Специальные разделы геномики Синтетическая геномика Трансплантация

Специальные разделы геномики

Синтетическая геномика

Трансплантация генома • Эксперимент по созданию искусственной жизни заключался в следующем: учёные синтезировали геном одной бактерии и внедрили его в клетку бактерии другого вида. Полученный организм с оболочкой бактерииреципиента Mycoplasma capricolum оказался идентичным бактерии-донору — Mycoplasma mycoides. Так впервые достоверно было показано, что ДНК действительно содержит полную информацию о работе всей живой клетки.

• Mycoplasma mycoides.

• ДНК синтезировали по частям, которые потом соединили вместе. Молекулярный конструктор собирали в клетках кишечной палочки — E. coli, а затем в клетках дрожжей. И только после этого синтетическую ДНК ввели в клетку Mycoplasma capricolum.

Элемент жизни • Определение «минимального» генома, обеспечивающего все необходимые функции, которые позволяют одноклеточному организму существовать в определённой среде весьма актуально. Решение этой проблемы необходимо для понимания происхождения жизни на Земле, что включает в себя изучение путей генетической эволюции и механизма происхождения геномов как таковых. Кроме того, «минимальная» клетка станет базисом для изучения всех генов, необходимых для жизнедеятельности.

• Работы в этом направлении ведутся в основном с бактериями рода Mycoplasma. Геномы микоплазм очень малы (от 580 до 1400 тысяч пар оснований) и хорошо изучены. Самыйсамый короткий геном у Mycoplasma genitalium. Его длина — около 580 тысяч пар оснований, которые составляют 485 генов.

• Предлагаемый гипотетический минимальный набор генов (по последним расчётам группы Вентера — от 310 до 388 генов) должен включать следующие жизненно важные генетические системы микроорганизмов, среди которых: гены трансляции, репликации, репарации, транскрипции; гены, контролирующие анаэробный метаболизм; гены биосинтеза липидов; гены системы транспорта белков; набор генов, обеспечивающих транспорт метаболитов; полный набор генов утилизации нуклеотидов и гены их биосинтеза. Гены биосинтеза аминокислот микроорганизмам-паразитам не нужны.

Метагеномика • Метагено мика — раздел молекулярной генетики, в котором анализируются материалы, полученные из некультивированных образцов в результате изучения генов и генома живых организмов.

• Метагеномика» — раздел молекулярной генетики, изучающий «метагеном» — генетический материал, получаемый напрямую из образцов среды. Так же эта область знаний называется «геномика окружающей среды» или «эко геномика» .

Разделы метагеномики • Метагеномика окружающей среды — изучающая метагеномы биогеоцинозов — озер, морей, болот, почвы и прочее. Здесь основной интерес ученых лежит в исследовании синергии действия множества микроорганизмов для получения конкретных результатов, напр. очистка воды или утилизация отходов. • Метагеномика организма человека — сравнение бактериальных сообществ организмов людей разного возраста, происхождения и состояния здоровья позволит установить, каким образом микроорганизмы предотвращают или повышают риск развития определенных заболеваний, а также возможные методы управления этими механизмами.

Метагеномика бактериопланктона • Метагеномика изучает генетический материал всех членов целого сообщества. Схема метагеномного анализа в последнее время была модернизирована: раньше ДНК выделялась из природной пробы воды и создавалась библиотека векторов с последующим физиологическим или генетическимскринингом и определением нуклеотидной последовательности. Методы секвенирования нового поколения позволилиисключить затратный по времени и приложенным усилиям процесс создания библиотеки клонов

• Схема метагеномного анализа в последнее время была модернизирована: раньше ДНК выделялась из природной пробы воды • и создавалась библиотека векторов с последующим физиологическим или генетическим скринингом и определением нуклеотидной • последовательности методы секвенирования нового поколения позволили исключить затратный по времени и приложенным усилиям процесс создания библиотеки клонов

• В пробах бактериопланктона с поверхности океана были найдены гены, ответственные за потребление моноксида углерода и восстановленной серы Впоследствии было обнаружено, что соответствующие биогеохимические функции действительно были свойственны исследованному сообществу бактериопланктона. Однако в некоторых случаях наблюдаемый состав метагенома противоречит основной метаболической специализации бактериопланктонного сообщества

Проблемы метагеномики • Для метагеномного анализа особенно важна репрезентативность пробоотбора • Традиционные методы отбора проб бактериопланктона, применяемые в том числе и для метагеномного анализа, не учитывают различия в образе жизни бактерий и часто упускают сосредоточения микробной активности и взаимодействия между микроорганизмами • Трудность сборки последовательностей генов из небольших секвенированных фрагментов • Не всегда удаётся достичь достаточного перекрытия последовательностей сборки генов всех организмов, особенно тех, чья доля в сообществе невелика; • Невозможно функционально охарактеризовать гены, которые кодируют белки с неизвестными функциями

Метагеном человека • Стоимость секвенирования генома человека за последние три года уменьшилась почти в 100 раз и продолжает быстро снижаться. Совершенствование NNG технологий секвенирования ДНК в ближайшем будущем приведет к преодолению очередного ценового рубежа (1000$ за геном) и вызовет кардинальные перемены во многих областях биологии и медицинской генетики, что приведет к персонализации медицины. Технологический бум в данной области молекулярной генетики позволяет предположить, что постепенно метагеномика заменит ПЦР-диагностику. • В 2011 году в Росcии также был объявлен грант на исследования в области Метагеномики.

Популяционная геномика

• Структура генофонда, и в первую очередь паттерны его изменчивости в географическом пространстве выявляется на основе экспериментальных исследований: в экспедициях собираются биологические образцы от населения разных территорий, в образцах определяются характеристики ДНК тех или иных отделов генома (генетические маркеры) и разные популяции сравниваются друг с другом.

• В качестве генетических маркеров или их аналогов могут выступать самые различные признаки (от митохондриальной ДНК, Y-хромосомы, полных последовательностей генома до групп крови, антропологических характеристик и даже фамилий), но результаты их изучения обычно выявляют одни и те же закономерности в структуре генофонда

• Динамику генофонда во времени можно изучать ретроспективно, и экспериментально. • Традиционный, ретроспективный путь основан на реконструкции истории генофонда по его современной географической изменчивости Не имея формальной логической неопровержимости (всегда можно предложить альтернативную, пусть и маловероятную, гипотезу) это направление основывается на огромном массиве экспериментальных данных, опирается на твердо установленные закономерности, позволило сформулировать ключевые вопросы об истории генофонда человечества и установить спектр возможных ответов на них. • Экспериментальный путь основан на прямом анализе древней ДНК; он, неопровержим логически, но беден твердо установленными фактами.

• Значимость изучения генофондов проявляется в трех основных областях: • медицине • криминалистике • гуманитарных науках

Исследования полиморфизма • анализ ассоциаций полиморфизмов с заболеваниями • системная биология

анализ ассоциаций полиморфизмов с заболеваниями • основан на статистическом выявлении взаимосвязей между геномными вариациями и риском заболеваний • Например: исследования ассоциаций позволили установить взаимосвязь ряда полиморфизмов с предрас- положенностью к раку кожи

Системная биология • метод предсказания эффекта единичных замен нуклеотидов in silico, основанный на информации о структурнофункциональной аннотации генома человека и особенностей его функционирования в рамках модели генных и метаболических сетей. Этот подход основан на том, что ОНП в генах могут влиять на человеческий фенотип на разных уровнях экспрессии гена: полиморфизмы в некодиру ющих регуляторных областях могут вносить повреждения в последовательности сайтов связывания транскрипционных факторов, сплайсинга, нарушая их функционирование на уровне транскрипции или трансляции. Полиморфизмы в кодирующих участках генов могут становиться причиной аминокислотных замен и приводить к изменениям функциональных или структурных свойств кодируемого белка. В совокупности такие повреждения на уровне отдельных генов могут влиять на функционирование генных сетей

Этногеномика • Основной задачей этногеномики является изучение геномного разнообразия в генофонде отдельных популяций, этносов, этнотерриториальных общностей. • Этническая геномика играет важную роль не только в биологии и медицине, она стала оказывать влияние на такие гуманитарные дисциплины, как, например, история.

• Хотя основные принципы организации генома общие для всех людей, существует множество фрагментов генома, которые могут значительно различаться у разных индивидуумов. • Такие различающиеся участки генома называются полиморфными, и именно они обеспечивают значительное многообразие генотипов.

теория мультирегиональной эволюции. • постулирует множественность очагов происхождения современного человека. Каждый очаг базируется на переходе более древнего человека Homo erectus в современного Homo sapiens. При этом предполагается, что в европейском очаге осуществлялся переход от Homo erectus к неандертальцу, а затем к Homo sapiens. Сторонники этой теории, отстаивая возможность столь сходного изменения человека в различных регионах, считают, что постоянный поток генов (обмен генами) обеспечивал чрезвычайно быстрое распространение высокоадаптивных новаций (например, усложненный мозг). И этот поток направлял все популяции человека на один и тот же эволюционный путь – к современному человеку.

«Из Африки» • 1 млн лет назад на различных континентах популяции человека следовали различным эволюционным траекториям, достигнув наивысшего развития около 100 тыс. лет назад. При этом в Восточной Азии популяция людей образовалась в результате эволюции Homo erectus, в Европе – популяция на основе неандертальцев. А в Африке возникла популяция современных или почти современных людей, которые около 60 тыс. лет назад распространились по другим континентам, заместив неандертальцев и восточных азиатов без генного обмена и скрещивания. В менее экстремальных вариантах этой теории допускается некоторый обмен между распространившимися современными людьми и архаичными местными популяциями.

Спасибо за внимание!