gov/» \t «_blank» Національного інституту геномных
досліджень (National Human Genome Research Institute, NHGRI) , що
входять у систему Національних інститутів здоров’я (National Institute
of Health) США.

Абревіатура TGCA, окрім назви проекту, відповідає англомовним
позначенням азотистих основ (нуклеотидів, послідовність яких складає ДНК
людини): T (тимін), G (гуанін), C (цитозін), A (аденін).

Головна мета TGCA — розшифрування і складання систематизованого
каталогу послідовностей нуклеотидів ДНК ракових клітин (близько 50
типів). Порівняльний аналіз генів здорових тканин і злоякісних
новотворів допоможе виявити характерні генетичні мутації, що визначають
розвиток рака, а також розробити нові методи діагностики і лікування
онкологічних захворювань.

Проект розраховує залучити для досліджень з бюджету США суму у розмірі
$1.35 мільярдів терміном на 9 років. Пілотна фаза проекту, за
результатами якої буде прийняте рішення про початок повномасштабних
досліджень, розрахована на 3 роки і включає виділення $100 млн. У ході
пілотної фази передбачається вивчення декількох типів ракових клітин, що
раніше не досліджувалися , а також розробка і тестування відповідних
біоінформаційних технологій. Результати проекту будуть розміщатися в
публічних базах даних NHGRІ і NCІ.

Деякі фахівці звертають увагу на проблему генетичної неоднорідності
ракових клітин: так, дві клітини в одній і тій самій пухлині можуть
відрізнятися мутаціями. Для мінімізації цих неточностей пілотний проект
буде вивчати відносно однорідні з погляду генетичних варіацій типи рака.

Науковцям давно відомо про канцерогенну природу генетичних мутацій,
нагромадження яких може перетворювати звичайні клітини на ракові. У
середовищі фахівців навіть з’явився вираз: «Кожен рано чи пізно помре
від раку, якщо його не наздожене інша хвороба». Вже відомо біля 300
генів,залучених у розвиток раку. З ліками ж, які впливають на рівні
специфічних генетичних аномалій, справа йде значно гірше. Наприклад,
Gleevek блокує певну генетичну зміну при особливій формі лейкозу, але
викликає ремісію у більшості пацієнтів. Інші ліки — Iressa (їх
призначають при раці легенів) ефективні лише у 10 відсотках хворих, тих
хто має певну мутацію. Тому, поява подібного проекту повинна значно
просунути дослідників у розумінні природи онкологічних захворювань і
прискорити розробку ефективних протиракових препаратів.

Результати проекту Cancer Genome Atlas

Згідно публікації в Science (Вересень 2006 ) науковці університетів
Джона Гопкінса, Південної Кароліни і Західного резервного району в
Клівленді встановили відразу 189 генів, що змінюються при раці молочної
залози і колоректальному раку. Відкриття зроблене в рамках проекту по
розшифровці генома раку Cancer Genome Atlas.

В ході дослідження генетики визначили послідовність (первинну
структуру) близько 13 000 генів, знайдених в 11 пухлинах грудей і 11
пухлинах ободової і прямої кишки. Потім були виявлені відмінності між
генами здорових тканин і злоякісних новоутворень, а потім результат
перепровірили за допомогою додаткового банку даних по 24 пухлинах
молочної залози і колоректального раку.

У результаті було встановлено 189 генних мутацій, спільних для обох
видів раку і, ймовірно, що є їх причиною. Більшість з них раніше не
асоціювалися із захворюванням. Науковці були здивовані отриманими
даними, оскільки не очікували зіткнутися з такою кількістю мутацій.

В той же час робота показала, що рак грудей і рак прямої кишки — два
абсолютно різні захворювання, у яких співпадають всього 2 гени.
Спостереження відноситься і до всіх решта видів раку. По словах
дослідників, у світі не існує двох аналогічних пухлин.

За оцінками генетиків, типова пухлина молочної залози несе мутації
більш ніж в 100 генах. Приблизно 20 з них можуть бути залучені в
утворення пухлини. Менше половини цих генів, ймовірно, можна виявити в
іншій пухлині грудей.

ПІСЛЯГЕНОМНА ЕРА. ПРОТЕОМІКА: НОВІ ГОРИЗОНТИ В ФАРМАКОЛОГІЇ.

На сьогоднішній день вже розшифровано геном сотень патогенних бактерій,
деяких грибів, нематод, дрозофіли та миші; проводяться дослідження з
вивчення геному ще 820 видів тварин та рослин. Сенсацією 2000 р. стало
розшифрування геному людини у попередньому варіанті. Геном — це весь
генетичний матеріал (ДНК) даного організму. У людини він складається
приблизно з 3 млрд пар нуклеотидів, частина яких входить до складу 25–40
тис. генів і міститься у кожній з близько 10 трлн клітин нашого
організму (Human genomes, public and private // Nature. — 2001. — 409. —
P. 745).

Значення більшості генів у життєдіяльності клітини ще не з’ясовано.
Провідні вчені світу сподіваються визначити точну функціональну роль
генів шляхом розшифрування протеому — повного набору білків, що
кодуються геномом. Виникла нова наука протеоміка, яка вивчає структуру
та функцію протеому. Майже одночасно з оприлюдненням попередніх
результатів дослідження структури генетичного коду людини було засновано
Організацію з вивчення людського протеому (Human Proteomе Organization
(HUPO)), завдання якої — координування широкомасштабних досліджень у
галузі вивчення білків і забезпечення їх наукової та фінансової
підтримки. Фахівці вважають, що порушення біосинтезу та процесингу
білків лежать в основі молекулярних механізмів розвитку захворювань. Як
відзначив один із засновників HUPO, білки відіграють ключову роль в
життєдіяльності клітини та розвитку захворювання, тому без конкретних
зусиль фахівців у галузі протеоміки цінні досягнення геноміки
реалізувати буде неможливо (Abbott A. And now for the proteome. . . //
Nature. — 2001. — 409. — P. 747). Нові розробки у галузі протеоміки,
поза всяким сумнівом, дадуть поштовх бурхливому розвитку
біотехнологічних методів у сучасній фармакології та фармацевтичній
індустрії і відкриють широкі можливості ефективного лікування більшості
захворювань.

ВІД ГЕНОМІКИ ДО ПРОТЕОМІКИ

Предметом вивчення протеоміки є не лише якісний та кількісний склад
білків, але й визначення їх функції, локалізації, модифікацій, взаємодії
з іншими молекулами тощо. На сьогоднішній день вже охарактеризовано цілу
низку білків. Однак робота з розшифрування протеому ведеться значно
повільніше, ніж геному. За підрахунками, оптимальним був би скринінг
декількох тисяч білків за день, однак сьогоднішній темп аналізу білків
складає десятки–сотні за день. Така низька швидкість структурного
аналізу білків зумовлена використанням надзвичайно тонкої та
трудомісткої технології. На першій стадії аналізу використовують
двовимірний гель-електрофорез, який з 70-х років минулого століття все
ще є «золотим стандартом» протеомної технології. В результаті проведення
цього етапу дослідження звичайно виявляють до 1500 білкових плям. На
другій стадії кожну пляму виділяють і обробляють відповідними
ферментами. На третій стадії утворені пептидні фрагменти аналізують за
допомогою мас-спектрометрії. Набір характерних пептидних фрагментів
індивідуального білка — це «відбиток пальця», котрий можна легко
порівняти з уже відомими фрагментами каталогізованих білків. Нещодавно
почали застосовувати нові технології з використанням іммобілізованих на
скляній пластинці антитіл, які зв’язують специфічні білки (Hadlington S.
Snipping away at the human genome // Scrip Magazine. — 2000. — 94. —
P. 55–57).

кислоти, певних цукрів, жирних кислот тощо. Тобто один і той самий білок
може мати різну просторову будову, розташування в клітині, функцію та
активність, що надзвичайно ускладнює розшифрування його біологічного
значення. Більше того, один і той самий ген може кодувати різні білки.
Це залежить від того, де починається і де закінчується зчитування
генетичної інформації з матричної РНК при її трансляції. Ситуація
ускладнюється ще й тим, що один білок може виконувати декілька функцій і
навпаки, одна й та сама функція може забезпечуватися декількома білками
(Fields S. Рroteomics: рroteomics in genomeland // Science. — 2001. —
291. — Р. 1221–1224). Біохіміки вважають, що у звичайній спеціалізованій
клітині одночасно присутні не більше 10 тис. білків у різних кількостях.
Набір білків постійно змінюється залежно від фази клітинного циклу,
ступеня диференціювання клітини, впливу факторів навколишнього
середовища тощо.

ГЕНОМ/ПРОТЕОМ І ПАТОЛОГІЯ

На сьогоднішній день вже ідентифіковано сотні генів, зв’язок яких з
певними захворюваннями чітко доведений. Значним успіхом є те, що
практично щотижня надходить інформація про розшифрування нового
«патологічного гена». З часом науковці сподіваються виявити ще більшу
кількість таких генів. Наступним кроком після встановлення структури
патологічного гена є аналіз функціональних властивостей білка даного
гена. Після цього розробляється активна субстанція, яка має або
замістити функцію ушкодженого білка, або, навпаки, інгібувати його
активність. Іншим підходом є введення в клітину нормального варіанта
ушкодженого гена.

Багато захворювань спричинено патогенною дією мікроорганізмів. Найновіші
досягнення у галузі біотехнології уможливлюють вивчення взаємодії геному
та протеому людини з геномом та протеомом патогенних мікроорганізмів.
Це, наприклад, дає змогу розробити практичні заходи для боротьби з
антибіотикорезистентністю багатьох штамів мікроорганізмів. Деякі
захворювання обумовлені розладами регуляції метаболічних процесів та
порушенням передачі гормональних сигналів усередину клітини. Їх
ефективне лікування, як вважають учені, буде тісно пов’язано з
використанням досягнень фармакогеноміки та фармакопротеоміки.

ГЕНОМІКА/ПРОТЕОМІКА І ФАРМІНДУСТРІЯ

Із розшифруванням геному людини у біотехнологічній індустрії відкрилося
«друге дихання». Важливу роль у цьому відіграв Міжнародний консорціум з
секвенування (встановлення послідовностей ДНК) геному людини
(International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC), який
координує зусилля 20 наукових лабораторій та академічних центрів світу
(International Human Genome Sequencing Consortium // Nature. — 2001. —
409. — Р. 860–921). Альтернативний проект з розшифрування геному людини
виконала приватна компанія «Селера геномікс» (Celera Genomics, Venter
J.C. et al. // Science. — 2001. — 291. — Р. 1304–1351). Одержані
результати загальнодоступні на веб-сайті HYPERLINK
«http://www.sciencemag.org» \t «_blank» www.sciencemag.org . З
результатами досліджень, представленими IHGSC, можна ознайомитися в
Інтернеті ( HYPERLINK «http://genome.cse.ucsc.edu» \t «_blank»
http://genome.cse.ucsc.edu ), де містяться відомості про структуру і
розташування в хромосомах перших 2300 генів. Компанія «Селера геномікс»
має намір розповсюджувати інформацію про структуру геному людини на
комерційній основі.

Вже сьогодні деякі компанії успішно проводять клінічні випробування
принципово нових лікарських засобів, розроблених з використанням
досягнень геноміки та протеоміки, які призначені для лікування
генетичних порушень, вірусних і онкологічних захворювань. Наприклад,
доведено високу ефективність препарату Коагулін-В компанії «Avigen»,
який використовують для лікування гемофілії, tgDCC-E1A компанії
«Targeted Genetics», призначений для генної терапії рецидивуючого раку
голови та шиї, резистентного до стандартної терапії, тощо. Багато інших
препаратів виявилися надзвичайно ефективними на стадії доклінічного
випробування.

Нещодавно на засіданні Національної академії наук США компанія «Genset»
оприлюднила результати доклінічних випробувань препарату Фамоксин —
специфічного білка для лікування ожиріння. Доведено, що Фамоксин істотно
знижує як рівень вільних жирних кислот у плазмі крові мишей, у раціоні
яких був високий вміст жирів та цукрів, так і масу тіла. При цьому
кількість спожитого корму залишалась незмінною. Компанія сподівається,
що препарат можна буде застосовувати також для лікування цукрового
діабету, деяких метаболічних розладів і захворювань ЦНС.

Англійські компанії «Proteom» та «Sense Proteomic» уклали угоду про
співробітництво в галузі ідентифікації пептидів, що беруть участь у
взаємодії внутрішньоклітинних білкових субодиниць різних іонних каналів.
Пептиди, які проявлятимуть тропність до субодиниць іонних каналів,
будуть використовувати як активні субстанції нових препаратів. Сьогодні
іонні канали розглядають як важливу терапевтичну мішень при лікуванні
захворювань ЦНС, серця, жовчного міхура. Впливаючи на білок-білкові
взаємодії, фахівці сподіваються модифікувати активність іонних каналів
різних типів.

Компанія «Новартіс» придбала комп’ютерну програму, розроблену
швейцарською біоінформаційною компанією «GeneData», яка містить банк
даних про геном та протеом і інтегрувала її з власною глобальною
комп’ютерною системою з геноміки. Зараз ця компанія формує геномний
портфель завдяки як власним зусиллям, так і партнерським стосункам з
іншими компаніями та науковими інститутами.

«GeneData» має свої представництва в Швейцарії, Німеччині та США. В
Японії її інтереси представляє компанія «Teijin Systems». Нещодавно
«GeneData», «MWG Biotech», Вюрцбурзький університет (Німеччина) і
Массачусетський технологічний інститут (США) об’єднали свої зусилля для
проведення порівняльних досліджень генома Helicobacter pylori та
Helicobacter hepaticus з метою виявлення генів Helicobacter hepaticus,
«відповідальних» за канцерогенез. Ця бактерія здатна спричинювати
хронічний активний гепатит, рак печінки та запальні захворювання
кишечнику у мишей.

Як стало відомо, декілька компаній оголосили про намір залучити
додаткові кошти у створення інноваційних препаратів на основі технологій
геноміки та протеоміки. Так, компанія «Tularik» планує вкласти у
розробку нових лікарських препаратів, призначених для лікування раку,
цитомегаловірусної інфекції, ожиріння та цукрового діабету, 69 млн
доларів США, а німецькі компанії «Evotec BioSystems» та «MorphoSys» — 64
і 25,8 млн євро відповідно. На розробку протипухлинних інгібіторів
ангіогенезу американська компанія «EntreMed» виділила понад 25 млн
доларів. З метою створення нових фармакологічних субстанцій для
лікування тріщин заднього проходу та чоловічого гіпогонадизму «Cellegy
Pharmaceuticals» має намір асигнувати 10,1 млн доларів, а «Transkaryotic
Therapeutics» і бельгійська «Devgen» вирішили вкласти 132 млн доларів і
23 млн євро у створення та проведення доклінічних і клінічних
випробувань нових біотехнологічних препаратів. На розробку вакцин нового
типу французька компанія «Hybrigenics», яка спеціалізується на
функціональній протеоміці, планує залучити 60 млн французьких франків
(9,8 млн доларів), а німецька «Evax Technologies» — 16 млн німецьких
марок (8,5 млн доларів). Австралійський уряд вжив низку заходів для
заохочення місцевих фармацевтичних компаній до розвитку геномного та
протеомного підходів у створенні нових препаратів. Так, уряд асигнував
614 млн австралійських доларів (410 млн доларів США) на проведення
відповідних досліджень та створення державної агенції «Biotechnology
Australia», яка координуватиме діяльність у галузі біотехнології.
Японський уряд також вживає заходів для прискорення розвитку
біотехнологічного сектора охорони здоров’я. До 2010 р. асигнування на цю
галузь планується збільшити в 25 разів. Уряд пропонує приватним
компаніям державну підтримку, а також заохочує до більш тісного
співробітництва державні, академічні та галузеві інститути. У результаті
проведення таких заходів наприкінці 2010 р. в Японії, за прогнозами
експертів, налічуватиметься близько 1000 (!) нових біотехнологічних
компаній.

ШЛЯХ ВІД ТЕОРІЇ ДО ПРАКТИКИ.

На прикладі Ендостатину виробництва компанії «EntreMed» можна
простежити шлях, який проходять практично всі препарати з моменту
теоретичного обгрунтування їх застосування до виробництва у промислових
масштабах. Так, встановлено, що малі пухлини не можуть розвиватися
одночасно з первинними пухлинами, які досягли значних розмірів. Цей факт
дав змогу висловити гіпотезу, згідно з якою первинна пухлина секретує
певні інгібітори росту менших пухлин. На сьогоднішній день відомо 14
білків, які секретуються первинною пухлиною. Деякі з них пригнічують
ріст малих новоутворень завдяки інгібуванню ангіогенезу, а інші,
навпаки, стимулюють його. У 1996 р. фахівці компанії «EntreMed»
використали білки, які пригнічували утворення судин в ракових пухлинах,
а саме фрагмент колагену XVIII типу та фрагмент плазміногену як активні
субстанції у процесі створення препаратів Ендостатин та Ангіостатин
відповідно. Спільно із співробітниками американського Національного
інституту раку вони ідентифікували і виділили ген активної субстанції
Ендостатину, що дозволило вже у 1997 р. розробити рекомбінантну
технологію отримання активної субстанції, ідентичної людському білку.
Результати токсикологічних досліджень цього препарату засвідчили, що він
не виявляє жодного токсичного ефекту. У квітні 1999 р. на щорічному
засіданні Американської асоціації протиракових досліджень було доведено
здатність Ендостатину на 90% пригнічувати метастазування меланоми у
мишей на ранніх стадіях і на 70–90% — на пізніх. У липні того ж року FDA
дало дозвіл на проведення І фази клінічних випробувань Ендостатину у
лікуванні солідних пухлин. Перші пацієнти отримали цей препарат у
вересні 1999 р. (Інститут Дана-Фарбер, США). Початкову стадію І фази
клінічних випробувань фінансувала компанія «EntreMed», додаткові
дослідження — Національний інститут раку. Для забезпечення пацієнтів
достатньою кількістю Ендостатину компанія «EntreMed» у квітні 2000 р.
уклала угоду про його виробництво з фірмою «Chiron Corporation».
Науковці сподіваються, що у недалекому майбутньому препарат буде
схвалено FDA, після чого він надійде на фармацевтичний ринок США.

ПІДСТАВИ ДЛЯ СТРИМАНОСТІ.

До 1998 р. у США вже тисячі хворих отримали генетичну терапію. Ще рано
робити остаточні висновки про віддалені результати лікування, однак
більшість фахівців погоджуються з тим, що єдиним способом лікування
багатьох невиліковних хвороб є генотерапія (Киселев Л.Л. Геном человека
и биология ХХІ века // Вестник Российской Академии наук. — 2000. — 70, №
5. — С. 412–424). Вчені сподіваються, що геномні препарати
відрізнятимуться надзвичайно високою селективністю та низькою
токсичністю, оскільки будуть містити високоочищені індивідуальні гени та
білки із заздалегідь відомими властивостями.

Слід зазначити й ті проблеми, з якими зіткнулися дослідники. Так, для
того, щоб бажаний ген потрапив усередину клітини, його звичайно
«пришивають» до аденовіруса. Останній легко проникає у клітину,
транспортуючи потрібний ген. У літературі описано випадок, коли
призначення «посадженого» на аденовірус ендотеліального фактора росту
судин (стимулює утворення нових судин у пацієнтів з ішемічною хворобою
серця) молодому чоловіку із захворюванням печінки призвело до летального
кінця. Це сталося під час І фази клінічних випробувань, які проводилися
в Пенсильванському університеті. Смерть молодого чоловіка викликала
занепокоєння щодо безпеки подібних клінічних випробувань, а
фармацевтична компанія, яка проводить клінічні випробування, навіть
запропонувала тимчасово їх припинити.

Американський консультативний комітет з рекомбінантної ДНК розглядає
можливість встановлення більш жорсткого контролю за проведенням
клінічних випробувань препаратів, призначених для генної терапії.
Зокрема, висунуто вимогу сповіщати Комітет протягом 15 днів про
смертельні випадки, що трапляються під час проведення генної терапії. Не
виключено, що в недалекому майбутньому Консультативний комітет буде
розглядати питання, пов’язані з безпекою використання лікарських
засобів, призначених для проведення генної терапії, перед тим, як вони
потраплятимуть на розгляд FDA. Незважаючи на труднощі, перспективи
успішного розвитку генної терапії та фармакопротеоміки очевидні
(Hadlington S. Snipping away at the human genome // Scrip Magazine. —
2000. — 94. — P. 55–57).

ЧИ МАЮТЬ ПРОТЕОМНІ ПРОДУКТИ ПЕРЕВАГУ?

Перевагою протеомних продуктів є те, що їх можна транспортувати у
клітини за допомогою ліпосом. Це дає можливість уникнути негативного
впливу віруса-транспортера (вектора). Багатообіцяючим є використання
трансгенних тварин, у клітини яких вводять певний ген, для продукції
відповідних білків. Так, у грудні минулого року співробітники
Рослінського інституту (де клонували вівцю Доллі) розробили технологію
отримання людського білка, який виявляє виражені протипухлинні
властивості. Науковці також вивели курку на ім’я Брітні з геном даного
білка, тому в яйцях, знесених цією куркою, у високій кількості міститься
зазначений білок. Учені цього інституту співробітничають з
біотехнологічною фармацевтичною компанією «Viragen» у галузі розроблення
нового протипухлинного препарату. Вони впевнені, що розроблена
технологія дозволить випускати значно дешевші протеомні препарати у
порівнянні з тими, які отримані за традиційними технологіями (A
concerted attack on cancer // Scrip Magasine. — 2001. — 98. — P. 68–70).

ПРОГНОЗИ НА МАЙБУТНЄ.

На Всесвітній конференції «Геном людини», яка відбулася минулого року у
Ванкувері (Канада), обговорювалися питання розвитку геноміки людини на
найближчі 40 років. Ф. Коллінз, керівник програми «Геном людини»,
висловив припущення, що до 2010 р. будуть розроблені методи генної
терапії близько 25 спадкових захворювань та профілактичні заходи щодо
зниження ризику виникнення найпоширеніших хвороб. За прогнозами
експертів, до 2020 р. завдяки досягненням геноміки та протеоміки
вдасться розробити й освоїти виробництво нових протидіабетичних і
антигіпертензивних препаратів, а також інших принципово нових лікарських
засобів, що дозволить проводити прицільну терапію онкологічних
захворювань, спрямовану на модифікацію властивостей неопластичних
клітин. Фармакогеноміка і фармакопротеоміка поступово стануть
загальноприйнятим підходом у створенні багатьох лікарських препаратів.
Передбачається, що до 2030 р. буде каталогізовано гени, які беруть
участь у процесах старіння, а також проведено експериментальні
дослідження зі збільшення тривалості життя людини.

До 2040 р. всі заходи з охорони здоров’я в США будуть базуватися на
досягненнях геноміки та протеоміки. Хвороби виявлятимуть шляхом
молекулярного моніторингу на ранніх стадіях, а для лікування більшості
захворювань застосовуватимуть генну/протеомну терапію. Традиційні
лікарські препарати будуть заміщені генними та білковими субстанціями,
які продукує організм у відповідь на введення ліків. На думку фахівців,
проведені заходи дозволять збільшити середню тривалість життя в США до
90 років.

Основні досягнення в області молекулярної генетики й народження нових
наук

Для керування живою кліткою або організмом необхідні знання про
пристрій і функціонування клітинного генома . Саме це є основним
завданням або предметом досліджень молекулярної генетики. Для
«розшифровки» всієї спадкоємної інформації людини була створена
спеціальна Міжнародна програма «Геном людини», у рамках якої проведене
секвенирование ДНК, що складається із трьох мільярдів пар нуклеотидных
підстав. У знаменному 2000 році було оголошено про те, що повна
розшифровка речовини спадковості людини відбулася. Цей момент служить
крапкою відліку, початком так називаної «постгеномной ери» у розвитку
молекулярної генетики.

Виявилося, що в геноме людини втримується тільки 30 000 генів замість
очікуваних 100 000. А так званих значущих послідовностей, що з певні
білки, і регуляторних послідовностей, які управляють ними, у геноме
людини не більше 5%. Інша ДНК — повторювані нуклеотидные послідовності,
функції яких ще не з’ясовані. У дійсності геном людини ще розшифрований
не до кінця. Необхідно укласти фрагменти, що перекриваються, по всьому
хромосомному наборі якоїсь інтегральної людини й записати нуклеотидную
послідовність для кожної хромосоми. А далі виникає питання про
«паспортизацію» генома або визначенні нуклеотидных послідовностей
окремих індивідуумів для того, щоб оцінити розходження в структурі ДНК у
людей. Це дозволить виявити індивідуальні розходження в нуклеотидной
послідовності, відхилення від середньостатистичної норми, мутації в
генах, які визначають спадкоємну схильність до тих або інших хвороб. А
потім за допомогою методів генної й клітинної терапії спробувати усунути
генетичні дефекти.

Які ще завдання має бути вирішувати вченим в «постгеномную еру»?
Нуклеотидные послідовності треба сполучити з певними генами і їхніми
функціями: установити, які продукти кодують ті або інші гени, які
біологічні активності цих продуктів, їхнього взаємозв’язку. Відомо, що
переважна більшість генів людини має экзонно-интронную структуру й може
кодувати кілька різних білків. Після утворення полноразмерной ядерної
РНК на матриці клітинної ДНК відбувається поки ще мало вивчений процес
сплайсинга, коли спеціальні ферменти вирізують певні ділянки матричної
молекули й з’єднують їх потім у певній послідовності. Саме ця зібрана
заново матрична РНК транслюється потім в амінокислотну послідовність на
спеціальному рибосомном апарату клітки. Синтезований поліпептидний
ланцюг також перетерплює додаткові зміни: відщіплення фрагментів
амінокислотної послідовності з одного або обох кінців, выщепление
фрагментів із внутрішніх ділянок. Нарешті, на рівні практично готового
до виконання своєї функції білка відбувається приєднання до нього різних
груп у процесі гликозилирования, фосфорилирования, метилирования. Ці
групи модулюють біологічну активність білка.

Але самим складним у вивченні функціональної активності білкових
продуктів виявилося те, що вони утворять численні зв’язки з іншими
білками. Саме ці складні комплекси білкових молекул здійснюють різні
функції в клітці. Установлення функціональних зв’язків різних білків і
з’ясування механізмів регуляції процесами їхні взаємодії є завданнями
нового часу. Досить імовірно, що це виявиться набагато складніше, ніж
розшифровка всього людського генома.

Практичним наслідком революційних перетворень у молекулярній біології,
обумовлених здійсненням програми «Геном людини», з’явилася молекулярна
медицина, що розглядає проблеми здоров’я й хвороб людини на
молекулярному рівні, насамперед на рівні структури й функцій
нуклеиновых кислот. Основні розділи молекулярної медицини: молекулярна
діагностика, профілактична медицина й генна терапія. Із сучасним станом
у світі цих напрямків можна ознайомитися в оглядах.

Початок третього тисячоріччя ознаменувалося народженням ще однієї нової
науки: біології стовбурної клітки. Давно відомо, що клітка є
універсальним модулем для реалізації генетичної інформації й всіх
молекулярно-біологічних процесів. Але саме стовбурна родоначальна клітка
лежить в основі відтворення багатоклітинного організму й може стати
вихідним пластичним матеріалом для розробки сучасних біотехнологій .
Стовбурні клітки з ембріонального матеріалу людини були виділені тільки
в 1998 році, незважаючи на те, що аналогічні клітки з мишачих бластоцист
отримані майже 20 років тому . Одна група дослідників виділила стовбурні
клітки людини із внутрішньої клітинної маси бластоцист, інша — із
примордиальных гермінативних кліток ембріона більше пізнього віку.

Потужним імпульсом розвитку сучасних біотехнологій стало виявлення
родоначальних кліток в організмі дорослої людини. Виявилося, що
стовбурні клітки можна виділити з будь-якого організму, розмножити їх в
умовах іn vіtro, а потім диференціювати в різні тканини й навіть органи,
які потім можна використати для трансплантації.

Створення нових біотехнологій

Джерелом биоматериала служать у цей час банки кліток і ДНК, які беруть
на себе заготівлю й стандартизацію биоматериала, проведення наукових
досліджень c використанням рекомбинантных ДНК і багато чого іншого, що
створює необхідну базу для подальших розробок і клінічного застосування
біологічних препаратів. Істотним моментом нового часу є те, що вже сам
ген сприймається як новий фармацевтичний препарат для лікування
спадкоємних захворювань, моногенных (мутації в одному гені) і
полігенних, мультифакториальных (мутантні гени в сполученні з
несприятливими зовнішніми факторами), а також інфекційних захворювань і
багатьох інших патологічних станів. Також як медичні препарати для
лікування захворювань різного генеза розглядаються стовбурні й
спеціалізовані клітки ссавців.

Різні науково-дослідні установи й биотехнологические компанії
використають биоматериал для проведення конструкторських робіт на рівні
генома й клітки, для одержання генно-інженерних білкових продуктів, а
також для створення штучних тканин й органів короткострокового й
довгострокового функціонування. Ці нові розробки ліцензуються й
впроваджуються в медицину у вигляді досить дорогих технологій.

У США налічується більше тисячі банків кліток і тканин людини практично
у всіх штатах. Діяльність банків інтегрована єдиною комп’ютерною
мережею. Останнім часом спостерігається злиття національних банків у
транснаціональні. Почато новий великий проект по створенню банків
резервних стовбурних кліток нині живучого покоління людей. Відразу ж
після народження стовбурні клітки дитини вимивають із пупочной вени,
розмножують і заморожують для зберігання на увесь час життя абонента.
Далі протягом життя індивідуальні стовбурні клітки людини можна
ретрансплантировать для лікування спадкоємних захворювань, злоякісних
новотворів, імунодефіцитів, порушень кровотворення різного генеза й т.п.
Таким чином, завдяки клітинним банкам і власному «непорушному запасу»
стовбурних кліток, людина стає застрахованим від багатьох спадкоємних,
інфекційних і вікових захворювань.

Нова область мікрохірургії, трансплантація кліток, перетворюється в
один з лідируючих напрямків медицини. Тісний зв’язок з молекулярною й
клітинною біологією швидко привів до розвитку нових технологій
вирощування стовбурних і спеціалізованих кліток людини, генетичної
трансформації їх у культурі з наступною імплантацією в організм людини й
тварин.

У трансплантологии як клітинний матеріал використаються ембріональні
стовбурні клітки, регіональні стовбурні клітки й спеціалізовані
соматические клітки. Ряд новітніх технологій по трансплантації
фетального клітинного матеріалу вже використається в клініках Європи й
США для лікування иммунодефицитных станів, порушень гемопоэза,
захворювань печінки, м’язових дистрофий, дегенеративних змін нервової
тканини, репродуктивної системи, кісткової, хрящової й покривної тканин
[6]. Найбільш показові пересадження соматических кліток при замісній
терапії фатальних імунодефіцитів і при генній терапії спадкоємних
патологий. Техніка трансгенных тварин дозволяє створювати адекватні
моделі спадкоємних захворювань людини й відпрацьовувати на них нові
методи лікування.

Початок реконструктивної нейрохірургії було покладено позитивними
прикладами лікування хвороби Паркінсона, що обумовлена дефіцитом
дофаминов. Спочатку як джерело дефіцитного медіатора використали
ембріональну нервову тканину без подращивания й з подращиванием іn
vіtro. Однак використання абортивних тканин не дозволяло домогтися
гарної відтворюваності результатів. Це збільшувалося ще необхідністю
змішування нервової тканини від декількох ембріонів для одержання
достатньої кількості матеріалу.

Наступний етап пов’язаний з вирощуванням нейрогенных стовбурних кліток
у культурі. Спочатку був розроблений метод препаративного одержання
очищених стовбурних кліток з головного мозку пацюка з наступним
культивуванням у присутності Ростових факторів. Заміна Ростових факторів
на індуктори клітинної дифференцировки дозволяла одержати достатню
кількість нейробластов, продуцирующих дофамин. Експерименти на модельних
тваринах із синдромом паркінсонізму показали, що пересадження донорських
нейробластов у значній мірі знімають моторні розлади й ригідність. Ранні
ембріональні клітки нервової системи, що розвивається, мають високу
агресивність у плані вбудовування й рекапітуляції морфогенезу, а також
мають здатність до тривалого (більше 1 року) виживанню в зрілій тканині
реципієнта.

Як приклади трансплантації спеціалізованих соматических кліток можна
привести пересадження трансфицированных миобластов або фібробластів
пацієнтам з м’язовою дистрофією Дюшенна, ізольованих острівців
Лангерганса пацієнтам з инсулинзависимым діабетом, гепатоцитов пацієнтам
з гострою печіночною недостатністю.

У літературі даються переконливі приклади лікування наслідків травм й
інсульту. Очікується швидкий прогрес у лікуванні таких важких
спадкоємних патологий, як синдром Дауна й синдром тендітної Х хромосоми,
при яких відбувається недорозвинення міжклітинних мереж нейронів з
компенсаторним розростанням глиальных популяцій.

У регуляції проліферації й дифференцировки стовбурних кліток бере
участь сложнейшая система Ростових факторів і цитокинов, які
виробляються як самими клітками, так і клітками мікрооточення, строми й
позаклітинного матрикса. Використання очищених клітинних популяцій і
бессывороточных середовищ для культивування кліток дозволило
охарактеризувати цитокины, що роблять стимулююче й ингибирующее вплив на
стовбурні клітки різного рівня й клітки, диференційовані в тім або
іншому напрямку. Так, наприклад, до теперішнього часу клоноване й
отримано у вигляді очищених рекомбинантных препаратів понад 20
цитокинов, що підтримують розмноження й функціональну активність
гемопоэтических кліток. Цитокины комплексно впливає на різні класи
кровотворних кліток-попередників, зв’язуючись із рецепторами
клітинок-мішеней.

Увесь час з’являються відомості про виявлення нових Ростових факторів і
цитокинов. Серед найбільш вивчених цитокинов — фактор росту стовбурних
кліток, эритропоэтины, колониестимулирующие фактори, интерлейкины,
інтерферони й ін. Універсальний фактор росту стовбурних кліток (SCF) у
сполученні з іншими цитокинами забезпечує тривале культивування іn vіtro
ембріональних і регіональних стовбурних кліток . Надалі планується
використання SCF у клініці для лікування хворих з гипо- і апластическими
станами кровотворення.

Як правило, для практичних цілей з ембріональних стовбурних кліток
людини під впливом відповідних цитокинов одержують регіональні стовбурні
клітки, що пройшли перші етапи дифференцировки в умовах іn vіtro:
нейрональные прогениторные, кардиомиобласты, миобласты кістякових
м’язів, мезенхимальные стовбурні клітки, бластные клітки энтодермальных
органів. Останні при введенні в тканині дорослого організму здатні
створювати нові стійкі паростки спеціалізованих кліток.

Установлено, що ростовые фактори й цитокины діють шляхом зв’язування зі
специфічними рецепторами на клітинній мембрані. Рецептори до раннім
Ростовим факторам широко представлені на поверхні різних типів кліток.
Рецептори до SCF виявлені на поверхні ембріональних стовбурних кліток,
регіональних стовбурних кліток, частково й повністю коммитированных
кліток-попередників гемопоэза, гладких кліток, меланоцитов, нервових
кліток плода.

У літературі приводяться вражаючі приклади зміни напрямку
дифференцировки стовбурних кліток під впливом цитокинов. В огляді
наведений випадок, коли після трансплантації кровотворних стовбурних
кліток пацієнтові з важким спадкоємним захворюванням донорські моноцити
мігрували через гематоэнцефалический бар’єр і перетворювалися в типові
клітки мозкової тканини, нейроглии. Це вказує на можливість взаємного
перетворення одного типу регіональних стовбурних кліток в іншій під
впливом відповідних цитокинов і мікрооточення.

Створено технології, що дозволяють здійснювати повне відтворення
эмбриогенеза й клонування організмів. При використанні ембріональних
стовбурних кліток одного виду ссавців можна здійснювати масове
тиражування тварин-близнюків, а при використанні стовбурних кліток
різного видового походження вдається одержання химерных тварин, що
виявляє ознаки різних видів. Клонованих тварин використають для наукових
досліджень і розробки нових біотехнологій. Можливо, розроблена техніка
згодом знайде застосування в репродуктивній медицині, але це питання ще
має потребу в ретельному теоретичному й практичному проробленні.

Конструювання рекомбинантных геномов, кліток й організмів з
використанням методів генної й клітинної інженерії по-новому порушує
питання про генетичні наслідки їхнього практичного застосування для
людини. Не можна виключити, що знову створені рекомбинантные форми
можуть стати доповненням до вже наявним мутагенноопасным факторів
зовнішнього середовища. По деяких прогнозах постійним не обмежене
природним добором нагромадження мутацій може привести не тільки до
збільшення частоти спадкоємних і соматических захворювань, але й до
передчасного старіння, зменшенню тривалості життя й імовірності
залишення потомства.

Це досить актуально для України, тому що статистика свідчить про те, що
життя людей в Україні на 8-10 років коротше, ніж у найбільш розвинених
країнах миру [4]. Очевидно, індукований мутагенез уже являє собою
реальну загрозу для життя й здоров’я людини, оскільки мутації негативно
впливають на пристосованість популяцій й організмів до умов зовнішнього
середовища. Тому необхідно розширення й розвиток генетичних досліджень
із використанням різних тест-систем, що дозволяють виявляти
мутагенноопасные факторів зовнішнього середовища з метою видалення їх із
середовища перебування й розробки профілактичних засобів захисту генома
людини від шкідливих впливів. А також проведення заходів, спрямованих на
«оздоровлення» середовища перебування людини.

Висновок.

Таким чином, у світі зроблений прорив в області вивчення генома й
стовбурної клітки людини як універсального модуля для будь-яких
генно-інженерних реконструкцій. Новий рівень знань спричиняє створення
нових біотехнологій. Використання очищених рекомбинантных факторів росту
й цитокинов дозволяє в цей час одержувати лінії стовбурних кліток людини
й тварин іn vіtro і здійснювати дифференцировку кліток й етапи
эмбриогенеза. А це, у свою чергу, відкриває перспективи переходу на
новий рівень діагностики й лікування в медицині. Уже зараз відзначений
прогрес у трансплантологии, обумовлений використанням не первинного
биоматериала, а стандартизованих клітинних препаратів. З’явилася
принципова можливість вирощування не тільки кліток, але й індивідуальних
тканин, а також органів й організмів в умовах іn vіtro.

Нові біотехнології з використанням рекомбинантных ДНК і клітинних
препаратів різного походження дають практично невичерпний пластичний
матеріал для лікування й удосконалювання організму людини. Разом з тим
вимагає спеціального вивчення питання про генетичні наслідки введення в
практичну діяльність людини рекомбинантных ДНК, кліток й організмів.

Література:

1. В.Н. Сойфер. Международный проект «Геном человека», 1999.

Дмитрий Самин. Геном человека. / HYPERLINK
«http://www.bibliotekar.ru/» \o «» \t «_blank» Библиотекарь

Л.Л.Киселев. Вестник. Геном человека и биология XXI века. / РАН (том 70,
№5, с.412-424 (2000)

HYPERLINK «http://www.cbio.ru/» \o «» \t «_blank» Интернет-журнал
«Коммерческая биотехнология»

Макс Арбалет. Генетична революція

Макс Арбалет. Проект розшифровки генома рака (The Cancer Genome Atlas,
TGCA)

Киселев Л.Л. Геном человека и биология ХХІ века // Вестник Российской
Академии наук. — 2000. — 70, № 5. — С. 412–424

Hadlington S. Snipping away at the human genome // Scrip Magazine. —
2000. — 94. — P. 55–57

A concerted attack on cancer // Scrip Magasine. — 2001. — 98. — P. 68–70

Віктор Маргітич «Прогнози на майбутнє»

ЛУКАШ Любов Леонідівна «Основні досягнення в області молекулярної
генетики й народження нових наук»

Похожие записи