Геном и функциональная геномика

В 23 видах хромосом человека содержатся десятки тысяч генов, в которых имеется несколько миллиардов нуклеотиндых пар. Вся эта совокупность генов, представленных в наборе хромосом человека, обозначается в понятии геном. Начало 21 века ознаменовалось блестящим открытием, осмысление значения которого со временем будет постоянно возрастать, - была завершена расшифровка полного генома человека и возникла наука о геноме живого организма, структуре и функциях всех его генов. Эту науку назвали геномикой. Работы по расшифровке человеческого генома начались в 1989 г., практически цель была достигнута в 2001 г, и вплоть до настоящего времени ведутся исследования по уточнению данных. При этом установлены следующие факты: 1) геном человека содержит около 24 800 генов (из них более трёх тысяч рассматриваются как потенциальные биомишени); 2) наследственные гены, по которым воспроизводится в целом человеческий организм, составляют всего 5% от его генома; 3) остальная часть генома состоит в основном из (а) транспозонов (перемещающихся участков ДНК, которые формируют и изменяют структуру генома; (б) “молчащих” генов (многократно повторяющихся последовательностей нуклеотидов). В геноме шимпанзе, как и у человека, насчитывается около 25 тысяч генов (25 молекул ДНК, включающих 3, 1 млрд нуклеотидов), причём последовательности нуклеотидов совпадают в этой паре видов живых существ на 96, 0-98, 8%. Наибольшее различие зафиксировано среди генов, связанных с восприятием запахов. Весьма важным с точки зрения создания эффективных лекарств для человека является наличие у шимпанзе гена, который предохраняет обезьяну от старческой болезни Альцгеймера.

В связи с полной расшифровкой генома человека утвердился новой подход в создании ЛВ - принцип функциональной геномики. Он основан на знаниях как структуры генома, так и функциях тех его участков, которые кодируют и передают информацию по синтезу нуклеиновых кислот, полипептидов и белков. Раскрытие структуры (карты) генома и изучение функций генов человека позволяют медицине становиться всё более превентивной, возрастает роль профилактики благодаря появлению способности выявлять возможность возникновения какой-либо генетической болезни у каждого человека заранее. Это приводит к существенно большей целенаправленности в создании соответствующих лекарств высокоизбирательного действия. Для предсказания вероятности проявления подобной болезни достаточно будет проанализировать даже не весь генетический “портрет-паспорт” человека, а только определённую часть генома на наличие единичных различий (“однобуквенный” мутагенный эффект) в коде аминокислот, которые могут привести к заболеванию. Решение этой задачи становится вполне реальным благодаря недавней разработке методов масс-спектрометрического анализа макромолекулярных полинуклеотидов. После выявления подобных нарушений химики могут синтезировать нужные ЛВ, исправляющие эти дефекты. Таким образом, на настоящее время основной задачей становится нахождение генов, контролирующих биосинтез функциональных олигопептидных и белковых молекул (включая биорецепторы), которые являются биомишенями для уже известных веществ. Так, найден ген, который контролирует биосинтез белка, ответственного за отложение амилоидных бляшек в сосудах мозга. Знание этого факта поможет в создании лекарств в борьбе с болезнями Альцгеймера и Дауна. Систематические работы по расшифровке геномов других организмов начались в 1980-х годах, и к 2006 году установлено строение геномов около 100 бактерий, что открыло новую перспективу для синтеза препаратов узконаправленного действия против патогенных микроорганизмов и вредителей сельскохозяйственных растений. Эти знания позволят создать новые синтетические пестицидные структуры мощного селективного действия, а также вещества, увеличивающие урожайность и устойчивость культурных растений к засухе, перепадам температуры и другим неблагоприятным явлениям окружающей среды.

Первым расшифрованным растительным геномом был геном сорняка арабидопсиса, состоящий из 120 млн. пар оснований в 25 тыс. генов. В геноме риса Oryza sativa содержится 466 млн. пар оснований, заключённых в 45-56 тыс. генах. Определены также геномы нематоды - круглого почвенного червя (около 17-22 тыс. генов), плодовой мухи дрозофилы (13, 5-15 тыс. генов), малярийного комара (13 600 генов). Геном полевой мыши, включающий около 30 тыс. генов, как оказалось, не сильно отличается от от генома человека (24 847 генов).

В связи с этими данными философско-поэтический образ Г. Державина – “Я царь, я раб, я бог, я червь”, - получает некоторое “научное подтверждение”.

Недавнее открытие в геноме дрозофилы гена развившейся устойчивости к хлорорганическому инсектициду ДДТ (ген DDT-R) даёт новые перспективы для синтеза пестицидных и регуляторных веществ. Была раскрыта функция этого гена в организме плодовой мушки. Оказалось, что ген DDT-R контролирует уровень важнейшего гемопротеида- цитохрома Р-450. Этот сложный белок содержит протопорфириновую простетическую группу (гем) и обладает ферментатиной функцией расщепления инсектицида ДДТ и других ядохимикатов. Цитохром Р-450 имеется у всех живых существ в малых концентрациях. Теперь установлено, что, по крайней мере, у дрозофилы количество этого фермента резко возрастает при появлении гена резистенции DDT-R. Благодаря подобному научному открытию важность принципа функциональной геномики-протеомики резко возрастает в деле синтеза и поиска веществ, которые могут воздействовать как на гены резистенции к инсектицидам у вредных насекомых, так и на белковые структуры, синтезируемые в их организмах под его контролем.