Генетика на пути к долголетию.

Генетика на пути к долголетию

«Если мы определим точный набор генов, обеспечивающих долголетие, то этим сможем узнать, какие белки нам необходимо применять в качестве терапии. Это позволит нам замедлить процесс старения. Мы должны рассматривать процесс старения как болезнь»

Доктор Дэвид Джемс – Лондонский Университетский Колледж

ПРЕДИСЛОВИЕ

Академик Иван Петрович Павлов утверждал, что максимальная продолжительность жизни человека потенциально заложена природой около 150 лет. О вечной жизни люди стали мечтать уже с тех пор, как начали понимать, что они смертны. Первыми кто стал искать возможность жить долго, были шумеры – жители первой на Земле высокоразвитой цивилизации. Об этом учёные – лингвисты узнали, расшифровав шумерский эпос о Гильгамеше. Если обратимся к религиозному источнику древних евреев Торе (у христиан это Ветхий Завет), то прочитаем там о жизни первых людей и все они обладали завидным долголетием. Так, по версии древних евреев первый человек на Земле Адам прожил 930 лет, его сын Сиф прожил 912 лет, сын Сифа Енос умер в возрасте 905 лет и так далее. В 400 – летнем списке царей Шумера и Аккада упоминается о царях, правящих своими государствами невероятно продолжительные сроки. Здесь же необходимо отметить, что шумеры более пяти тысяч лет назад обладали знаниями о структуре ДНК и проводили успешные эксперименты в области генной инженерии. На нескольких табличках с клинописными шумерскими письменами нанесены рисунки переплетённых змей, символизирующих изображение спирали ДНК.

Фото 1, 2. Символические изображения спирали молекулы ДНК на глиняных клинописных пластинках шумер.

Описания о жизни долгожителей, проживших более 300 лет, существуют в древних источниках Китая, Индии и многих других стран. Некоторые факты долгожительства людей зарегистрированы и в наше время. Так, например, в августе 1997 года в возрасте 122 года умерла жительница Франции Жанна Луиза Кальман, в августе 2001 года в Малазии скончался самый старейший житель планеты 144 – летний Омар Абас. В книге рекордов Гиннеса зарегистрированы и другие случаи долгожительства современных людей. Последние исследования, проведённые генетиками Британского Медицинского Колледжа имени Альберта Эйнштейна, которые сопоставив информацию о смертности, с демографическими данными жителей более 40 стран мира показали, что только один человек из 10 000 имеет уникальный шанс дожить до 125 лет, при соблюдении этим человеком определённых условий существования.

Естественно возникает вопрос: «Могут ли достижения в области генетики помочь людям стать долгожителями, достичь прогресса в исключении инфекционных и хронических заболеваний?» И ответ на этот вопрос должны были дать учёные, при проведении ими исследований в международном проекте «Геном человека».

РАЗДЕЛ 1

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»

После того, как в 1953 году американский биофизик Дж. Уотсон, совместно с британским биофизиком и генетиком Ф. Криком создали пространственную модель молекулы ДНК – главной молекулы живой клетки природы, перед учёными встала очень объёмная задача по определению структуры этой молекулы жизни. Возникла необходимость чётко определить нуклеотидную последовательность всей геномной ДНК человека (секвенирование генома) и произвести опознание (идетентификацию) генов и их распределение в геноме человека. Научный проект « Геном человека» - это международная программа, в которой ведущую роль принадлежала учёным США и Великобритании, непосредственное участие в которой принимали учёные Франции, Японии, Германии и Китая.

Цель исследований:

• идентификация генов, составляющих структуру молекулы ДНК;

• определение последовательности 3 – х миллиардов химических оснований ( нуклеотидной последовательности белков и нуклеиновых кислот) ДНК и РНК и составление базы данных;

• разработка новых и усовершенствование старых технических средств анализа полученных данных;

• разработка и внедрение новейших технологий излечения болезней человека, полученных по результатам исследования генома человека;

• разработка этических, правовых и социальных положений, связанных с возникающими вопросами в этих сферах в процессе расшифровки генома человека.

Проект «Геном человека» был запущен в 1990 году, руководителем проекта был назначен доктор Фрэнсис Коллинз. 6 июня 2000 года президент США и Премьер – министр Великобритании объявили миру о расшифровке человеческого генома, за исключением, ещё не расшифрованных его отдельных участков.

После расшифровки генома учёные обнаружили, что в геноме реально имеется значительно меньше генов, чем ожидалось до проведения исследований. Анализ полученного варианта генома человека выявил наличие в нём около 25 тысяч генов, хотя ранее предполагалось что их количество должно быть не менее 140 тысяч. До проведения исследований учёные предполагали, что каждый отдельный ген кодирует единственный белок. В результате исследований выяснилось, что единичный ген может кодировать 5 – 6 белков. Кроме того, учёным пришлось изменить свой взгляд и на саму сущность гена. Оказалось, что ген не только кодирует белок, но основное его назначение – передача наследственных функций. Выяснилось, что ген – это единица наследственности.

Как результат исполненного проекта был создан открытый банк генокода. Открытый доступ к расшифрованному геному человека дал «зелёный свет» к разработке нового научного направления в медицине – постгенной биологии. Среди значительной группы специалистов существует мнение, что основой многих заболеваний людей являются генетические заболевания, или мутации. Они могут выражаться в замене одного нуклеотида другим, а в некоторых случаях, и в потере целого фрагмента последовательностей ДНК, или его переноса на другое положение в гене. Такие мутации могут привести к изменениям структуры белка и его функции, а это, в свою очередь, может привести к изменениям регуляторных участков генов. Последствиями таких мутаций является гибель формируемых клеток. В обычных неполовых (соматических) клетках, на протяжении человеческой жизни может происходить накопление мутаций, которые и становятся причинами текущих заболеваний человека и по наследству не передаются. Мутации в половых клетках человека приводят к наследственным заболеваниям и передаются по наследству от родителей к детям. Благодаря открытиям, сделанным в процессе исследований генома человека, произошёл огромный прорыв в понимании того, каким образом унаследованные гены влияют на физические и психологические особенности человека. Выявлены и уже диагностируется целый ряд генетических заболеваний и предрасположениях к ним. И это происходит на самых ранних стадиях развития человеческого эмбриона. Учитывая, что ДНК играет решающую роль в молекулярной биологии, понимание процессов протекания заболеваний позволяет создавать новые терапевтические методы лечения этих заболеваний. Открывается путь лечения заболеваний путём замены повреждённых участков ДНК, уже в настоящее время разработаны простые способы проведения генетических тестов, позволяющих выявить предрасположения к таким заболеваниям как рак молочной железы, нарушению свёртывания крови, заболеваниям печени и другим заболеваниям. При этом выяснилось, что такие болезни как рак, диабет, болезнь Альцеймера связаны с огромным количеством индивидуальных мутаций одновременно в нескольких генах, в результате чего эти болезни трудно поддаются диагностике и воздействию на эти мутации медицинских препаратов. Но, несмотря на все затруднения с определением таких болезней, результаты исследований генома человека уже привели к созданию первых генетических лекарств против рака, которые блокируют эффекты генетических отклонений, приводящие к росту опухолей.

В проекте «Геном человека» были расшифрованы кусочки генокодов множества людей, которые затем были собраны в единое целое, в единый человеческий геном. В настоящее время происходит постоянное усовершенствование техники чтения последовательностей генов, становится возможным расшифровка генокодов всё большего количества людей и в недалёком будущем каждый человек будет иметь возможность получить на руки свой генокод.

РАЗДЕЛ 2

СИНТЕЗ МОЛЕКУЛЫ И ГЕНОВ ДНК. СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ – НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ И СОЗДАНИИ НОВЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Синтез молекулы ДНК (реплекация) – это образование новой молекулы данного вещества (организма) на базе исходной молекулы ДНК. В ходе деления клеток, каждая вновь образовавшаяся клетка получает свою молекулу ДНК, которая является точной копией исходной. Благодаря синтезу нуклеиновой кислоты обеспечивается полная передача наследственной информации из поколения в поколение. Причём, вся информация передаётся неизменной. Молекула ДНК является хранилищем генетической информации, от надёжной передачи этой информации от родителей к потомству зависит выживаемость вида. В этой информации передаётся потомству всё то, что получил этот вид в ходе эволюции.

Синтез молекулы ДНК у живых клеток происходит непосредственно в ядре клетки. Нуклеиновая кислота состоит из азотистых оснований: адеина (А), тимина (Т), цитозина (G), гуанина (Г). Сам процесс синтеза протекает следующим образом. Молекула ДНК состоит из двух спиралей и при делении клетки происходит её удвоение. Сначала расплетаются нити молекулы ДНК, а затем каждая нить достраивает комплементарную (взаимодополняющую) копию.

Комплементарность - это расположение пар азотистых оснований по определённому принципу: А (адеин) располагается против Т (тимина), а Г (гуанин) располагается против G (цитозина). Таким образом, получаются две нити молекулы ДНК, копирующие исходную ДНК.

Фото 3. Синтез молекулы ДНК

Примечание. На каждый полный виток спирали приходится 10 оснований. Один шаг спирали – это не расстояние между ближайшими выступами, а расстояние через один выступ. 1 Ангстрем = 10^-8 см.

Синтез генов в молекуле ДНК начинается с того исходного момента, когда учёные выбирают генетическую последовательность субъекта и далее, путём замены определённых нуклеотидов производят перестановки в кодонах, что приводит к изменениям в геноме субъекта. И эти изменения генома в окончательном виде делают его устойчивым, например, к вирусам или конкретным хроническим заболеваниям. Кодоны – это дискретные генетические единицы, каждая из которых состоит из трёх нуклеотидов (например, АТГ, или ТСG).

Продолжением международного проекта « Геном человека» стал новый международный проект Геном « Проджект – Ройт» (Джи –пи – Райт), участие в котором приняли сотни учёных многих стран мира, работая непосредственно в своих лабораториях над синтезом молекулы ДНК различных организмов, в том числе и синтезом молекулы ДНК человека. Штаб квартира этой сети научных биологических лабораторий расположена в новом Исследовательском Центре Горвардской Медицинской Школы.

Речь идёт о поисках возможностей не только заболеваний, но и создании новых клеток методами биоинженерии. На повестке дня стоит вопрос и о возможности создания методами биоинженерии некоторых органов человеческого организма. Это новое направление биологической науки – синтетическая биология. Это научное направление занимается проектированием и созданием биологических систем с заданными свойствами и функциями. Это направление способствует развитию генной инженерии, позволяет перемещать или изменять отдельные гены в геноме живых организмов, в том числе и в геноме человека. В конечном итоге методами синтетической биологии предусматривается возможность создания искусственных геномов живых организмов. Кроме того, учёные предполагают получить синтетические вакцины для борьбы с различными видами заболеваний.

В ходе проведения исследовательских работ по программе Геном «Джи – пи – Райт» учёные определили основные цели, которые они предполагают достичь, работая над этим проектом. Это:

• получить больше знаний о жизни, проектируя различные жизненные цепочки из синтетических атомов и молекул;

• проектирование и построение программируемых организмов;

• превращение генной инженерии в строгую научно обоснованную дисциплину;

• конструирование фрагментов молекул ДНК для их использования при лечении людей.

20 мая 2010 года на основе синтезированного генома, была создана первая, способная к размножению живая клетка. Этот искусственный живой организм был создан в Институте Крэйга Вентера – американского генетика, биолога, ключевой лидер в процессе расшифровки генома человека. На основе искусственной живой клетки, группа учёных, под руководством Крейга Вентера, предполагают решить задачу создания новых источников пищевого сырья, лекарств и вакцин, осуществить синтез чистой воды, определить способы борьбы с загрязнённой окружающей средой и другие проекты.

В 2017 году биологами в лаборатории Нью- Йоркского Университета были синтезированы шесть из 16 хромосом, составляющих геном пекарских дрожжей, а к концу 2018 года они планируют завершитьсинтез всех 16 хромосом. После чего планируется создать функционирующую дрожжевую клетку. Причём, самая длинная, из 16 синтезированных хромосом в геноме пекарских дрожжей, включает около миллиона пар нуклеотидов. В дальнейшем, на основе полученного опыта создания синтетической молекулы ДНК пекарских дрожжей, учёные предполагают начать исследования в определении возможностей изменения генома человека для создания устойчивых к вирусам клеток, некоторых синтетических органов и новых лекарств. В планах учёных предполагается рассмотреть возможность синтезировать мужскую половую хромосому (Y), так как она имеет минимальное количество генов, а это означает, что её легче будет построить – следовательно, вопрос уже идёт об основах кодирования человеческой жизни. А такая постановка вопроса требует незамедлительного рассмотрения этических, правовых и социальных норм, проблемы которых уже возникают в процессах синтезирования, проектирования и создания синтетических самовоспроизводящих форм жизни.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из далеко идущих результатов исследований в проекте «Геном человека» оказались результаты, полученные учёными Медицинского Колледжа имени Альберта Эйнштейна. Проанализировав геномы около 500 долгожителей и их детей, они выявили реально существующий ген долголетия. Открытие этого гена даёт возможность к разработке таких лекарств, которые позволят предотвратить развитие многих возрастных заболеваний, обеспечив тем самым нормальное функционирование организмов пожилых людей, значительно продлевая фазу их активной жизни.