Геном
Геном - совокупность наследственного материала заключенного в клетке организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК. Под геномом также понимают совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида.
Основная статья: Хромосома
Основная статья: Генетика
Основная статья: Искусственный геном
2024
Запись на 5D-кристалл
В середине сентября 2024 года ученые из Университета Саутгемптона впервые записали полный геном человека на 5D-кристалле памяти — революционном формате хранения данных, который может сохраняться миллиарды лет.
Команда надеется, что подобные кристаллы могут стать основой для возрождения человечества даже после вымирания, если наука это позволит. Эту технологию также можно использовать для создания надежной базы данных геномов находящихся под угрозой исчезновения видов растений и животных.
В отличие от других форматов хранения данных, которые со временем деградируют, 5D-кристаллы памяти могут хранить до 360 терабайт информации без потерь в течение миллиардов лет, даже при высоких температурах. С 2014 года эти кристаллы удерживают мировой рекорд Гиннесса как самый прочный материал для хранения данных.Бизнес уходит в облако: стратегии и подходы 
Группа ученых из Саутгемптона использовала сверхбыстрые лазеры для точной записи данных в наноструктурированные пустоты, ориентированные внутри кремния, с размерами элементов до 20 нанометров. В настоящее время невозможно синтетически создавать людей, растения и животных, используя только генетическую информацию, но в последние годы в этом направлении были достигнуты значительные успехи, что дает надежду на использование 5D-кристаллов в будущем.
 | Из работ других исследователей мы знаем, что генетический материал простых организмов можно синтезировать и использовать в существующей клетке для создания жизнеспособного живого образца в лабораторных условиях, — отметил главный исследователь, профессор Казанский. — Кристалл 5D-памяти открывает другим исследователям возможности создания вечного хранилища геномной информации, на основе которой можно будет восстановить сложные организмы, такие как растения и животные.[1] |  |
Освоена новая технология редактирования генома. Она эффективнее и точнее CRISPR
В начале июля 2024 года была опубликована статья биологов из Сиднейского университета, которые представили новую технологию редактирования генома, более эффективную и точную, чем CRISPR. Уникальная ДНК-рекомбиназа позволяет вставлять, удалять или инвертировать крупные сегменты ДНК, используя мостовую РНК для точного отбора последовательности генов.
Новый инструмент использует IS110 - особый тип транспозонов, известных как "прыгающие гены". Команда исследователей обнаружила, что транспозоны используют уникальную систему навигации на основе РНК. Один конец РНК прикрепляется к сегменту ДНК, предназначенному для вставки, а другой конец связывается с фрагментом ДНК в месте вставки в геном. Такая РНК действует как мост между двумя сегментами ДНК. Таким образом, одна РНК-последовательность идентифицирует целевые гены, аналогично CRISPR, а другая находит сегмент ДНК, который необходимо изменить. Но в отличие от CRISPR, эта система позволяет добавлять, удалять или реверсировать последовательности генов практически любой длины без побочных эффектов, связанных с разрывами ДНК.
Система, управляемая «мостовой» РНК, уже позволяет успешно редактировать гены у бактерий и in vitro, хотя возможность ее применения на клетках человека пока остается неопределенной. Если ее можно будет адаптировать для человека, она может произвести революцию в редактировании генома благодаря своим компактным размерам и способности изменять последовательности ДНК длиной в тысячи оснований, то есть целые комплексы генов. При этом редактирование генома с использованием мостовой РНК позволяет избежать образования «рубцов», обеспечивая точный контроль над манипуляциями с геномом. Кроме того, такая технология позволит более точно и масштабно изменять геномы растений и животных, повышая производительность сельского хозяйства.[2]
Представлена революционная система генного редактирования MOBE. Она поможет лечить болезни
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего представили новый эффективный инструмент редактирования генома MOBE, который позволяет одновременно корректировать несколько точечных мутаций. В будущем это может стать основой лечения и моделирования различных полигенных заболеваний, в том числе сложных и редких. Подробнее здесь.
2023
Создан первый российский геномный принтер
В декабре 2023 года Томском университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) сообщили о создании первого в России геномного принтера. Речь идет о синтезаторе олигонуклеотидов, уточняет пресс-служба вуза. Подробнее здесь.
В ДНК бактерий обнаружена «разметка»
Ученые из НИЯУ МИФИ и ФИЦ Биотехнологии РАН разработали математический алгоритм, позволяющий с высокой точностью находить повторяющиеся элементы в геномах. Они протестировали новый подход на девяти видах бактерий, и в геномах каждого вида обнаружили ранее неизвестные повторы, образующую своеобразную «разметку» в геноме бактерий. По мнению исследователей, алгоритм поможет находить новые генетические мишени для увеличения продуктивности бактериальных штаммов или для получения новых антибиотиков. Об этом НИЯУ МИФИ сообщил 25 сентября 2023 года.
В геномах большинства многоклеточных организмов (от дрожжей до человека) встречаются повторяющиеся последовательности нуклеотидов, где те являются своего рода буквами, из которых состоит ДНК. Каждый такой повтор имеют длину в несколько сот нуклеотидов, и они раскиданы по всему геному, сообщила доцент кафедры кибернетики Института интеллектуальных кибернетических систем НИЯУ МИФИ Мария Короткова.
По ее словам, для поиска в геномах дисперсных повторов существует множество математических алгоритмов, которые даже позволяют обнаружить «искаженные» копии, то есть те повторы, в которых произошли какие-либо мутации и последовательности которых отличаются.
| | Однако подобных изменений в процессе эволюции может накопиться так много, что найти в геноме недостаточно похожие друг на друга последовательности становится невозможно, - пояснила Мария Короткова. | |
Чтобы решить эту проблему, ученые ищут новые подходы для обнаружения дисперсных повторов, «разбросанных» в геномах различных организмов. Ранее такие семейства повторов встречались исследователям только в геномах многоклеточных организмов, тогда как в геномах бактерий они не были известны.
Ученые из НИЯУ МИФИ и Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» предложили метод поиска повторяющихся последовательностей.
| | Принцип его работы можно сравнить с поиском математической матрицы, состоящих из столбцов и строк, которая наилучшим образом описывает семейство повторов. Предложенный алгоритм является оптимальным по точности нахождения «разбросанных» повторов в полном геноме, так как учитывает возможность замен нуклеотидов и их мутаций, - рассказал профессор кафедры прикладной математики НИЯУ МИФИ Евгений Коротков. | |
Авторы применили алгоритм для поиска повторов в геномах девяти видов бактерий. Им удалось впервые выявить у кишечной палочки три семейства повторов длиной 400–600 пар нуклеотидов, которые суммарно занимают практически 50% всего генома бактерии. Ранее у этого микроорганизма были известны подобные элементы только меньшей длины — до 300 пар нуклеотидов — и в значительно меньшем количестве.
В генетических последовательностях других бактерий удалось обнаружить 1–2 семейства столь же крупных (400–600 пар нуклеотидов) повторов.
| | Можно сказать, что существует определенная разметка в геномах бактерий, похожая на километровые столбы на дороге. Обнаруженный код может служить основой для сворачивания ДНК в нуклеоид, который в значительной степени определяет экспрессию генов бактерий. Это открывает большие возможности в создании новых полезных для человека микроорганизмов, - подчеркнула Мария Короткова. | |
Новый подход, по мнению ученых, поможет анализировать не только бактериальные геномы, но также генетические последовательности многоклеточных организмов, например, животных и растений. Это поможет лучше понять эволюцию геномов и отдельных их элементов, а также, в случае бактерий, найти мишени для создания новых антибиотиков или повышения продуктивности ценных для биотехнологии штаммов.
Умные часы вместо таблеток: гаджеты начнут программировать ваше здоровье на ДНК-коде
В начале июня 2023 года специалисты из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) сообщили о разработке электрогенетического интерфейса, который дает возможность управлять активностью генов человека посредством специального носимого устройства. Технология получила название DART (DC-Actuated Regulation Technology). Подробнее здесь.
Как 3D-геномика уже помогает понять, как работают наши гены
8 мая 2023 года американские учёные из Массачусетского технологического института (MIT) сообщили о разработке новой технологии, которая позволяет анализировать 3D-взаимодействие участков генома с беспрецедентной точностью. Метод, как ожидается, прольёт свет на происхождение и прогрессирование генетических заболеваний, а также поможет в создании передовых способов лечения. Подробнее здесь.
Создана первая в мире база данных всех генов и генетических вариаций человека
10 мая 2023 года Национальные институты здравоохранения США (NIH) сообщили о том, что исследователи сформировали первый в мире человеческий пангеном — обширную базу данных всех генов и генетических вариаций, которые могут проявляться у людей.
Работу возглавил международный Консорциум по изучению пангенома человека — группа, финансируемая Национальным исследовательским институтом генома человека (NHGRI) в составе NIH. Отмечается, что геномы людей совпадают приблизительно на 99,6%. Но оставшиеся 0,4% отвечают за миллионы самых разных признаков и особенностей — от цвета глаз и роста до состояния здоровья и предрасположенности к определённым заболеваниям.
Чтобы лучше понять вариации, специалисты создали «стандартный» геном человека — комбинацию геномных последовательностей нескольких людей. Первый вариант, представленный в апреле 2003 года, охватил около 92% генома. Ещё 8% долгое время оставались скрытыми от учёных из-за отсутствия необходимых технологий для картирования. Но с годами передовые разработки позволили заполнить пробелы.
Представленный пангеном основан на геномах 47 представителей разных этнических и расовых групп людей. Поскольку каждый человек несёт парный набор хромосом, каждый со своим собственным набором генетической информации, пангеном в конечном итоге включает 94 различных последовательности. Специалисты смогли разделить генетическую информацию, полученную от индивидуальных наборов хромосом участников исследования. В рамках проекта в базу добавлены около 119 млн пар оснований и 1115 дупликаций генов. Благодаря появлению пангенома медики смогут ускорить клинические исследования и углубить понимание связей между генами и развитием заболеваний. К середине 2024 года учёные рассчитывают увеличить число людей, чья генетическая информация включена в пангеном, до 350 человек.[3]
Коронавирус вызывает изменения в структуре генома
23 марта 2023 года были обнародованы результаты исследования, говорящие о том, что коронавирусная инфекция SARS-CoV-2, провоцирующая заболевание COVID-19, вызывает изменения в структуре генома человека.Подробнее здесь.
2022: Онкологию удалось вылечить, применив революционный метод редактирования ДНК
В середине декабря 2022 года британские врачи вылечили 13-летнюю девочку по имени Алиса от острой формы лейкемии с помощью базовой коррекции генома. Технологию изобрели шесть лет назад, но использовали впервые.
Рак у Алисы обнаружили весной 2021 года, болезнь быстро прогрессировала. Когда химиотерапия и пересадка костного мозга не сработали, врачи встроили в геном девочки модифицированные донорские T-лимфоциты – клетки, способные убивать опухоли. Все другие методы лечения лейкемии Алисы оказались безуспешными.
Поэтому врачи больницы Грейт Ормонд Стрит использовали редактирование генома, чтобы совершить подвиг биологической инженерии и создать для нее новое живое лекарство. Спустя шесть месяцев рак не был обнаружен, но Алисса все еще находится под наблюдением на случай его возвращения.
Т-клетки должны быть защитниками организма - искать и уничтожать угрозы, но для Алисы они стали опасностью и вышли из-под контроля. Ее рак был агрессивным. Химиотерапия, а затем пересадка костного мозга не смогли избавить ее от рака. Если бы не экспериментальное лекарство, единственным выходом было бы просто сделать Алиссу как можно более комфортной.
Редактирование оснований в базе генома позволяет ученым увеличить точную часть генетического кода и затем изменить молекулярную структуру только одного основания, преобразуя его в другое и изменяя генетические инструкции. Большая команда врачей и ученых использовала этот инструмент для создания нового типа Т-клеток, способных выслеживать и убивать раковые Т-клетки Алиссы. Они начали со здоровых Т-клеток, полученных от донора, и приступили к их модификации.
- Первая базовая модификация отключила механизм нацеливания Т-клеток, чтобы они не нападали на тело Алиссы.
- Вторая правка удалила химическую метку под названием CD7, которая есть на всех Т-клетках.
- Третья правка была плащом-невидимкой, который предотвращал гибель клеток от химиотерапевтического препарата.
Через один месяц у Алисы наступила ремиссия, но ей еще раз пересадили костный мозг, чтобы поддержать иммунитет, а через полгода после редактирования генома тесты раком отрицательные.
Алиса стала первой из 10 детей, которые пройдут клинические испытания. Ученые считают, что этот метод станет новой отраслью в медицине и совершит прорыв в лечении рака. Поскольку позволяет заставить иммунную систему убивать раковые опухоли.[4]
2021: Создание геномной ДНК, которая «размножается»
В конце ноября 2021 года профессор Нориказу Ичихаши и его коллеги из Токийского университета впервые успешно индуцировали экспрессию генов из ДНК, характерной для всего живого, и продемонстрировали эволюцию путем непрерывной репликации внеклеточно, используя только бесклеточные материалы, такие как нуклеиновые кислоты и белки. Способность размножаться и эволюционировать является одной из определяющих характеристик живых организмов.
Однако до конца октября 2021 года не было создано искусственных материалов с такими характеристиками. Для того, чтобы создать искусственную молекулярную систему, способную размножаться и эволюционировать, информация, закодированная в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), должна быть переведена в рибонуклеиновую кислоту (РНК), белки должны быть экспрессированы, а цикл репликации ДНК с этими белками должен продолжаться в системе в течение длительного времени. До сих пор не удавалось создать реакционную систему, в которой экспрессировались бы гены, необходимые для репликации ДНК, и одновременно эти гены выполняли бы свою функцию.
Группе удалось перевести гены в белки и реплицировать исходную циркулярную ДНК с переведенными белками с помощью циркулярной ДНК, несущей два гена, необходимых для репликации ДНК и бесклеточной системы. Более того, ученые также успешно усовершенствовали ДНК, превратив ее в ДНК с 10-кратным увеличением эффективности репликации, продолжая этот цикл репликации ДНК в течение примерно 60 дней. Добавив гены, необходимые для транскрипции и перевода, в искусственную геномную ДНК, разработанную группой ученых, со временем можно будет создать искусственные клетки, которые смогут расти автономно, просто подавая им низкомолекулярные соединения, такие как аминокислоты и нуклеотиды. В случае, если такие искусственные клетки удастся создать, можно ожидать, что полезные вещества, которые на ноябрь 2021 года производятся с помощью живых организмов, станут более стабильными и легко контролируемыми.
Данное исследование проводилось под руководством профессора Нориказу Ичихаши, научного руководителя проекта разработки саморегенерирующейся искусственной системы репликации-транскрипции-трансляции генома. В этой области исследований группа стремится выяснить основные принципы в отношении структуры и функции геномов для создания платформенной технологии использования клеток.[5]
2019
Всем новорожденным в Британии будут делать секвенирование генома
В начале ноября 2019 года министр здравоохранения Великобритании Мэтт Хэнкок (Matt Hancock) заявил, что всем британским новорожденным будут делать секвенирование генома. Подробнее здесь.
Первый в мире геном живого организма, полностью сгенерированный на компьютере
В начале апреля 2019 года было объявлено о создании первого генома живого организма, полностью сгенерированного на компьютере. Этим достижением отметились специалисты Швейцарской высшей технической школы Цюриха. По их словам, дальнейшее совершенствование технологии позволит получать полностью искусственные формы биологической жизни.
Ученые разработали новый метод, значительно упрощающий производство больших молекул ДНК, содержащих огромное количество генов. Такой способ помог им построить первый геном бактерии, полностью сгенерированный компьютером.
Специалисты работали с геномом безвредной бактерии вида Caulobacter crescentus, который содержит четыре тысячи генов. Такую бактерию часто можно обнаружить в реках и озерах по всему миру. В честь нее геном был назван Caulobacter ethensis-2.0.
К началу апреля 2019 года сгенерированный компьютером геном представляет собой одну большую молекулу ДНК, а не живой организм. Однако испытания показали, что 580 из 680 искусственных генов оказались функциональными, отметили исследователи.
Это объясняется тем, что в геноме бактерии записаны не только белковые последовательности, но и регуляторные участки и молекулы РНК, для работы которых сохранение правильной конформации очень важно. По-видимому, не все из них оказались известны заранее, и поэтому подверглись «оптимизации», которая их и сломала.
| | Благодаря полученным знаниям мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полностью функциональную версию генома 3.0. Мы полагаем, что скоро также будет возможно производить функциональные бактериальные клетки с таким геномом. В будущем это может привести к появлению синтетических микроорганизмов, которые могут быть созданы для конкретных целей — например, для синтезирования витаминов и лекарств, — отметил один из авторов исследования Бит Кристен.[6] | |
2016: Популяционные геномные исследования евразийцев и австралийцев
Проведены большие популяционные геномные исследования евразийцев и австралийцев, а также большое геномное исследование палеолитических европейцев.
2015: Секвенирован геном европейца с включениями из неандертальского генома
Секвенировали геном европейца с недавними включениями из неандертальского генома возраста 37-42 тыс. лет; проведено геномное исследование большой популяции европейцев и азиатов бронзового века, а также большое геномное исследование древних и современных коренных американцев, палеоэскимосов и инуитов.
2014: Секвенирован геном человека культуры кловис
Секвенировали геном человека культуры кловис, возраст 12,6 тыс. лет; секвенировали геном со стоянки Мальта, возраст 23 тыс. лет; секвенировали геном из Усть-Ишима, возраст 45 тыс. лет; секвенировали верхнепалеолитические возрастом 36-38 тыс. лет.
2011-2012: Получен геном австралийского аборигена и секвенировали геномы неолитических европейцев
Получен первый геном австралийского аборигена, секвенированный из пучка волос возрастом 90 лет. В 2012 году ученые секвенировали геномы неолитических европейцев.
2010: Расшифрован первый древний геном человека
Расшифрован первый древний геном человека; получены черновики первого генома неандертальца и первого генома денисовца; стартовал проект «1000 геномов».
1970-2020: Старт развития популяционной генетики
Активное развитие популяционной генетики началось с конца 70-х гг. ХХ в., но только в самые последние годы достигнуты значительные успехи в области расшифровки древнего и современного человеческого генома. Наибольший интерес у следящей за этой новой информацией публики вызывает сопоставление данных о палео-ДНК с информацией о генетических особенностях современных представителей того или иного этноса.
Какими данными о человеческом геноме оперируют современные палеогенетики? Речь идет об особых маркерах - последовательностях в наборах нуклеотидов, расположенных на трех основных составляющих передающегося по наследству генома человека - 23 пар хромосом, находящихся в ядре клетки, а также митохондриальной ДНК (мтДНК). Двадцать две парные хромосомы (аутосомы), две половые хромосомы X и Y, а также мтДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований нуклеотидов-органических соединений аденина (А) с тимином (Т) и гуанина (G) с цитозином (С).
Постепенно при передаче информации, закодированной в последовательностях цепочек нуклеотидов, накапливаются разнообразные мутации, которые закрепляются в ДНК и передаются по наследству. Набор информации с накопленными на конкретный момент мутациями ДНК называется гаплотипом, а группы родственных гаплотипов - гаплогруппами. При этом 22 аутосомные хромосомы формируются от обоих родителей, мтДНК наследуется только по материнской линии, хотя присутствует и у мужчин, и у женщин, а Y-хромосома передается только от отца к сыну.
Таким образом, в руки исследователей попадает интереснейший инструмент, который позволяет выстраивать генеалогические цепочки и связывать ушедшие поколения с ныне живущими по материнской (мтДНК) И отцовской (Y-хромосома) линии. Огромное количество аутосомных маркеров позволяет с высокой долей вероятности реконструировать некоторые особенности человеческого облика, например, цвет волос и радужной оболочки глаз или пигментацию кожи.
Анализ мтДНК у современных и древних популяций ведется достаточно давно - с 1990-х гг. Это связано как с ограниченным по количеству набором нуклеотидов, за ключенных в оболочке мтДНК (16,5 тыс. пар), так и с ее устойчивостью и хорошей сохранностью в палеоантропологическом материале. К настоящему времени накоплен обширный объем информации о мтДНК многочисленных народов Земли, рассчитан общий женский предок всего современного населения «митохондриальная Ева», проживавшая в Африке около 185 тыс. лет назад, - построено разветвленное дерево гаплогрупп мтДНК человека. Однако использование мтДНК в палеогенетике для изучения этногенеза осложняется социальными практиками людей - патрилокальными формами семейных отношений, которые характерны для большинства современных сообществ и с большой долей вероятности имели широкое распространение в древности. При такой форме брака генетический набор, на следуемый по отцовской линии, остается на месте либо перемещается вместе с популяцией, а мтДНК активно перемешивается вместе с приходом женщин в данную популяцию из других популяций. Эта особенность, которая приводит к большой гетерогенности исследуемых с точки зрения мтДНК популяций и осложняет выделение гаплогрупп, характерных для того или иного населения, уже отмечена в ходе многочисленных исследований современных и древних этносов.
C этой точки зрения гораздо больший потенциал сулит исследование Y-хромосомы, анализ которой вошел в арсенал эволюционной генетики лишь в самое последнее время. В этой хромосоме содержится значительно больше данных - до 60 млн пар нуклеотидов, а передача ее по наследству исключительно по мужской линии позволяет осуществлять пространственный анализ распространения тех или иных гаплогрупп и анализировать степень их участия в формировании того или иного этноса более обоснованно.[7]
Примечания
- ↑ Human genome stored on ‘everlasting’ memory crystal
- ↑ New DNA-editing mechanism discovered in bacteria may outshine CRISPR
- ↑ Scientists release a new human `pangenome` reference
- ↑ Base editing: Revolutionary therapy clears girl's incurable cancer
- ↑ Novel artificial genomic DNA can replicate and evolve outside the cell
- ↑ First computer-generated genome could lead to custom synthetic lifeforms
- ↑ Коробов Д.С. "Аланы Северного Кавказа: этнос, археология, палеогенетика" - СПб.: Нестор-История, 2019
