Международный проект «Геном человека»

 

             Реферат

                        на тему:

 

 

« Международный проект «Геном человека» »

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы 11/4

Шаповалова Наталья 

Преподаватель:

Белоусова Т.Н.

 

 

Ульяновск  2012 год

Содержание

 

Введение………………………………………………………….………..3

1. «Геном человека». Вехи проекта……………….…….………4
2. Карты хромосом. Подходы к их составлению…….........6
3. Разработка новых технологий……………………….……....9

4. Результаты. Задачи на будущее…………………………….10

Заключение………………………………………………………….…15

Список литературы…………………………………………....…..16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Международный проект "Геном  человека" был начат в 1988 г. под  руководством Джеймса Уотсона под  эгидой Национальной организации здравоохранения  США. Это один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов в истории  науки. Если в 1990 г. на него было потрачено  около 60 млн долларов в целом, то в 1998 г. одно только правительство США  израсходовало 253 млн долларов, а  частные компании - и того больше. В проекте задействованы несколько  тысяч ученых более чем из 20 стран. С 1989 г. в нем участвует и Россия, где по проекту работает около 100 групп. Все хромосомы человека поделены между странами-участницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я  хромосомы.

Цель проекта заключается  в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК  в клетках человека. Одновременно должна быть установлена локализация  всех генов, что помогло бы выяснить причины наследственных заболеваний  и этим открыть пути к их лечению. В выполнении проекта задействовано  несколько тысяч ученых, специализирующихся в биологии, химии, математике, физике и технике.

В 2000 году был выпущен  рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003, однако и сегодня  дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Кроме очевидной  фундаментальной значимости, определение  структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых  медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.

Хотя целью проекта  по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности Escherichia coli (кишечная палочка) , насекомые, такие как мушка дрозофила , и млекопитающие, например, мышь.

1. «Геном человека». Вехи проекта.

В любой соматической клетке человека 23 пары хромосом. В каждой из них  по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул почти 2 м.

У взрослого человека примерно 5х10¹³ клеток, так что общая длина молекул ДНК в организме 10¹¹ км (почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). В молекулах ДНК одной клетки человека 3,2 млрд.пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из углевода, фосфата и азотистого основания. Углеводы и фосфаты одинаковы во всех нуклеотидах, а азотистых оснований - четыре. Таким образом, язык генетических записей четырехбуквенный, и если основание - его "буква", то "слова" - это порядок аминокислот в кодируемых генами белках. Кроме состава белков в геноме (совокупности генов в одинарном наборе хромосом) записаны и другие любопытные сведения. Можно сказать, что Природа (в результате эволюции или Божьего промысла) закодировала в ДНК инструкции о том, как клеткам выживать, реагировать на внешние воздействия, предотвращать "поломки", иными словами, - как развиваться и стареть организму. 

Любое нарушение этих инструкций ведет  к мутациям, и если они случаются  в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках), мутации передаются следующим поколениям, угрожая существованию  данного вида.

Как представить себе 3 млрд. оснований  зримо? Чтобы воспроизвести информацию, содержащуюся в ДНК единственной клетки, даже самым мелким шрифтом (как  в телефонных справочниках), понадобится  тысяча 1000-страничных книг!

Сколько же всего генов, то есть последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки, в ДНК человека? Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не более 40 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена.

Цель проекта - выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению. В проекте заняты тысячи специалистов со всего мира: биологов, химиков, математиков, физиков и техников.

Проект состоит из пяти основных этапов:

• Составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более, чем на 2 млн. оснований, на языке специалистов, с разрешением 2 Мб (Мегабаза - от английского слова "base" - основание);
• Завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
• Получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
• К 2004 г. полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
• Нанесение на карту с разрешением в 1 основание всех генов человека (к 2005 г.). Когда эти этапы будут завершены, исследователи определят все функции генов, а также биологические и медицинские применения результатов.

 

 

 

 

2. Карты хромосом. Подходы к их  составлению.

В ходе проекта создают три типа карт хромосом: генетические, физические и секвенсовые (от англ. sequence - последовательность). Выявить все гены, присутствующие в геноме, и установить расстояния между ними - значит локализовать каждый ген в хромосомах. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов  и указания их положений ответят  на исключительно важный вопрос о  том, как гены определяют те или иные признаки организма. Ведь многие признаки зависят от нескольких генов, часто  расположенных в разных хромосомах, и знание положения каждого из них позволит понять, как происходит дифференцировка (специализация) клеток, органов и тканей, а также успешнее лечить генетические заболевания. В 20-е  и 30-е годы, когда создавалась  хромосомная теория наследственности, выяснение положения каждого  гена привело к тому, что на генетических картах сначала дрозофилы, а затем  кукурузы и ряда других видов удалось  отметить особые точки, как тогда  говорили, "генетические маркеры" хромосом. Анализ их положения в  хромосомах помог снабдить генетические карты хромосом человека новыми сведениями. Первые данные о положении отдельных  генов появились еще в 60-е годы. С тех пор они множились  лавинообразно, и в настоящее  время известно положение уже  десятков тысяч генов. Три года назад  разрешение генетической карты составляло 10 Мб (для некоторых участков - даже 5 Мб).

Другое направление исследований - составление физических карт хромосом. Еще в 60-е годы цитогенетики стали  окрашивать хромосомы, чтобы выявить  на них особые поперечные полосы. После  окрашивания полосы было видно в  микроскоп. Между полосами и генами удалось установить соответствие, что  позволило изучать хромосомы  по-новому. Позже научились "метить" молекулы ДНК (радиоактивными или флуоресцентными  метками) и следить за присоединением этих меток к хромосомам, что значительно  повысило разрешение их структуры: до 2 Мб, а потом и до 0,1 Мб (при делении клеток). В 70-е годы научились "разрезать" ДНК на участки специальными (рестрикционными) ферментами, распознающими короткие отрезки ДНК, в которых информация записана в виде палиндромов - сочетаний, читаемых одинаково от начала к концу и от конца к началу. Так возникли рестрикционные карты хромосом. Использование современных физических и химических методов и средств улучшило разрешение физических карт в сотни раз.

Наконец, разработка методов секвенирования (изучения точных последовательностей  нуклеотидов в ДНК) открыла путь к созданию секвенсовых карт с  рекордным на сегодня разрешением (на этих картах будет указано положение  всех нуклеотидов в ДНК).

Число хромосом и их длина различны у разных биологических видов. В  клетках бактерий всего одна хромосома. Так, размер генома бактерии Mycoplasma genita-lium 0,58 Мб (в нем 470 генов), у бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) в геноме 4200 генов (4,2 Мб), у растения Arabidopsis thaliana - 25 тыс. генов (100 Мб), у плодовой мушки Drosophila melanogaster - 10 тыс. генов (120 Мб). В ДНК мыши и человека 50-60 тыс. генов (3000 Мб).

Конечно, для составления карт столь  разных объектов одни и те же методы неприменимы, поэтому используют два  разных по методологии подхода:

• В первом делят ДНК на небольшие куски и, изучив их по отдельности, воссоздают всю структуру, Этот подход увенчался успехом при составлении сравнительно простых карт;
• Для более сложных геномов эффективнее второй подход. В этих случаях неразумно делить молекулу ДНК на короткие куски, удобные для детального изучения. Их оказалось бы так много, что путаница в последовательностях была бы неразрешимой. Поэтому, принимаясь за расшифровку, молекулу делят, наоборот, на как можно более длинные куски и сравнивают их в надежде найти общие концевые участки. Если это удается, куски объединяют, после чего процедуру повторяют.

С совершенствованием компьютеров  и математических методов обработки  информации объединенные по такому принципу куски становятся все крупнее, постепенно приближаясь к целой молекуле. Этот подход, в частности, позволил составить генетическую карту 3-й  хромосомы дрозофилы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка новых технологий.

Важный аспект проекта "Геном  человека" - разработка новых методов  исследований. Еще до старта проекта  был развит ряд весьма эффективных  методов цитогенетических исследований (теперь их называют методами первого  поколения). Среди них: создание и  применение упомянутых рестрикционных ферментов; получение гибридных  молекул, их клонирование и перенос  участков ДНК с помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего - кишечной палочки или дрожжей); синтез ДНК  на матрицах информационной РНК; секвенирование генов; копирование генов с помощью  специальных устройств; способы  анализа и классификации молекул  ДНК по плотности, массе, структуре.

В последние 4-5 лет благодаря проекту "Геном человека" разработаны  новые методы (методы второго поколения), в которых почти все процессы полностью автоматизированы. Почему это направление стало центральным? Самая маленькая хромосома клеток человека содержит ДНК длиной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) - 250 Мб. До 1996 г. наибольший участок ДНК, выделяемый из хромосом с помощью реактивов, имел длину 0,35 Мб, а на лучшем оборудовании их структура расшифровывалась со скоростью 0,05-0,1 Мб в год при стоимости 1-2 долл. за основание. Иными словами, только на эту работу понадобилось бы примерно 30 тыс. дней (почти век) и 3 млрд. долл.

*Совершенствование технологии к 1998 г. повысило производительность до 0,1 Мб в день (36,5 Мб в год) и понизило стоимость до 0,5 долл. за основание. Использование новых электромеханических устройств, которые к тому же потребляют меньше реактивов, позволило уже в 1999 г. ускорить работы еще в 5 раз (к 2003 г. скорость расшифровки до 500 Мб в год) и уменьшить стоимость до 0,25 долл. за основание (для человеческой ДНК еще дешевле).

 

4. Результаты. Задачи на будущее.

За последние шесть лет созданы  международные банки данных о  последовательностях нуклеотидов  в ДНК разных организмов (GenBank / EMBL / pBJ) и о последовательностях аминокислот  в белках (PIR / SwissPot). Любой специалист может воспользоваться собранной  там информацией в исследовательских  целях. Решение о свободном доступе  к информации далось нелегко. Ученые, юристы, законодатели немало потрудились, чтобы воспрепятствовать намерениям коммерческих фирм патентовать все  результаты проекта и превратить эту область науки в бизнес.

Расшифрованные геномы.

1995 г. - бактерия Hemophilus influenza;.

1996 г. - клетка дрожжей (6 тыс. генов, 12,5 Мб);

1998 г. - круглый червь Caenorhabditis elegans (19 тыс. генов, 97 Мб).

Основные результаты завершенных  этапов проекта изложены в журнале "Science" (1998. Vol. 282, № 5396,. Р. 2012-2042).

Изученные гены человека. За 1995 г. длина  участков ДНК человека с установленной  последовательностью оснований  увеличилась почти в 10 раз. Но хотя прогресс был налицо, результат за год составил менее 0,001% от того, что  предстояло сделать. Но уже к июлю 1998 г. было расшифровано почти 9% генома, а затем каждый месяц появлялись новые значительные результаты. Изучив большое число копий генов  в виде сДНК и сопоставив их последовательности с участками хромосомной ДНК, к ноябрю 1998 г. расшифровали 30 261 ген (примерно половина генома).

Функции генов. Результаты завершенной  части проекта позволяют судить о роли двух третей генов в образовании  и функционировании органов и  тканей человеческого организма. Оказалось, что больше всего генов нужно  для формирования мозга и поддержания  его активности, а меньше всего  для создания эритроцитов - лишь 8.

Полученные данные позволили  впервые реально оценить функции  генов в организме человека.

 

В мире каждый сотый ребенок  рождается с каким-либо наследственным дефектом. К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний  человека, из которых более 3 тыс. - наследственные. Уже выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли. Обнаружены гены, ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др.