При розшифровці геному дрозофіли було встановлено. Повний геном одного біологічного виду знайдено іншому. Порівняльна та функціональна геноміка рослин
) виявили в геномі плодової мушки ( Drosophila ananassae) повну копію геному бактерії-паразита Wolbachia.
Бактерія вольбахія проживає у цитоплазмі клітин господаря і відома тим, що навчилася тонко регулювати розмноження, розвиток і навіть еволюцію своїх господарів. Тому її часто називають «мікробом-маніпулятором» або «володарем мух» (оскільки проживає вона в клітинах комах).
Дослідження почалося з того, що Джулі Даннінг-Хотопп (Julie Dunning-Hotopp) з JCVI виявила, як деякі гени вольбахії "кооперуються" з генами дрозофіли, ніби вони є частинами одного геному.
Майкл Кларк (Michael Clark) – науковий співробітник університету Рочестера – поселив колонію Drosophila ananassaeу лабораторії, щоб разом з Уерреном зрозуміти, у чому секрет.
Ген вольбахії у геномі дрозофіли (ілюстрація University of Rochester).
«Протягом кількох місяців я думав, що в чомусь помиляюся, — каже Кларк, — я навіть припустив, що виробилася стійкість до антибіотика, адже кожен ген вольбахії я виявляв знову і знову. Коли ж я нарешті взяв тканини, які дали спокій кілька місяців тому, то саму вольбахію не виявив».
Зараз Уеррен і Кларк намагаються зрозуміти, у чому перевага вбудовування такого великого шматка ДНК для дрозофіли — можливо, «чужі» гени надають господареві нові можливості.
А так гени вольбахії переходять у ДНК хазяїна (ілюстрація Nicolle Rager Fuller, National Science).
Результати проведеного дослідження опубліковано у статті у журналі Science. У ній автори припускають, що горизонтальна передача генів (передача генів між видами, що не є спорідненими) відбувається між бактеріями та багатоклітинними організмами в нашому світі значно частіше, ніж передбачалося раніше.
Розшифровка молекулярно-генетичних механізмів маніпуляцій, які здійснюються вольбахією зі своїми господарями, дасть людині потужні нові засоби впливу на живі організми та природу в цілому.
Втім, не всі комахи схильні до поганого впливу вольбахії. Наприклад, метелики з островів Самоа "навчилися" захищати своїх самців. Цікаво, чи навчаться боротися з нею малярійні комарі, яких хочуть заразити цією бактерією?
Зразок Всеросійської Перевірочної роботи з біології
11 клас
Інструкція з виконання роботи
Перевірна робота включає 14 завдань. На виконання роботи з біології приділяється 1 година 30 хвилин (90 хвилин).
Відповідями до завдань є послідовність цифр, число, слово (словосполучення) або коротка вільна відповідь, яка записується у відведеному для цього місці роботи. У разі запису невірної відповіді закресліть його та запишіть поруч новий.
Під час виконання завдань Ви можете користуватися чернеткою. Записи в чернетці не враховуються під час оцінювання роботи. Радимо виконувати завдання у тому порядку, в якому вони надані. Для економії часу пропускайте завдання, яке не вдається виконати відразу, та переходьте до наступного. Якщо після виконання усієї роботи у Вас залишиться час, Ви зможете повернутися до пропущених завдань.
Бали, отримані Вами за виконані завдання, підсумовуються.
Намагайтеся виконати якомога більше завдань і набрати найбільшу кількість балів.
Пояснення до зразка всеросійської перевірочної роботи
Ознайомлення із зразком перевірочної роботи слід пам'ятати, що завдання, включені до зразка, не відбивають всіх умінь і питань змісту, які перевірятимуться у рамках всеросійської перевірочної роботи. Повний перелік елементів змісту та умінь, які можуть перевірятися у роботі, наведено у кодифікаторі елементів змісту та вимог до рівня підготовки випускників для розробки ВПР з біології. Призначення зразка перевірочної роботи полягає в тому, щоб дати уявлення про структуру ВПР, кількість і форму завдань, про рівень їх складності.
1. У досвіді експериментатор висвітлив частину краплі з амебами, що знаходяться в ній. Через нетривалий час найпростіші почали активно рухатися в одному напрямку.
1.1. Яка властивість організмів ілюструє досвід?
Пояснення: виділяють 7 властивостей живих організмів (саме за цими ознаками живе відрізняється від неживого): харчування, дихання, подразливість, рухливість, виділення, розмноження, зростання. Амеби зі світлої частини краплі рухаються в темну, тому що реагують на світло, тобто вибираємо властивість – подразливість.
Відповідь: дратівливість.
1.2. Наведіть приклад такого явища у рослин.
Пояснення: тут можемо написати будь-який приклад реакції (прояви подразливості) у рослин.
Відповідь: закриття ловчого апарату у хижих рослин АБО поворот листя до сонця або рух соняшника протягом дня за сонцем АБО вигини стебел через зміну ландшафту (довкілля).
2. На узліссі живе і взаємодіє безліч рослин, тварин, грибів та мікроорганізмів. Розгляньте групу, до якої входять гадюка, орел, їжака збірна, живородна ящірка, коник звичайний. Виконайте завдання.
2.1. Підпишіть зображені на фотографіях та малюнку об'єкти, що входять до зазначеної групи.
1 - живородна ящірка
2 - гадюка
3 - їжака збірна
4 - коник звичайний
5 - орел
2.2. Розподіліть ці організми за їх становищем у харчовому ланцюгу. У кожну комірку запишіть номер або назву одного з об'єктів групи.
Харчовий ланцюг: їжака збірна - коник звичайний - живородна ящірка - гадюка - орел.
Пояснення: харчовий ланцюг починаємо з продуцента (зеленої рослини - виробника органічних речовин) - їжака збірна, потім, консумент 1-го порядку (консументи споживають органічні речовини і мають кілька порядків) - коваль звичайний, живородна ящірка (консумент 2-го) гадюка (консумент 3-го порядку), орел (консумнт 4-го порядку).
2.3. Як позначиться чисельності орлів скорочення кількості їжаки збірної? Відповідь обґрунтуйте.
Відповідь: при скороченні чисельності їжаки збірної зменшується чисельність всіх наступних компонентів і, зрештою, орлів, тобто чисельність орлів знижується.
3. Розгляньте малюнок, на якому представлена схема кругообігу вуглецю в природі. Вкажіть назву речовини, позначеної знаком питання.
Пояснення: знаком питання позначено вуглекислий газ (СО2), так як при спалюванні, диханні і розкладанні органічних речовин утворюється СО2, а при фотосинтезі він утворюється (а ще розчиняється у воді).
Відповідь: вуглекислий газ (СО2).
4. Петро змішав у 25 пробірках рівні кількості ферменту та його субстрату. Пробірки залишалися на однаковий час за різних температур, вимірювалася швидкість реакції. За результатами експерименту Петро побудував графік (по осі х відкладена температура (у градусах Цельсія), а по осі у - швидкість реакції (в ум. од.).
Опишіть залежність швидкості ферментативної реакції від температури.
Відповідь: при підвищенні температури до 30С швидкість реакції збільшується, далі починає зменшуватися. Оптимум температури – 38С.
5. Встановіть послідовність підпорядкування елементів біологічних систем, починаючи з найбільшого.
Пропущені елементи:
1 людина
2. Біцепс
3. М'язова клітина
4. Рука
5. Амінокислота
6. Білок актин
Запишіть відповідну послідовність цифр.
Пояснення: має елементи, починаючи з найбільшого рівня:
людина - організмна
рука – органний
біцепс - тканинний
м'язова клітина – клітинний
білок актин – молекулярний (білки складаються з амінокислот)
амінокислота – молекулярний
Відповідь: 142365.
6. Білки виконують безліч важливих функцій в організмах людини та тварин: забезпечують організм будівельним матеріалом, є біологічними каталізаторами чи регуляторами, забезпечують рух, деякі транспортують кисень. Для того, щоб організм не мав проблем, людині на добу необхідно 100-120 г білків.
6.1. Використовуючи дані таблиці, розрахуйте кількість білків, яку людина отримала під час вечері, якщо в її раціоні було: 20 г хліба, 50 г сметани, 15 г сиру та 75 г тріски. Відповідь округліть до цілих.
Пояснення: у 100 г хліба тримається 7,8 г білків, тоді у 20 г хліба в 5 разів менше білків – 1,56 г. У 100 г сметани міститься 3 г білка, тоді у 50 г у 2 рази менше – 1,5 м. У 100 г сиру – 20 г білка, у 15 г сиру – 3 г, у 100 г тріски – 17,4 г білка, у 75 г тріски – 13,05 г.
Разом: 1,56 + 1,5 + 3 + 13,05 = 19, 01 (що приблизно дорівнює 19).
Відповідь: 19 р.
АБО
6.1.Людина випила чашку міцної кави, що містить 120 мг кофеїну, який повністю всмоктався і рівномірно розподілився по крові та інших рідин тіла. У досліджуваної людини об'єм рідин тіла можна вважати рівним 40 л. Розрахуйте, через який час (год) після прийому кофеїн перестане діяти на цю людину, якщо кофеїн перестає діяти при концентрації 2 мг/л, а концентрація його знижується за годину на 0,23 мг. Відповідь округліть до десятих.
Пояснення: 120 мг кофеїну розподілилися по організму людини обсягом 40 л, тобто концентрація стала 3 мг/л. При концентрації 2 мг/л кофеїн припиняє діяти, тобто діє лише 1 мг/л. Щоб дізнатись кількість годин, розділимо 1 мг/л на 0,23 мг (зниження концентрації на годину), отримаємо 4,3 години.
Відповідь: 4,3 години.
6.2. Назвіть один із ферментів, що виробляється залозами травної системи:
Відповідь: стінки шлунка виробляють пепсин, який у кислому середовищі розщеплює білки до дипептидів. Ліпаза розщеплює ліпіди (жири). Нуклеази розщеплюють нуклеїнові кислоти. Амілаза розщеплює крохмаль. Мальтаза розщеплює мальтозу до глюкози. Лактаха розщеплює лактозу до глюкози та галактози. Потрібно написати один фермент.
7. Визначте виникнення хвороб, наведених у списку. Запишіть номери кожної із хвороб у списку у відповідну комірку таблиці. У осередках таблиці може бути записано кілька номерів.
Список хвороб людини:
1. Гемофілія
2. Вітряна віспа
3. Цингу
4. Інфаркт міокарда
5. Холера
Пояснення: див. Хвороби людини для ВПР
8. У медичній генетиці широко використовується генеалогічний метод. Він заснований на складанні родоводу людини та вивченні успадкування тієї чи іншої ознаки. У таких дослідженнях використовуються певні позначення. Вивчіть фрагмент родоводу однієї сім'ї, у деяких членів якої зрослася мочка вуха.
Використовуючи запропоновану схему, визначте домінантною або рецесивною є дана ознака і чи зчеплена вона зі статевими хромосомами.
Пояснення: ознака є рецесивним, оскільки у першому поколінні не виявляється зовсім, тоді як у другому поколінні проявляється лише в 33% дітей. Ознака зі статтю не зчеплена, тому що проявляється і у хлопчиків і у дівчаток.
Відповідь: рецесивний, зі статтю не зчеплений.
9. Володимир завжди хотів мати жорстке волосся, як у його тата (домінантна ознака (А)). Але волосся в нього було м'яке, як у мами. Визначте генотипи членів сім'ї за ознакою якості волосся. Відповіді занесіть до таблиці.
Пояснення: м'яке волосся - рецесивна ознака (а), батько за даною ознакою гетерозиготний, тому що син гомозиготний рецесивний (аа), як і мати. Тобто:
Р: Аа х аа
Г: А, а х а
F1: Аа - 50% дітей з твердим волоссям
аа – 50% дітей з м'яким волоссям.
Відповідь:
| Мати | Батько | Син |
| аа | Аа | аа |
10. Катерина вирішила здати кров як донора. При заборі крові з'ясувалося, що у Катерини ІІІ група. Катерина знає, що в її матері перша група крові.
10.1. Якої групи може бути кров у отця Катерини?
Пояснення: виходячи з даних таблиці, у батька Катерини може бути III чи IV група крові.
Відповідь: III чи IV.
10.2. Керуючись правилами переливання крові, визначте, чи Катерина може бути донором крові для свого батька.
Пояснення: Катерина з першою групою крові є універсальним донором (за умови збігу резус-факторів), тобто від неї можна перелити кров батькові.
Відповідь: може.
11. Функцією зображеного на малюнку органоїду є окислення органічних речовин та запасання енергії при синтезі АТФ. У цих процесах важливу роль відіграє внутрішня мембрана органіду.
11.1. Як називається цей органоїд?
Відповідь: на малюнку зображено мітохондрію.
11.2. Поясніть, як упаковка внутрішньої мембрани в органоїді пов'язана з функцією, що виконується ним.
Відповідь: за допомогою складок внутрішньої мембрани збільшує внутрішню поверхню органоїду і може окислитися більша кількість органічних речовин, а також виробитися більша кількість АТФ на АТФ-синтазах - ферментативних комплексах, що виробляють енергію у вигляді АТФ (головної енергетичної молекули).
12. Фрагмент іРНК має таку послідовність:
УДЦГААУГУУУЦЦУГ
Визначте послідовність ділянки ДНК, що послужила матрицею для синтезу цієї молекули РНК, та послідовність білка, яка кодується цим фрагментом іРНК. Під час виконання завдання скористайтеся правилом комплементарності та таблицею генетичного коду.
Правила користування таблицею
Перший нуклеотид у триплеті береться із лівого вертикального ряду; другий - з верхнього горизонтального ряду та третій - з правого вертикального. Там, де перетнуться лінії, що йдуть від усіх трьох нуклеотидів, і знаходиться амінокислота, що шукається.
Пояснення: розділимо послідовність на триплет (по три нуклеотиди): УГЦ ГАА УГУ УУГ ЦУГ. Запишемо відповідну послідовність нуклеотидів у ДНК (зворотну комплементарну послідовність нуклеотидів, враховуємо, що А-Т (РНК У), Г-Ц.
Тобто ланцюг ДНК: АЦГ ЦТТ АЦА ААУ ГАУ.
По послідовності РНК знаходимо відповідну послідовність амінокислот. Перша амінокислота - цис, далі глу, цис, лей, лей.
Білок: цис-глу-цис-лей-лей.
12.3. При розшифровці геному томату було встановлено, що у фрагменті молекули ДНК частка тиміну становить 20%. Користуючись правилом Чаргаффа, що описує кількісні співвідношення між різними типами азотистих основ ДНК (Г+Т = А+Ц), розрахуйте кількість (%) у цій пробі нуклеотидів з цитозином.
Пояснення: якщо кількість тиміну – 20%, то кількість аденіну теж 20% (оскільки вони комплементарні). На гуанін та цитозин залишається 60% (100 - (20 + 20)), тобто по 30%.
Відповідь: на цитозин припадає 30%.
13. Сучасну еволюційну теорію можна як наступної схеми.
Відповідь: ймовірно, предки жирафа мали різну довжину шиї, але так як жирафам потрібно було дотягуватися до високо зростаючого зеленого листя, виживали жирафи тільки з довгою шиєю, тобто найбільш пристосовані (ця ознака прикріплювалася з покоління в покоління, це призвело до зміни генетичного складу популяції. ). Таким чином, у ході природного відбору вижили лише особини з найдовшою шиєю та довжина шиї поступово збільшувалася.
14. На малюнку зображено кордаїт - вимерла деревна голонасінна рослина, що мешкала 370-250 млн років тому.
Використовуючи фрагмент геохронологічної таблиці, визначте еру та періоди, в яких жив цей організм. Які рослини були їхніми можливими предками?
Геохронологічна таблиця
Пояснення: голонасінні, мабуть, з'явилися на Палеозойську епоху. Періоди: Перм, Карбон (можливо, Девон). Виникли від деревоподібних папоротей (в палеозойську епоху досягли розквіту більш примітивні рослини, а голонасінні широко поширилися і досягли розквіту в Мезозойську епоху).
Ера: Палеозойська
Періоди: Перм, Карбон, Девон
Можливі предки: деревоподібні папороті
2 018 Федеральна служба з нагляду у сфері освіти та науки Російської Федерації
Стрибаючі гени
У середині минулого століття американська дослідниця Барбара Макклінток виявила у кукурудзи дивовижні гени, здатні самостійно змінювати своє становище на хромосомах. Зараз їх називають «стрибають гени» або транспозабельні (мобільні) елементи. Відкриття довгий час не визнавали, вважаючи мобільні елементи унікальним явищем, характерним лише кукурудзи. Однак саме за це відкриття в 1983 році Макклінток була удостоєна Нобелівської премії - на сьогодні гени, що стрибають, виявлені практично у всіх вивчених видів тварин і рослин.
Звідки взялися гени-стрибунці, що вони роблять у клітці, чи є від них користь? Чому при генетично здорових батьках сім'я плодової мушки дрозофіли через гени, що стрибають, може з великою частотою виробляти мутантне потомство або навіть зовсім виявитися бездітною? Яка роль генів, що стрибають, в еволюції?
Треба сказати, що гени, які забезпечують роботу клітин, розташовані в хромосомах у порядку. Завдяки цьому для багатьох видів одноклітинних та багатоклітинних організмів вдалося побудувати так звані генетичні карти. Однак між генами перебуває на порядок більше генетичного матеріалу, ніж у них самих! Яку роль відіграє ця «баластна» частина ДНК, до кінця не встановлено, але саме тут найчастіше і виявляють мобільні елементи, які не лише самі переміщуються, але можуть прихоплювати із собою сусідні фрагменти ДНК.
Звідки ведуть своє походження гени-стрибунці? Припускають, що принаймні частина їх веде своє походження від вірусів, оскільки деякі мобільні елементи здатні формувати вірусні частинки (як, наприклад, мобільний елемент gipsy у плодової мушки Drosophila melanogaster). Частина мобільних елементів з'являється у геномі шляхом так званого горизонтального перенесенняз інших видів. Наприклад, встановлено, що мобільний hobo-Елемент (у перекладі російською він так і називається - бродяга) Drosophila melanogasterнеодноразово заново впроваджувався геном цього виду. Є версія, що автономність і схильність до «бродяжництва» можуть мати деякі регуляторні ділянки ДНК.
Корисний баласт
З іншого боку, більшість стрибаючих генів, незважаючи на назву, веде себе струнко, хоча і становить п'яту частину від усього генетичного матеріалу Drosophila melanogasterчи майже половину людського геному.
У надмірності ДНК, про яку згадувалося вище, є свій плюс: баластна ДНК (у тому числі і пасивні мобільні елементи) бере на себе удар у разі застосування геном чужорідної ДНК. Імовірність того, що новий елемент вбудується в корисний ген і цим порушить його роботу, знижується, якщо баластної ДНК набагато більше, ніж значущої.
Деяка надмірність ДНК корисна так само, як і «надмірність» букв у словах: ми пишемо «Марія Іванівна», а говоримо «Марівана». Частина букв неминуче губиться, але зміст залишається. Той самий принцип працює і лише на рівні значимості окремих амінокислот у молекулі білка-ферменту: суворо консервативна лише послідовність амінокислот, яка формує активний центр. Таким чином, на різних рівнях надмірність виявляється своєрідним буфером, який забезпечує резерв міцності системи. Ось так і мобільні елементи, що втратили рухливість, виявляються не марними для геному. Як то кажуть, «з худої вівці хоч вовни жмут», хоча, можливо, тут краще підійшло б інше прислів'я - «кожне лико в рядок».
Мобільні елементи, що зберегли здатність стрибати, переміщуються хромосомами дрозофіли з частотою 10 -2 -10 -5 на ген за покоління залежно від типу елемента, генетичного фону та зовнішніх умов. Це означає, що один із ста стрибаючих генів, що знаходяться в клітині, після чергового клітинного поділу може змінити свою позицію. В результаті через кілька поколінь розподіл мобільних елементів хромосомою може змінитися дуже істотно.
Вивчати такий розподіл зручно на політенних (багатонитчастих) хромосомах із слинних залоз личинок дрозофіли. Ці хромосоми в багато разів товщі за звичайні, що значно спрощує їх дослідження під мікроскопом. Як виходять такі хромосоми? У клітинах слинних залоз ДНК кожної з хромосом множиться, як із звичайному клітинному розподілі, але сама клітина у своїй не ділиться. У результаті число клітин у залозі не змінюється, зате за 10-11 циклів у кожній хромосомі накопичується кілька тисяч однакових ниток ДНК.
Почасти саме завдяки політенним хромосомам гени, що стрибають, у дрозофіли вивчені краще, ніж у інших багатоклітинних. Внаслідок цих досліджень з'ясувалося, що навіть усередині однієї популяції дрозофіли важко знайти дві особини, які мають хромосоми з однаковим розподілом мобільних елементів. Невипадково вважається, що більшість спонтанних мутацій у дрозофіли викликана переміщенням цих «стрибунців».
Наслідки можуть бути різними…
По впливу геном активні мобільні елементи можна розділити на кілька груп. Частина їх виконує функції, винятково важливі та корисні для геному. Наприклад, тіломірнаДНК, розташована на кінцях хромосом, у дрозофіли якраз і складається з спеціальних мобільних елементів. Ця ДНК вкрай важлива - втрата її спричиняє втрату всієї хромосоми в процесі клітинного поділу, що призводить клітини до загибелі.
Інші мобільні елементи – відверті «шкідники». Принаймні такими їх вважають зараз. Наприклад, мобільні елементи класу R2 можуть специфічно впроваджуватися в гени членистоногих, що кодують один із білків рибосом - клітинних «фабрик» із синтезу білка. Особи з подібними порушеннями виживають тільки тому, що при цьому в геномі ушкоджується лише частина з багатьох генів, що кодують ці білки.
Є й такі мобільні елементи, які переміщуються лише у репродуктивних тканинах, які продукують статеві клітини. Це пояснюється тим, що в різних тканинах той самий мобільний елемент може виробляти різні за довжиною і функцією молекули білка-ферменту, необхідного для переміщення.
Прикладом останніх може бути Р-елемент Drosophila melanogaster, що потрапив до її природних популяцій шляхом горизонтального перенесення з іншого виду дрозофіл не більше ста років тому. Однак на Землі зараз навряд чи знайдеться населення Drosophila melanogaster, в якій не знайшовся б Р-елемент. У цьому треба сказати, що більшість його копій дефектна, більше - практично скрізь виявлено той самий варіант дефекту. Роль останнього в геномі своєрідна: він «нетерпимий» до своїх побратимів і відіграє роль репресора, блокуючи їхнє переміщення. Отже, захист геному дрозофіли від стрибків «чужинця» може частково здійснюватися його ж похідними.
Головне – правильно обрати батьків!
Більшість стрибків мобільних елементів не позначається на зовнішньому вигляді дрозофіли, тому що припадає на баластну ДНК, але бувають інші ситуації, коли активність їх різко зростає.
Як не дивно, найпотужнішим фактором, що індукує переміщення генів, що стрибають, є невдалий підбір батьків. Наприклад, що вийде, якщо схрещувати самок із лабораторної популяції Drosophila melanogaster, які не мають Р-елементи (тому що їхні предки були виловлені з природи близько ста років тому), з самцями, що несуть Р-елемент? У гібридів через бурхливе переміщення мобільного елемента може з'явитися багато різноманітних генетичних порушень. Це явище, назване гібридним дисгенезом, спричинене тим, що в материнській цитоплазмі відсутній репресор, який забороняє переміщення мобільного елемента.
Таким чином, якщо женихи з популяції А та нареченої з популяції Б можуть створити багатодітні сім'ї, то протилежне не завжди вірне. Сім'я з генетично здорових батьків може зробити велику кількість мутантних або безплідних нащадків, або навіть зовсім виявитися бездітною, якщо тато і мама мають у геномі різний набір мобільних елементів. Особливо багато порушень з'являється, якщо експеримент проводити при температурі 29 ° С. Вплив зовнішніх факторів, накладаючись на генетичний фон, посилює ефект невідповідності геномів, хоча самі по собі ці фактори (навіть іонізуюча радіація) поодинці не здатні викликати такі масові переміщення мобільних елементів.
Подібні події у Drosophila melanogasterможуть статися за участю та інших сімейств мобільних елементів.
«Мобільна» еволюція
Клітинний геном можна як свого роду екосистему з постійних і тимчасових членів, де сусіди непросто співіснують, а й взаємодіють друг з одним. Взаємодія хазяйських генів з мобільними елементами поки що погано вивчена, але результатів його можна навести безліч - від загибелі організму у разі пошкодження важливого гена до відновлення раніше пошкоджених функцій.
Трапляється, що й самі гени, що стрибають, взаємодіють один з одним. Так, відомо явище, що нагадує імунітет, коли мобільний елемент не може впровадитися в безпосередній близькості від того, що вже є. Однак не всі мобільні елементи настільки делікатні: наприклад, Р-елементи можуть легко впроваджуватися один в одного і виводити побратимів з гри.
Крім того, в геномі існує своєрідна саморегуляція числа мобільних елементів. Справа в тому, що мобільні елементи можуть обмінюватися один з одним гомологічними ділянками – цей процес називається рекомбінацією. Внаслідок такої взаємодії мобільні елементи можуть залежно від своєї орієнтації втрачати ( делеція) або розгортати ( інверсія) фрагменти господарської ДНК, розташовані між ними. Якщо губиться значний шматок хромосоми, геном загине. У разі інверсії або невеликої делеції створюється різноманітність хромосом, що вважається необхідною умовою для еволюції.
Якщо рекомбінації відбуваються між мобільними елементами, які у різних хромосомах, то результаті утворюються хромосомні перебудови, які за наступних клітинних поділах можуть призвести до незбалансованості геному. А незбалансований геном, як і незбалансований бюджет, дуже погано ділиться. Тож загибель невдалих геномів – одна з причин, чому активні мобільні елементи не заполонюють хромосоми безмежно.
Напрошується природне питання: наскільки значущий внесок мобільних елементів у еволюцію? По-перше, більшість мобільних елементів впроваджується, грубо кажучи, куди доведеться, у результаті вони можуть пошкодити чи змінити структуру чи регуляцію гена, куди впровадилися. Тоді природний відбір відкидає невдалі варіанти, а вдалі варіанти з адаптивними властивостями закріплюються.
Якщо ж наслідки застосування мобільного елемента виявляться нейтральними, такий варіант може зберегтися у популяції, забезпечивши деяке розмаїтість структури гена. Це може стати в нагоді за несприятливих умов. Теоретично при масовому переміщенні мобільних елементів мутації можуть з'явитися у багатьох генах одночасно, що може бути дуже корисним при різкій зміні умов існування.
Отже, підсумуємо: мобільних елементів у геномі багато, і вони різні; вони можуть взаємодіяти як один з одним, так і з господарськими генами; можуть шкодити та бути незамінними. Нестабільність геному, спричинена переміщенням мобільних елементів, може закінчитися трагедією для особини, але вміння швидко змінюватися – необхідна умова виживання популяції чи виду. Завдяки цьому створюється різноманітність, що є базою для природного відбору та подальших еволюційних перетворень.
Можна провести деяку аналогію між генами, що стрибають, і іммігрантами: деякі іммігранти або їх нащадки стають рівноправними громадянами, іншим дають посвідку на проживання, третіх - тих, хто не дотримується законів, - депортують або садять у в'язницю. А масові переселення народів можуть швидко змінити саму державу.
Література
Ратнер В. А., Васильєва Л. А. Індукція транспозицій мобільних генетичних елементів стресовими впливами. Російська палітурка. 2000.
Гвоздєв В. А. Рухливі ДНК еукаріотів // Соросівський освітній журнал. 1998. № 8.
У 05.09.2011 о 09:36, Лімарьов сказав:
Лимарєв В.М.
Розшифровка геному людини.
Фрагмент із книги Л.Г. Пучко: «Радіетезичне пізнання людини»
Для вирішення завдань щодо розшифрування геному було організовано міжнародний проект «геном людини» з бюджетом у мільярди доларів.
До 2000 року карта геному людини було практично складено. Гени порахували, ідентифікували та зафіксували в базах даних. Це величезні масиви інформації.
Запис геному людини в оцифрованому вигляді займає близько 300 терабайт комп'ютерної пам'яті, що еквівалентно 3 тисяч жорстких дисків ємністю по 100 гігабайт.
Виявилося. Що в людини не сотні тисяч, як передбачалося раніше, а трохи більше ніж 30 тисяч генів. У мухи - дрозофіли, їх всього вдвічі менше - близько 13 тисяч, а у миші майже стільки ж, як у людини. Унікальних для людини генів у розшифрованому геномі всього близько 1%. Більшу частину спіралі ДНК, як виявилося, займають не гени, а так звані «порожні ділянки», в яких гени просто незакодовані, а також подвійні фрагменти, що повторюються один за одним, сенс і значення яких неясен.
Одним словом, гени виявилися навіть не цеглинами життя, а лише елементами креслення, якими будується будинок організму. Цеглини, як і вважалося до розквіту генетики, це білки.
Стало абсолютно очевидним, що в 1% унікальних для людини генів не може бути закодований такий величезний обсяг інформації, що відрізняє людину від миші. Де зберігається вся інформація. Для багатьох учених стає безперечним факт, що без Божественного початку не можна пояснити природу людини. Низка вчених припускають, що в рамках існуючих уявлень про організм людини розшифрувати геном людини в принципі неможливо.
Світ не пізнаний - він пізнаний (мої коментарі до статті).
1) Розглянемо фрагмент: «Без Божественного початку не можна пояснити природу людини».
Викладена вище інформація аж ніяк не говорить про це.
Геном, справді, має складнішу структуру, ніж передбачалося раніше.
Але ж, і згаданий у статті комп'ютер, не складається лише з осередків пам'яті.
Комп'ютер має дві пам'яті: довготривалу та оперативну, а також процесор, в якому йде обробка інформації. Бере участь у обробці інформації та електромагнітному полі. Щоб розшифрувати інформацію геному необхідно розуміти, як відбувається, як зберігання інформації, а й її обробка. Я припускаю так само думку, що частина інформації зберігатиметься записана за допомогою електромагнітного поля. А так само поза людиною, як я вже писав, у спеціальних інформаційних центрах Вищого Розуму.
Ось уявіть собі безперервний текст закодований двійковим кодом 0 або 1 азбуки Морзе, при цьому ви не знаєте якою це мовою (англійською або французькою ....) написано, і ви не знаєте що цей суцільний текст складається зі слів, пропозицій, абзаців, глав, томів, полиць, шаф тощо.
Ось і в біології майже те саме, тільки закодовано тут все чотиризначним кодом і ми розшифрували поки що порядок елементарних генів + - / *, але мови не знаємо і відповідно слів, речень, абзаців, розділів, томів, полиць, шаф тощо. Розшифрований геном для нас, це поки що суцільний текст 4х злачного коду і вивчити це все в лоб практично не можливо.
Але виявляється, у певні перероди часу (і в індивідуума, і його когорти поколінь і у виду, роду) деякі гени та їх комплекси (відповідальні за слова, речення, абзаци, глави, томи, полиці, шафи тощо) активні , а в інші періоди еволюції пасивні, що я опосередковано і визначив за різними полігенними ознаками (що показано у темі Загальний періодичний закон Еволюції).
Існують поки що тільки два методи дослідження генів, це простий лабораторний підрахунок суми генів (ДНК) в пробі і є прилад, що підраховує кількість виробленої РНК білків. прилиплих на електронний чіп виробленихконкретним ДНК, але так як у кожен момент часу активно величезна кількість ДНК і відповідно через РНК виробляється величезна кількість різних білків, то в цьому супі колупаючи розділяти "цю локшину ложкою, виделкою та японськими паличками" і знайти при цьому те, що ти шукаєш дуже важко - Виявити причинно-наслідкові зв'язки між конкретним ДНК (як комплекс ДНК) та його впливом на полігенну ознаку.
Схоже я знайшов простий метод як у всьому цьому супі ДНК, РНК і з їх білками визначальних ступінь полігенної ознаки можна розібратися.
Як з'ясувалося, що кожна полігенна ознака в порядку еволюції індивідуума (когорти поколінь, виду та роду) періодичний отже повинні бути переодичні за активністю РНК і ДНК і отже всього лише треба знайти (спочатку надаваючись у генетичні подробиці) кореляцію між метричною зміною полігенної ознаки (у індивідуума, когорти поколінь, виду, роду...) та пропорційної цим періодам відповідної активності РНК, ДНК.
Видавництво «БІНОМ. Лабораторія знань» видає книгу спогадів вченого-генетика Крейга Вентера «Розшифроване життя». Крейг Вентер відомий роботами з прочитання та розшифрування геному людини. У 1992 році він заснував Інститут досліджень геному (TIGR). 2010 року Вентер створив перший у світі штучний організм – синтетичну бактерію Mycoplasma laboratorium. Ми пропонуємо вам ознайомитися з одним із розділів книги, в якій Крейг Вентер розповідає про роботу 1999–2000 років із секвенування геному мухи дрозофіли.
Вперед і тільки вперед
Фундаментальні аспекти спадковості виявилися, на наш подив, досить прості, а тому з'явилася надія, що, можливо, природа не така вже не пізнавана, а її неодноразово проголошувана різними людьми незбагнення - просто ще одна ілюзія, плід нашого невігластва. Це вселяє в нас оптимізм, оскільки, якби світ був настільки складним, як запевняють деякі наші друзі, біологія не мала б жодного шансу стати точною наукою.
Томас Хант Морган. Фізичні засади спадковості
Багато хто питав мене, чому з усіх живих істот на нашій планеті я вибрав дрозофілу; інших цікавило, чому я одразу не перейшов до розшифрування геному людини. Справа в тому, що нам була потрібна основа для майбутніх експериментів, ми хотіли бути впевненими в правильності нашого методу, перш ніж витратити майже 100 мільйонів доларів на секвенування геному людини.
Маленька дрозофіла зіграла величезну роль розвитку біології, особливо генетики. Рід дрозофіли включає різних мушок – оцтових, винних, яблучних, виноградних, а також фруктових – всього близько 26 сотень видів. Але варто вимовити слово «дрозофіла», і будь-який учений одразу подумає про один певний вид – Drosophilamelanogaster. Через те, що вона швидко і легко розмножується, ця крихітна мушка є для біологів-еволюціоністів модельним організмом. Вони використовують її, щоб пролити світло на диво творіння – від моменту запліднення до становлення дорослого організму. Завдяки дрозофілам було зроблено чимало відкриттів, у тому числі виявлено гомеобоксмісні гени, що регулюють загальну будову всіх живих організмів.
Кожен, хто вивчає генетику, знайомий із дослідами на дрозофілі, виконаними Томасом Хантом Морганом, батьком американської генетики. У 1910 році він помітив серед звичайних червонооких мушок мутантів чоловічої статі з білими очима. Він схрестив білооку чоловічу особину з червоноокою жіночою особиною і виявив, що їхнє потомство вийшло червонооким: білоокість виявилася рецесивною ознакою, і тепер ми знаємо: щоб у мушок були білі очі, потрібні дві копії гена білоокості, по одному від кожного батька. Продовжуючи схрещувати мутантів, Морган виявив, що тільки у чоловічих особин проявляється ознака білих очей, і зробив висновок, що ця ознака пов'язана із статевою хромосомою (Y-хромосомою). Морган та його учні вивчали успадковані ознаки у тисяч плодових мушок. Сьогодні експерименти з дрозофілою ведуться в лабораторіях молекулярної біології всього світу, де цю маленьку комаху вивчають понад п'ять тисяч людей.
Я на власному досвіді зрозумів всю важливість дрозофіли, коли використовував бібліотеки її кДНК генів при дослідженні адреналінових рецепторів і виявив у мушки їхній еквівалент – октопамінові рецептори. Це відкриття вказувало на спільність еволюційної спадковості нервової системи мушки та людини. Намагаючись розібратися в бібліотеках кДНК мозку людини, шляхом комп'ютерного зіставлення генів людини з генами дрозофіли знайшов гени з подібними функціями.
Проект секвенування гена дрозофіли був запущений у 1991 році, коли Джеррі Рубін з Каліфорнійського університету в Берклі та Аллен Спредлінг з інституту Карнегі вирішили, що настав час взятися за це завдання. У травні 1998 року 25% секвенування було вже завершено, і я вніс пропозицію, яка, за словами Рубіна, була «надто хорошою, щоб від неї відмовитися». Моя ідея була досить ризикованою: тисячам дослідників плодової мушки з різних країн слід уважно вивчити кожну букву отриманого нами коду, порівнюючи її з високоякісними, еталонними даними самого Джеррі, а потім зробити висновок про придатність мого методу.
Вихідний план передбачав завершення секвенування геному мушки протягом шести місяців - до квітня 1999 року, щоб потім розпочати атаку на геном людини. Мені здавалося, це найефектніший і найзрозуміліший спосіб продемонструвати, що наш новий метод працює. А якщо в нас нічого не вийде, вважав я, то краще в цьому швидко переконатись на прикладі дрозофіли, ніж працюючи над геномом людини. Але, правду кажучи, повна невдача була б найбільш вражаючим провалом в історії біології. Джеррі теж ризикував своєю репутацією, тому всі Celera були сповнені рішучості підтримати його. Я попросив Марка Адамса очолити нашу частину проекту, і оскільки у Джеррі в Берклі теж була першокласна команда, наша співпраця йшла як по маслу.
Насамперед постало питання про чистоту ДНК, яку нам потрібно було секвенувати. Як і люди, мушки різняться на генетичному рівні. Якщо генетичних варіацій у популяції більше 2%, і ми маємо 50 індивідуумів, що відрізняються в обраній групі, то розшифровка виявляється дуже складною. Насамперед Джеррі довелося провести інбридинг мушок максимально можливою мірою, щоб надати нам однорідний варіант ДНК. Але для забезпечення генної чистоти інбридингу було недостатньо: при витягуванні ДНК мушки існувала небезпека забруднення генетичним матеріалом із клітин бактерій, що перебувають у їжі мушки чи її кишечнику. Щоб уникнути цих проблем, Джеррі вважав за краще отримувати ДНК із мушиних ембріонів. Але і з клітин ембріонів доводилося спочатку виділяти ядра з потрібної нам ДНК, щоб не забруднювати її позаядерної ДНК мітохондрій – «силових установок» клітини. В результаті ми отримали пробірку з каламутим розчином чистої дрозофільної ДНК.
Влітку 1998 року команда Хема, маючи таку чисту ДНК мушки, розпочала створення бібліотек її фрагментів. Сам Хем найбільше любив розрізати ДНК і з'єднувати отримані фрагменти внахлест, знизивши чутливість свого слухового апарату, щоб ніякі сторонні звуки не відволікали його від роботи. Створення бібліотек мало започаткувати масштабне секвенування, але поки що всюди лунали лише звуки дриля, стукіт молотків і верещання пилок. Поруч постійно муляла очі ціла армія будівельників, а ми продовжували вирішувати найважливіші проблеми – усунення несправностей у роботі секвенаторів, роботів та іншого обладнання, намагаючись не за роки, а за лічені місяці створити з нуля справжню «фабрику» секвенування.
Перший секвенатор ДНК моделі 3700 був доставлений в Celera 8 грудня 1998 і зустрінутий з великим захопленням і загальним подихом полегшення. Пристрій витягли з дерев'яного ящика, помістили до кімнати без вікон у підвалі - його тимчасовий притулок, і одразу приступили до пробних випробувань. Коли він заробив, ми отримали дуже якісні результати. Але ці перші екземпляри секвенаторів працювали дуже нестабільно, а деякі були несправні від початку. З працюючими також постійно виникали проблеми, часом мало не щодня. Наприклад, у програмі управління роботом-маніпулятором з'явилася серйозна помилка - іноді механічна рука робота на великій швидкості висувалась над пристроєм і з розмаху врізалася у стіну. В результаті секвенатор зупинявся, і для його ремонту доводилося викликати ремонтну бригаду. Деякі секвенатори виходили з ладу через блукаючі лазерні промені. Для захисту від перегріву використовувалися стрічки з фольги та скотчу, оскільки при високій температурі з послідовностей випаровувалися забарвлені у жовтий колір фрагменти Gs.
Хоча пристрої тепер постачалися регулярно, близько 90% із них із самого початку були несправні. Деякі дні секвенатори взагалі не працювали. Я твердо вірив у Майка Ханкапілера, проте моя віра сильно завагалася, коли він став звинувачувати в невдачах наших співробітників, будівельний пил, найменші коливання температури, фази Місяця і таке інше. Деякі з нас від стресу навіть посивіли.
3700-ті, що не подають ознак життя, очікують відправки назад в ABI, стояли в кафетерії, і, зрештою, дійшло до того, що нам доводилося обідати практично в «морзі» секвенаторів. Я був у розпачі - адже мені щодня потрібна була певна кількість працюючих пристроїв, а саме 230! За приблизно 70 мільйонів доларів компанія ABI обіцяла надати нам або 230 абсолютно справних пристроїв, які працюють без перебоїв цілий день, або 460, які працювали хоча б півдня. Крім того, Майку слід подвоїти кількість кваліфікованого технічного персоналу для негайного ремонту секвенаторів після поломки.
Однак який інтерес займатися всім цим за ті самі гроші! До того ж у Майка з'явився ще один клієнт – державний геномний проект, керівники якого вже почали закуповувати сотні пристроїв без жодного тестування. Майбутнє Celera залежало від цих секвенаторів, але Майк, мабуть, не розумів, що майбутнє ABI від них залежало. Конфлікт був неминучим, що й виявилося на важливій нараді інженерів ABI та моєї команди, що відбулася в Celera.
Після того, як ми повідомили про величезну кількість дефектних приладів і про те, як багато часу потрібно виправити поломки секвенаторів, Майк знову спробував звалити всю провину на моїх співробітників, але навіть його власні інженери з ним не погодилися. Зрештою втрутився Тоні Уайт. "Мені все одно, скільки це коштує і кого потрібно прибити за це", - сказав він. Тоді він вперше і востаннє справді став на мій бік. Він наказав Майку якнайшвидше забезпечити постачання нових секвенаторів, навіть на шкоду іншим клієнтам і навіть якщо поки невідомо, скільки це коштуватиме.
Тоні також розпорядився, щоб Майк найняв ще двадцять фахівців для оперативного ремонту та визначення причин усіх проблем. Насправді це було легше сказати, ніж зробити, бо досвідчених працівників не вистачало. Почати з того, що Ерік Ландер переманив двох із найкваліфікованіших інженерів, і на думку Майка, тут теж були винні ми. Повернувшись до Марка Адамса, Майк сказав: «Ви мали найняти їх раніше, ніж це зробив хтось інший». Після такої заяви я остаточно втратив до нього будь-яку повагу. Адже згідно з нашим договором, я не міг наймати співробітників ABI, тоді як Ландер та інші керівники державного проекту геному мали на це право, тому дуже скоро найкращі інженери ABI почали працювати на наших конкурентів. До кінця наради я зрозумів - проблеми залишилися, але промінь надії на покращення все-таки заміг.
Так і сталося, хоч і не відразу. Наш арсенал секвенаторів збільшився з 230 до 300 пристроїв, і якщо 20-25% з них відмовляли, ми все-таки мали близько 200 секвенаторів, що працюють, і абияк справлялися з поставленими завданнями. Технічні співробітники працювали героїчно та неухильно збільшували темп ремонтних робіт, скорочуючи простої. Весь цей час я думав про одне: те, що ми робимо, здійснимо. Невдачі виникали з тисячі причин, але провал не входив до моїх планів.
Ми всерйоз взялися за секвенування геному дрозофіли 8 квітня приблизно тоді, коли вже мали завершити цю роботу. Я, звичайно, розумів, що Уайт хоче мене позбутися, але робив все від мене залежне заради виконання головного завдання. Напруження й занепокоєння переслідували мене й удома, але з найбільшою «довіреною особою» я ці проблеми обговорювати не міг. Клер відверто демонструвала свою зневагу, бачачи, наскільки я поглинений справами Celera. Їй здавалося, що я повторюю ті самі помилки, які робив, працюючи у TIGR/HGS. До 1 липня я почував себе глибоко пригніченим, як це вже було у В'єтнамі.
Оскільки конвеєрний метод поки що у нас не працював, ми мали важку виснажливу працю - заново «склеювати» фрагменти геному. Щоб виявляти збіги і не відволікатися на повтори, Джин Майєрс запропонував алгоритм на основі ключового принципу мого варіанта методу дробовика: секвенувати обидва кінці всіх отриманих клонів. Оскільки Хем отримував клони трьох точно відомих розмірів, ми знали, що дві кінцеві послідовності знаходяться на певній відстані один від одного. Як і раніше, цей спосіб «знаходження пари» дасть нам чудову нагоду знову зібрати геном.
Але оскільки кожен кінець послідовності секвенувався окремо, для забезпечення чіткої роботи цього методу складання потрібно було вести ретельний облік - для абсолютної впевненості, що ми змогли правильно з'єднати всі пари кінцевих послідовностей: адже якщо хоч одна зі ста спроб приведе до помилки і не знайдеться відповідна пара для послідовності, все піде нанівець і метод не спрацює. Один із способів уникнути цього - використання штрих-коду та датчиків для відстеження кожного етапу процесу. Але на початку роботи лаборанти не мали необхідного програмного забезпечення та обладнання для секвенування, тому доводилося робити все вручну. У Celera невелика команда, менш як двадцять осіб, щодня обробляла рекордну кількість клонів - 200 тисяч. Ми могли передбачити деякі помилки, наприклад, неправильне прочитання даних з 384 лунок, а потім використовувати комп'ютер для знаходження явно помилкової операції і виправити положення. Звичайно, ще залишалися окремі недоліки, але це лише підтверджувало майстерність команди та впевненість, що ми можемо усувати помилки.
Незважаючи на всі складнощі, ми зуміли за чотири місяці прочитати 3156 мільйонів послідовностей, всього близько 1,76 мільярдів нуклеотидних пар, що містяться між кінцями 1,51 мільйона клонів ДНК. Тепер настала черга Джина Майєрса, його команди та нашого комп'ютера – треба було скласти всі ділянки разом у хромосоми дрозофіли. Чим довше ставали ділянки, тим менш точним виявлялося секвенування. У разі дрозофіли послідовності налічували в середньому 551 нуклеотидну пару, середня точність була 99,5%. Якщо мати 500-літерні послідовності, майже будь-який може визначити місця збігів, пересуваючи одну послідовність вздовж іншої доти, доки не виявляться збіги.
Для секвенування Haemophilus influenzae ми мали 26 тисяч послідовностей. Для порівняння кожної з них з рештою потрібно було б зробити 26 тисяч порівнянь у квадраті, або 676 мільйонів. Геном дрозофіли, з його 3,156 мільйона прочитань, зажадав би близько 9,9 трильйона порівнянь. У випадку людини та миші, де ми зробили 26 мільйонів прочитань послідовності, потрібно близько 680 трильйонів порівняння. Тому не дивує, що більшість учених дуже скептично ставилися до можливого успіху цього методу.
Хоча Майєрс і обіцяв усе налагодити, у нього постійно виникали сумніви. Тепер він працював дні і ночі безперервно, виглядав змученим і якось посірів. До того ж він мав проблеми в сім'ї, і він став більшу частину вільного часу проводити з журналістом Джеймсом Шривом, який писав про наш проект і як тінь стежив за перебігом досліджень. Намагаючись якось відволікти Джина, я взяв його з собою на Кариби - розслабитися і бути схожим на вітрило на моїй яхті. Але й там він годинами сидів, скрючившись над ноутбуком, насупивши чорні брови і жмуривши свої чорні очі від яскравого сонця. І, незважаючи на неймовірні труднощі, Джин та його команда зуміли за півроку згенерувати понад півмільйона рядків комп'ютерного коду для нового асемблера.
Якби результати секвенування були повністю точними, без повторюваних ДНК, складання геному була б відносно нескладним завданням. Але насправді геноми містять велику кількість повторюваних ДНК різного типу, різної довжини та частоти. З короткими повторами, що складаються з менш як п'яти сотень пар нуклеотидів, впоратися відносно легко, з довшими повторами - складніше. Для вирішення цієї проблеми ми використовували метод «знаходження пари», тобто секвенували обидва кінці кожного клону та отримували клони різної довжини для забезпечення максимальної кількості збігів.
Алгоритми, закодовані в півмільйоні рядків комп'ютерного коду команди Джина, передбачали поетапний сценарій - від самих «нешкідливих» дій, наприклад простого перекриття двох послідовностей, до складніших, наприклад використання виявлених пар для злиття острівців послідовностей, що перекрилися. Це було схоже на додавання головоломки, коли невеликі острівці зібраних ділянок складаються разом і утворюють великі острови, а потім весь процес повторюється знову. Тільки ось у нашій головоломці було 27 мільйонів фрагментів. І було дуже важливо, щоб ділянки бралися з послідовності високої якості складання: уявіть собі, що буде, якщо ви збираєте пазл, а кольори чи зображення його елементів нечіткі та розмиті. Для далекого порядку послідовності геному значна частка прочитань повинна бути у вигляді пар, що збігаються. Враховуючи, що результати все ще відстежувалися вручну, ми з полегшенням виявили, що 70% послідовностей, які були у нас, саме такі. Фахівці з комп'ютерного моделювання пояснили, що за меншого відсотка зібрати нашого «шалтаю-болтаю» було б неможливо.
І тепер ми змогли використовувати асемблер Celera для секвенування послідовності: на першому етапі результати коригувалися для досягнення найвищої точності; на другому етапі програма Screener видаляла забруднюючі послідовності ДНК плазміди або E. coli. Процес складання може бути порушений всього лише якимись 10 парами підстав «чужої» послідовності. На третьому етапі програма Screener перевіряла кожен фрагмент на відповідність відомим послідовностям, що повторюються в геномі плодової мушки - даним Джеррі Рубіна, який їх «любовно» нам надав. Розташування повторів з ділянками, що частково перекриваються, записувалося. На четвертому етапі інша програма (Overlapper) виявляла ділянки, що перекриваються, порівнюючи кожен фрагмент з усіма іншими, - колосальний експеримент з обробки величезного обсягу числових даних. Щомиті ми порівнювали 32 мільйони фрагментів з метою виявити принаймні 40 пар основ з менше 6% відмінностей. При виявленні двох ділянок, що перекриваються, ми об'єднували їх у більший фрагмент, так званий «контиг» - набір фрагментів, що перекриваються.
В ідеальному випадку цього цілком вистачило б для складання геному. Але нам доводилося боротися зі статтерами і повторами коду ДНК, а це означало, що один фрагмент ДНК може перекриватися з декількома різними ділянками, створюючи помилкові сполуки. Щоб спростити завдання, ми залишали лише однозначно поєднані фрагменти, звані «унітиги». Програма, за допомогою якої ми виконували цю операцію (Unitigger), по суті, видаляла всю послідовність ДНК, яку ми не могли з впевненістю визначити, залишаючи лише ці унітиги. Цей крок не лише дав нам можливість розглянути інші варіанти збирання фрагментів, а й суттєво спростив завдання. Після редукції кількість фрагментів, що перекриваються, скоротилася з 212 мільйонів до 3,1 мільйона, і проблема спростилася в 68 разів. Деталі головоломки поступово, але невпинно вставали на свої місця.
А потім ми могли використовувати інформацію про спосіб спарювання послідовностей того самого клону, використовуючи «каркасний» алгоритм. Всі можливі унітиги з парами основ, що взаємно перекриваються, об'єднувалися в спеціальні каркаси. Для опису цього етапу у своїх лекціях я проводжу аналогію з дитячим іграшковим конструктором Tinkertoys. Він складається з паличок різної довжини, які можна вставляти в отвори, розташовані на дерев'яних вузлових деталях (кульках та дисках), і скласти таку об'ємну конструкцію. У нашому випадку вузлові деталі – це унітиги. Знаючи, що парні послідовності розташовуються на кінцях клонів завдовжки 2 тисячі, 10 тисяч або 50 тисяч пар основ - тобто ніби знаходяться на відстані певної кількості отворів один від одного, - їх можна побудувати в одну лінію.
В результаті тестування цієї методики на послідовності Джеррі Рубіна, що складала приблизно одну п'яту геному плодової мушки, ми отримали лише 500 прогалин. Провівши у серпні випробування на наших власних даних, ми отримали понад 800 тисяч невеликих фрагментів. Істотно більше даних для обробки показало, що методика працювала погано - результат виявився протилежним очікуваному. Протягом кількох наступних днів паніка наростала, а перелік можливих помилок подовжувався. З верхнього поверху корпусу № 2 адреналіновий раж просочувався до кімнати, жартівливо званої «Безтурботними покоями». Однак ніякого спокою і безтурботності там не відчувалося, особливо протягом принаймні пари тижнів, коли співробітники буквально колами тинялися в пошуках виходу з ситуації.
Зрештою проблему вирішив Артур Делчер, який працював із програмою Overlapper. Він помітив щось дивне у 678-му рядку коду зі 150 тисяч рядків, у тому місці, де дрібниця неточність означала, що важлива частина збігів не записана. Помилка була виправлена, і 7 вересня у нас було 134 клітинні каркаси, що покривали діючий (еухроматичний) геном плодової мушки. Ми були в захваті та з полегшенням видихнули. Настав час оголосити всьому світу про наш успіх.
Конференція із секвенування геному, яку я почав проводити кілька років тому, надавала для цього чудову нагоду. Я був упевнений, що знайдеться велика кількість тих, хто прагне переконатися, чи дотрималися ми своєї обіцянки. Я вирішив, що розповідати про наші досягнення, і насамперед про процес секвенування, складання геному і значення цього для науки, повинні Марк Адамс, Джин Майєрс та Джеррі Рубін. Через наплив бажаючих приїхати на конференцію мені довелося перенести її з Хілтон-Хеда до місткішого готелю «Фонтенбло» в Майамі. На конференції були присутні представники великих фармацевтичних та біотехнічних компаній, фахівці з геномних досліджень з усього світу, чимало оглядачів, репортерів та представників інвестиційних компаній – усі були у зборі. Наші конкуренти з компанії Incyte витратили чималі кошти на організацію прийому після закінчення конференції, корпоративну відеозйомку та інше – робили все, щоб переконати публіку, що саме вони пропонують «докладну інформацію про геном людини».
Ми зібралися у великій конференц-залі. Витриманий у нейтральних тонах, оздоблений настінними світильниками, він був розрахований на дві тисячі людей, але народ усе прибував, і незабаром зал заповнився повністю. Відкриття конференції відбулося 17 вересня 1999 року, і на першому засіданні з повідомленнями виступили Джеррі, Марк та Джин. Після невеликого вступу Джеррі Рубін оголосив, що присутнім доведеться почути про кращий спільний проект відомих компаній, у якому йому довелося брати участь. Атмосфера розпалювалася. Аудиторія зрозуміла, що він не став би говорити так пишномовно, якби у нас не було заготовлено щось справді сенсаційне.
У тиші Марк Адамс почав докладно описувати роботу нашого «виробничого цеху» в Celera і наші нові методи секвенування геному. Однак при цьому він ні слова не сказав про зібраний геном, ніби подразнюючи публіку. Потім вийшов Джин, який розповів про принципи методу дробовика, про секвенування Haemophilus, основні стадії роботи асемблера. За допомогою комп'ютерної анімації він продемонстрував весь процес зворотного збирання геному. Відведений на виступи час закінчувався, і багато хто вже вирішив, що все обмежиться елементарною презентацією з використанням програми PowerPoint, без пред'явлення конкретних результатів. Але тут Джин з єхидною посмішкою зауважив, що аудиторія, напевно, захоче все-таки побачити реальні результати і не задовольняється імітацією.
Неможливо було уявити наші результати ясніше та виразніше, ніж це зробив Джин Майєрс. Він зрозумів, що самі по собі результати секвенування не справлять належного враження, тому для більшої переконливості порівняв їх із результатами копіткого дослідження Джеррі традиційним методом. Вони виявилися ідентичними! Таким чином, Джин порівняв результати нашого складання геному зі всіма відомими маркерами, картованими на геномі плодової мушки десятки років тому. З тисяч маркерів лише шість не співпадали з результатами нашого збирання. Уважно дослідивши всі шість, ми переконалися, що секвенування в Celera було вірним і що помилки містилися в роботах, виконаних в інших лабораторіях старими методами. Під кінець Джин повідомив, що ми тільки-но приступили до секвенування ДНК людини, і з повторами тут напевно буде менше проблем, ніж у випадку дрозофіли.
Настали гучні та тривалі оплески. Гул, що не припинявся і під час перерви, означав, що ми свого досягли. Хтось із журналістів помітив учасника державного проекту геному, який скрушно хитає головою: «Схоже, ці мерзотники справді збираються все зробити» 1 . Ми покинули конференцію із новим зарядом енергії.
Залишалося вирішити дві важливі проблеми, і обидві були добре знайомі. Перша – як публікувати результати. Незважаючи на підписаний з Джеррі Рубіном меморандум про взаєморозуміння, співробітники нашого бізнес-відділу не схвалювали ідеї передачі цінних результатів секвенування дрозофіли в GenBank. Вони пропонували розмістити результати секвенування плодової мушки в окремій базі даних у Національному центрі біотехнологічної інформації, де ними зможе користуватися кожен за однієї умови – не з комерційною метою. Запальний Майкл Ешбернер, який постійно курить, з Європейського інституту біоінформатики був вкрай цим незадоволений. Він вважав, що компанія Celera «всіх надула» 2 . (Він писав Рубіну: «Що, чорт забирай, відбувається в Celera?» 3) Коллінз теж був незадоволений, але що набагато важливіше, незадоволений був і Джеррі Рубін. Зрештою я все-таки надіслав наші результати в GenBank.
Друга проблема стосувалася дрозофіли – ми мали результати секвенування її геному, але ми зовсім не розуміли, що вони означають. Потрібно було проаналізувати їх, якщо ми хотіли написати статтю, так само, як чотири роки тому у випадку з Haemophilus. Аналіз та опис геному мушки могли зайняти більше року - а в мене такого часу не було, бо тепер слід було зосередитися на геномі людини. Обговоривши це з Джеррі і Марком, ми вирішили залучити в роботу над Drosophila наукове співтовариство, перетворивши це на захоплююче наукове завдання, і таким чином швидко просунути справу, влаштувати з нудного процесу опису геному веселе свято - на зразок міжнародного скаутського зльоту. Ми назвали його «Геномне Джамборі» і запросили провідних учених з усього світу приїхати до Роквілла приблизно на тиждень чи днів на десять – проаналізувати геном мушки. На основі одержаних результатів ми планували написати серію статей.
Ідея всім сподобалася. Джері почав розсилати запрошення на наш захід групам провідних дослідників, а фахівці з біоінформатики Celera вирішували, які комп'ютери та програми знадобляться, щоб зробити роботу вчених максимально ефективною. Ми домовилися, що Celera сплатить їм витрати на проїзд та проживання. Серед запрошених були й мої найсуворіші критики, але ми сподівалися, що їхні політичні амбіції не вплинуть на успіх нашої витівки.
У листопаді до нас прибуло близько 40 фахівців з дрозофіли, і навіть для наших ворогів пропозиція виявилася надто привабливою, щоб від неї відмовитися. Спочатку, коли учасники зрозуміли, що вони мають проаналізувати понад сто мільйонів пар підстав генетичного коду протягом кількох днів, ситуація була досить напруженою. Поки вчені, що знову прибули, спали, мої співробітники цілодобово працювали, розробляючи програми вирішення непередбачених проблем. До кінця третього дня, коли виявилося, що нові програмні засоби дозволяють вченим, як сказав один із наших гостей, «за кілька годин робити приголомшливі відкриття, на які раніше йшло чи не все життя», ситуація розрядилася. Щодня в середині дня, за сигналом китайського гонгу, всі збиралися разом - обговорити останні результати, вирішити поточні проблеми і скласти план роботи на наступний раунд.
З кожним днем дискусії ставали дедалі цікавішими. Завдяки Celera, у наших гостей з'явилася можливість першими заглянути в новий світ, і те, що відкривалося погляду, перевершує очікування. Незабаром виявилося, що нам бракує часу обговорити все, що хочеться, і зрозуміти, що це означає. Марк влаштував святкову вечерю, яка тривала дуже недовго, оскільки всі швидко кинулися назад у лабораторії. Незабаром обіди та вечері поглиналися прямо перед екранами комп'ютерів із виведеними на них даними про геном дрозофіли. Вперше були виявлені довгоочікувані сімейства рецепторних генів та одночасно дивовижна кількість генів плодової мушки, аналогічних генам хвороб людини. Кожне відкриття супроводжувалося радісними криками, свистом і дружнім поплескуванням по плечу. Як це не дивно, але серед нашого наукового бенкету одна пара знайшла час для заручин.
Було, щоправда, якесь побоювання: під час роботи вчені виявили лише близько 13 тисяч генів замість очікуваних 20 тисяч. Оскільки в «невибагливому» черв'яку C. elegans близько 20 тисяч генів, багато хто вважав, що у плодової мушки їх має бути більше, тому що у неї в 10 разів більше клітин і навіть є нервова система. Існував один простий спосіб переконатися, що в розрахунках немає помилки: взяти 2500 відомих генів мушки та подивитися, скільки їх вдалося знайти у нашій послідовності. Після ретельного аналізу Майкл Черрі зі Стенфордського університету повідомив, що він виявив усі гени, окрім шести. Після обговорення ці шість генів були віднесені до артефактів. Те, що гени були виявлені без помилок, надихнуло нас і додало впевненості. Спільнота тисяч вчених, які присвятили себе дослідженню дрозофіли, витратили десятки років, відстежуючи ці 2500 генів, а тепер 13 600 були перед ними на екрані комп'ютера.
Під час неминучої фотосесії наприкінці роботи настав незабутній момент: після традиційного поплескування по плечу та дружніх потисків рук Майк Ешбернер підвівся на четвереньки, щоб я увічнив себе на фотографії, поставивши ногу на його спині. Так він хотів - незважаючи на всі свої сумніви та скептицизм - віддати належне нашим досягненням. Відомий генетик, дослідник дрозофіли, він навіть вигадав відповідний підпис під фотографією: «Стоячи на плечах гіганта». (Він відрізнявся досить кволою фігурою.) «Віддамо належне тому, хто цього заслуговує», - написав він пізніше 4 . Опоненти наші намагалися подати накладки у передачі результатів секвенування в загальнодоступну базу даних як відступ від наших обіцянок, але й вони змушені були визнати, що зліт зробив «надзвичайно цінний внесок у загальносвітові дослідження плодової мушки» 5 . Випробувавши, що таке справжня "наукова нірвана", всі розлучилися друзями.
Ми вирішили опублікувати три великі статті: одну з секвенування всього геному, де Майк буде першим автором, іншу - зі збирання геному, де першим автором буде Джин, і третю - за порівняльною геномікою черв'яка, дріжджів та геному людини з Джеррі як перший автор. Статті були здані в редакцію Science у лютому 2000 року та опубліковані у спеціальному випуску від 24 березня 2000 року, - менше ніж через рік після моєї розмови з Джеррі Рубіном у Колд-Спрінг-Харборі. 6 Перед публікацією Джеррі організував для мене виступ на щорічній конференції з досліджень дрозофіли в Піттсбурзі, на якій були присутні сотні найвидатніших фахівців у цій галузі. На кожне крісло у залі мої співробітники поклали компакт-диск, що містить весь геном дрозофіли, а також відбитки наших статей, опублікованих у Science. Джеррі дуже тепло представив мене, запевнивши присутніх, що я виконав усі взяті на себе зобов'язання і що ми чудово працювали разом. Мій виступ закінчувався повідомленням про деякі дослідження, зроблені під час зльоту, та короткими коментарями до даних на компакт-диску. Оплески після мого виступу викликали в мене таке ж здивування і були такі ж приємні, як п'ять років тому, коли ми з Хемом вперше представили геном Haemоphilus на з'їзді мікробіологів. Згодом статті з геному дрозофіли стали найчастіше цитованими статтями історія науки.
Незважаючи на те, що тисячі дослідників плодової мушки всього світу були захоплені результатами, мої критики швидко перейшли в наступ. Джон Салстон назвав спробу секвенування геному мушки невдачею, хоча отримана нами послідовність була більш повною і точнішою, ніж результат його кропіткої десятирічної роботи з секвенування геному черв'яка, завершення якої вимагало ще чотирьох років після публікації чорнового варіанта в Science. Колега Салстона Мейнард Олсон назвав послідовність геному дрозофіли «неподобством», в якому «з милості» Celera доведеться розбиратися учасникам державного проекту геному людини. Насправді ж команда Джеррі Рубіна зуміла швидко закрити прогалини в послідовності шляхом публікації та порівняльного аналізу вже розшифрованого геному менш ніж через два роки. Ці дані підтвердили, що ми припустилися 1–2 помилок на 10 тисяч пар основ у всьому геномі і менше 1 помилки на 50 тисяч пар основ працюючого (еухроматичного) геному.
Однак, незважаючи на загальне визнання проекту Drosophila, влітку 1999 напруженість у наших відносинах з Тоні Уайтом досягла апогею. Уайт ніяк не міг упокоритися з увагою, яку преса приділяла моїй персони. Щоразу, приїжджаючи до Celera, він проходив повз розвішані на стінах у коридорі, поруч із моїм кабінетом, копій статей про наші досягнення. А тут ми збільшили одну з них – обкладинку недільного додатку газети USA Today. На ній, під заголовком «Чи вдасться цьому АВАНТЮРИСТУ зробити найбільше наукове відкриття нашого часу?» 7 був зображений я, в синій картатий сорочці, закинувши ногу на ногу, а навколо мене ширяли в повітрі Коперник, Галілей, Ньютон і Ейнштейн - і жодних ознак Уайта.
Щодня його прес-секретар дзвонила дізнатися, чи не можна Тоні взяти участь у здається нескінченному потоці інтерв'ю, що проходять у Celera. Він трохи заспокоївся - та й то ненадовго, коли наступного року їй вдалося домогтися, щоб його фотографію помістили на обкладинці журналу Forbes як людину, яка змогла збільшити капіталізацію компанії PerkinElmer від 1,5 мільярда доларів до 24 мільярдів доларів 8 . («Тоні Уайт перетворив бідолаху PerkinElmer на високотехнологічного ловця генів».) Тоні не давала спокою і моя громадська активність.
Приблизно раз на тиждень я виступав із доповіддю, погоджуючись на малу дещицю з величезної кількості запрошень, які постійно отримував, бо світ хотів знати про нашу роботу. Тоні навіть скаржився до ради директорів PerkinElmer, перейменованої на той час у PE Corporation, що мої поїздки та виступи порушують корпоративні правила. Під час двотижневої відпустки (за свій рахунок), яку я провів у своєму будинку на Кейп-Код, Тоні разом із фінансовим директором Деннісом Уїнгером та головним юрисконсультом Applera Вільямом Соучем полетів до Celera, щоб опитати моїх провідних співробітників щодо «ефективності керівництва Вентера». Вони сподівалися зібрати достатньо бруду, щоб довести моє звільнення. Уайт був вражений, коли всі сказали, що якщо я піду, вони теж звільняться. Це викликало величезну напруженість у нашій команді, але й одночасно згуртувало нас тісніше, ніж будь-коли. Ми готові святкувати кожну перемогу як останню.
Після публікації послідовності геному мушки – на той час це була найбільша розшифрована послідовність в історії – Джин, Хем, Марк і я підняли тост за те, що витримали Тоні Уайта досить довго і досягли визнання наших успіхів. Ми довели, що наш метод працюватиме і при секвенуванні геному людини. Навіть якби наступного дня Тоні Уайт припинив фінансування, ми знали – наше головне досягнення залишиться з нами. Найбільше я хотів піти з Celera і не спілкуватися з Тоні Уайтом, але оскільки ще більше я хотів секвенувати геном Homo sapiens, мені доводилося йти на компроміс. Я намагався, як міг, задовольнити Уайта, аби продовжити роботу і завершити задумане.
Примітки
1. Shreeve J. The Genome War: How Craig Venter Tried to Capture the Code of Life and Save the World (New York: Ballantine, 2005), p. 285.
2. Ashburner M. Won for All: How the Drosophila Genome Was Sequenced (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), p. 45.
3. Shreeve J. The Genome War, p. 300.
4. Ashburner M. Won for All, pp. 55.
5. Sulston J., Ferry G. The Common Thread (London: Corgi, 2003), p. 232.
6. Adams M. D., Celniker S. E. та ін. "Genome Sequence of Drosophila Melanogaster", Science, № 287, 2185-95, March 24, 2000.
7. Gillis J. «Ви кажете, що це MAVERICK Unlock the Greatest Scientific Discovery of His Age? Copernicus, Newton, Einstein і VENTER?», USA Weekend, January 29-31, 1999.
8. Ross P. E. "Gene Machine", Forbes, February 21, 2000.
Крейг Вентер