8.1. Геномика и психогенетика

Геномика, пожалуй, самая молодая область генетики. Длительное время понятие "геном" определяли как совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом определенного биологического вида. Когда говорили о геноме человека, то имелся в виду гаплоидный набор хромосом вида "Homo sapiens" с содержащимися в нем генами. Сейчас положение кардинально изменилось. Во-первых, были накоплены сведения о внехромосомной ДНК, находящейся в цитоплазме и ядрах клеток вне хромосом. Во-вторых, оказалось, что ДНК - это не просто цепочка генов, следующих один за другим: структура и функции ее намного сложнее. Структурные гены, т.е. те, которые кодируют полипептидную цепь или молекулу РНК, занимают лишь небольшую часть ДНК (примерно 3-5%). Существует огромное количество межгенных участков с пока еще неясными функциями, образующих вместе с генами всю совокупность нуклеотидных последовательностей ДНК. В настоящее время геномом называется полный состав ДНК клетки.           Геномика изучает принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию. Геномика еще очень молода, но столь стремительно развивается, что в ее рамках уже появились самостоятельные направления: структурная геномика, функциональная геномика, медицинская геномика, компьютерная геномика, сравнительная геномика, эволюционная геномика, этническая геномика. Структурная геномика изучает нуклеотидные последовательности ДНК, в том числе строение и локализацию генов, определяет их границы, изучает строение межгенных участков, обеспечивающих регуляторные функции ДНК. В задачу структурной геномики входит построение генетических карт организма. Функциональная геномика решает вопросы, связанные с идентификацией функций отдельных участков генома, в том числе и структурных генов, а также механизмы их взаимодействия в клеточном ансамбле. С функциональной геномикой тесно связана еще одна молодая область молекулярной биологии - протеомика, изучающая функционирование белков в клетках. Геномика не может развиваться без современных компьютерных технологий, поскольку оперирует огромными базами данных (компьютерная геномика). Достижения структурной и функциональной геномики применяются в прикладных целях (медицинская геномика, сельскохозяйственная геномика). Сравнительная и эволюционная геномика изучает сходства и различия геномов разных организмов и происхождение генетического полиморфизма, свойственного всем живым организмам на Земле. Этническая геномика изучает особенности геномного полиморфизма отдельных популяций, рас, народностей.           Современные представления о геноме человека сложились благодаря нескольким открытиям молекулярной биологии (в 70-х гг.х ХХ столетия), позволившим получать неограниченные количества ДНК (открытие полимеразной цепной реакции - ПЦР) и расшифровывать последовательности нуклеотидов в ее цепях (секвенирование). Немаловажным фактором в стремительном прогрессе геномики была автоматизация процессов секвенирования и развитие информационных технологий. В США и Великобритании разработаны роботы-секвенаторы, которые были названы геномотронами. Эти приборы осуществляют до 100 000 полимеразных реакций в час. В течение недели секвенаторы могут осуществить расшифровку нуклеотидных последовательностей длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов. В результате создания высоких биотехнологий стало возможным в обозримые сроки просеквенировать весь геном человека, что и было выполнено примерно за 10 лет в результате действия международной и национальных программ проекта "Геном человека" (1990-2000).           Результатом этих работ стало получение информации не только о последовательности нуклеотидов всей ДНК человека, но и открытие громадного количества новых полиморфизмов - генетических вариантов последовательностей нуклеотидов одного и того же участка ДНК у разных людей.           Когда мы в теме 3 на примере групп крови системы АВ0 вводили понятие множественного аллелизма, мы фактически разбирали случай генетического полиморфизма у человека по определенным белкам крови. Аллели - это различные формы гена (отсюда - полиморфизм). Геномный полиморфизм представляет собой участки ДНК (функции которых могут быть в настоящее время неизвестны), варьирующие у отдельных индивидов. Любые изменения в ДНК ведут к возникновению генетического полиморфизма. Полиморфизм может возникать в результате замены или потери нуклеотидов. Это однонуклеотидный полиморфизм (рис. 8.1).

Полиморфизм может быть также результатом количественных изменений генома. В этом случае варьирует число нуклеотидных повторов. Полиморфизмы наблюдаются как в смысловых (экзоны), так и в несмысловых (интроны) участках генома. Однонуклеотидные полиморфизмы составляют основу генетической вариативности. Они встречаются по всему геному и отражают прошлые мутации. Вся длина генома составляет 3,2 млрд пар нуклеотидов. К 2001 г. идентифицировано и картировано 1,42 млн однонуклеотидных полиморфизмов. По расчетам генетиков, люди оказываются идентичными по нуклеотидным последовательностям на 99,9%. Таким образом, столь заметная вариативность между людьми возникает за счет различий лишь в 1% генома (Бочков Н.П., 2002). Данные секвенирования показали, что в геноме человека чуть более 30 000 генов, тогда как раньше считалось, что их, по крайней мере, в два-три раза больше. Большинство генов имеют размеры до 50 000 пар нуклеотидов. Число синтезируемых белковых продуктов превышает число генов в 1,5-2 раза. Это является результатом альтернативного сплайсинга при вырезании интронов (рис.8.2. a, b, c). Как размеры генов, так и число экзонов и интронов в них варьирует в довольно широких пределах (табл. 8.1 и 8.2)

Таблица 8.1

Классификация генов человека по размеру

Таблица 8.2

Распределение генов человека по размеру

Благодаря открытию геномного полиморфизма генетики получили широкие возможности для картирования генов, т.е. локализации генов на хромосомах. Распределенные по всему геному, полиморфизмы используются как генетические маркеры. Генетическими маркерами называются участки ДНК с известной локализацией и множественными аллельными формами. Они служат как бы опорными точками для картирования генов (подробнее об этом см. в следующем параграфе). Поиск генетических маркеров был одной из самостоятельных задач проекта "Геном человека". Концептуальная модель использования маркеров для локализации генов чрезвычайно проста. Если два индивида, связанные кровным родством, имеют идентичные маркеры, высока вероятность того, что рядом расположенные участки ДНК, в силу тесного сцепления, будут у них также идентичны. Если у этих родственников наблюдается к тому же одно и то же заболевание, т.е. они являются по нему конкордантными, можно предполагать, что ген болезни расположен рядом с маркером. Похожий принцип лежит и в основе картирования локусов количественных признаков (Quantitative Trait Loci - QTL), которые до недавнего времени, в отличие от признаков качественных, практически не могли быть картированы.           Основные молекулярные методы, разработанные на основе исследований генома человека и животных, были ассимилированы генетикой поведения и в настоящее время широко используются для локализации генов, связанных с различными психическими заболеваниями и отклонениями в развитии психики. Наиболее успешно решается проблема локализации генов моногенных заболеваний (фенилкетонурия, хорея Гентингтона), наследуемых по Менделю. Гораздо труднее идентифицировать гены, имеющие отношение к мультифакториальным заболеваниям (шизофрения, депрессия, алкоголизм и т.п.) или нормально варьирующим признакам (интеллект, темперамент, особенности личности).           Можно выделить три основных экспериментальных подхода, использующих молекулярные технологии при работе с людьми. Это различные варианты метода анализа сцепления, анализ ассоциаций и непосредственный анализ ДНК, т.е. определение последовательности нуклеотидов (секвенирование) и идентификация мутаций. Кроме исследований, ведущихся на человеке, современная психогенетика привлекает также методы моделирования на животных. Остановимся на каждом из этих подходов более подробно.