Практических результатов по увеличению максимальной продолжительности жизни человека следует ожидать от полной расшифровки генома человека.
Уже известный нам американский ученый Джеймс Уотсон в 1988 г. инициировал создание международного проекта «Геном человека».
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.
Проект состоял 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 англ. 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);
• полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
• нанесение на карту с разрешением в 1 Мб основание всех генов человека.
Следует отметить, что это один из самых дорогих научных проектов в истории изучения генетики. В проекте заняты тысячи специалистов из разных стран мира – биологи, химики, математики, физики и технические специалисты.
На реализацию проекта было потрачено в 1990 г. 60 млн долл., в 1991 г. — 135 млн, в 1992–1995 гг. — от 165 до 187 млн в год.
Самый значительный вклад в финансирование этого проекта внесли США, Великобритания, Германия, Франция и Япония. Только США израсходовали в 1996–1998 гг. соответственно 200, 225 и 253 млн долл.
Ученые разных стран вели исследования, финансируемые из государственных бюджетов, и объединяли их результаты в едином банке данных.
Лидеры стран «большой восьмерки» на саммите на острове Окинава в июле 2000 г. официально объявили о том, что расшифрован геном человека.
По мнению специалистов, 85% информации абсолютно достоверны, т.е. последовательность ДНК в этом объеме перепроверена не один раз, и разночтения больше не выявляются.
Среди наиболее значимых результатов расшифровки генома человека следует выделить следующие:
• определено примерное число генов человека, их оказалось 23 000, а не 80 000, как предполагалось ранее;
• генетические инструкции по формированию личности занимают меньше двух с половиной сантиметров на двухметровой ленте ДНК, заключенной практически внутри каждой клетки тела. Что удивляет самих ученых – насколько малая часть человеческого генома напрямую участвует в построении организма;
• количество генов, несущих эти инструкции, – всего в пять раз больше, чем нужно для взращивания мухи;
• из 3 млрд генетических букв, составляющих человеческие гены, которые образуют ДНК, 99,9% одни и те же. Всего одна десятая процента и есть наша индивидуальность, что делает нас теми, кто мы есть – красивыми и не очень, здоровыми или больными, умными или глупыми, добрыми или, наоборот, жестокими;
• женская яйцеклетка является и главным источником эволюционных новаций;
• основную ответственность за генетические ошибки несет мужская сперма, в которой содержится вдвое больше мутаций, чем в женской яйцеклетке.
Кроме того, реализация международного проекта «Геном человека» дала толчок развитию передовых технологий в самых разных отраслях, привела к появлению новых подходов в изучении вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине.
Появилась новая отрасль - фармокогенетика.
Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для идентификации личности. Разработан метод «генетической дактилоскопии».
По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии.
Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных методов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов изучения, как муха дрозофила и круглый червь нематода.
Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.
Оказалось, что человек незначительно отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тыс. генов. Гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего.
Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, других вирусов. Найден ген, мутация которого может защитить человека от заражения вирусом иммунодефицита.
Однако следует подчеркнуть, что исследования по определению последовательности нуклеотидов в ДНК, которые были объявлены как завершенные, это еще не расшифровка генома.
Пройден принципиально важный, но только начальный технологический этап расшифровки генома. Расшифровать - значит понять смысл написанного.
Однако пока существует написанный длинный-длинный текст размером около 3 млрд букв. Но ученые до конца не понимают эту «клинопись». О некоторых участках ДНК уже имеется определенная информация, о других ничего не известно.
Изучена структура в лучшем случае 6–8 тыс. генов, но это только часть генома. О существовании 90% генов и кодируемых ими белковых молекул, регулирующих работу человеческого организма, ученые до сих пор даже не подозревали.
Имея структурную карту ДНК, можно перейти к основному этапу работы – изучению неизвестных участков ДНК, распознаванию неизвестных генов и их функций в организме. Следует выяснить, какие биологически активные и важные для нормального метаболизма вещества они кодируют.
Если болезнь окажется наследственной, зная механизм патологии, то есть к чему приводит та или иная мутация, можно будет найти подходы к лечению.
Если мутация приводит к нехватке какого-либо белка, этот белок восполняется через питание или инъекции. Кроме того белок активируют или инактивируют с помощью лекарственных средств или методов генной терапии. В Америке эта программа уже реализуется по всем известным мутациям в известных генах.
В России в настоящее время диагностируется примерно 30 наследственных заболеваний. Однако важно не только определить функцию того или иного гена, но и понять, как он ведет себя на протяжении всей жизни.
Мало знать, что функция гена гемоглобина – переносить кислород, надо знать, почему способность белка связывать кислород с возрастом слабеет и что происходит в гене. Все это тоже предстоит тщательно изучить.
По мнению специалистов, окончательная расшифровка генома человека может занять не менее 100 лет. Что можно ждать от геномных исследований в ближайшие 40 лет?
Приведем прогноз Фрэнсиса Коллинза, руководителя программы «Геном человека» (США).
2010 г.
Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний. Генная терапия применяется при лечении до 25 наследственных заболеваний.
Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика.
В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем.
2020 г.
На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.
Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей.
Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств.
Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде.
2030 г.
Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.
Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой примерно 1000 долл.
Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.
Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.
2040 г.
Основные сферы здравоохранения и методы лечения основаны на геномике.
Предрасположенность к большинству заболеваний определяется ещё до рождения.
Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида.
Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.
Для многих заболеваний доступна генная терапия, направленная на исправление «больных генов» или замену «испорченных» генов на «здоровые».
Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет.
В 2007 г. был запущен очередной международный проект, получивший название «Энциклопедия ДНК» (Encode). За пять лет ученым удалось проанализировать все 3 млрд пар генетического кода, составляющих человеческую ДНК.
Анализом ДНК занимались более 400 специалистов из 32 научных лабораторий в Великобритании, США, Сингапуре, Испании и Японии.
Международная группа генетиков обнаружила, что огромная часть генетического кода человека, которая ранее считалась нефункциональной, является активной.
Это выяснилось после того, как специалисты получили самую точную в истории карту человеческого генома, расшифровав почти 100% цепочки ДНК.
До сих пор основное внимание ученых было сосредоточено на генах, кодирующих белок. Они составляли всего 2% генома. В то же время совершенно упускалась из виду остальная масса, составляющая ДНК, так как ранее считалось, что она неактивна, и специалисты даже называли ее «мусорным геномом».
Ученые выяснили, что смысловую нагрузку несет всего около 1% генома. Все остальные участки ДНК дают инструкции, позволяющие этому 1% реализоваться. Сами они не несут информации, но указывают, в какой момент тот или иной ген должен заработать. То есть являются своеобразными переключателями.
Образно говоря, это все равно что книга с сюжетом, описанным на четырех страницах, где нет ни обозначения главных героев, ни места действия, ни последовательности событий.
Результаты данного фундаментального исследования имеют огромное значение для общей биологии, поскольку проливают свет на механизмы реализации генетической информации на уровне всего генома.
Расшифровка генома позволит создавать действенные ДНК-препараты., что в конечном итоге, приведет к новым эффективным методам лечения многих заболеваний.
Очевидно, что у достижений генетиков есть много сторонников и противников. В частности консерватизм и неприятие новаций связаны прежде всего с боязнью непредсказуемости результатов.
Кроме того, существует серьезная психологическая проблема. Открытия генетиков в какой-то степени влияют на мировоззрение человека.
Появляется реальная возможность заглянуть внутрь человека и что-то там исправить. Люди начинают чувствовать себя беспомощными участниками эксперимента. Многие боятся неожиданного, ошеломляющего результата, боятся узнать о себе такое, что может изменить само представление о человеке и его месте в современном мире.
Таким образом, чтобы устранить все препоны к долгой жизни необходимо в ближайшем будущем с помощью генома человека решить следующие проблемы:
• каталогизировать гены, участвующие в процессе старения;
• исключить хромосомные мутации и мутации в митохондриях;
• научиться полноценному восполнению потери клеток;
• решить проблему утилизации внутри- и внеклеточного мусора;
• избавиться от внеклеточных перекрестных связей.
Решить указанные проблемы поможет использование потенциальных возможностей стволовых клеток и развитие нанотехнологий.
Следует обратить внимание на то, что важной особенностью нашей генетической памяти является то, что в ней хранится «архив» всей нашей жизни.
По всей видимости, есть информация о том какими вы были в детстве и как выглядели в юности, какими стали в зрелости, как выглядим и каково наше здоровье теперь.
Вероятно, клетки «помнят» все физические копии вашего организма, начиная с рождения и до сегодняшнего дня.
Осталось дело за малым – научиться находить эти копии и возвращаться к ним, запуская соответствующие программы.