Ещё менее десяти лет назад для расшифровки одного человеческого генома требовались сотни миллионов долларов и усилия многолюдного международного научного сообщества. Опубликованные в Nature статьи описывают три новых человеческих генома, что позволяет оценить не только индивидуальные различия ДНК на уровне целого генома, но и изменения, вызванные злокачественным перерождением клеток (раком). Эти работы также демонстрируют огромный потенциал новой технологии секвенирования ДНК как метода для массового прочтения больших человеческих геномов и прокладывают путь к ожидаемой с большим нетерпением персональной геномике и медицине.

До недавнего времени в распоряжении учёных находились четыре опубликованных человеческих генома: «справочная» последовательность, полученная после прочтения ДНК различных анонимных доноров в рамках проекта «Геном человека»; последовательность, параллельно полученная частной компанией Celera Genomics [1]; а также геномы двух суперзвёзд молекулярной биологии — Крейга Вентера [2] и Джеймса Уотсона [3]. Изучение индивидуальных различий ДНК и по сей день опирается не на последовательности геномов, а на исследование одиночных нуклеотидных замен (single nucleotide polymorphisms, SNPs) и структурных вариаций в областях геномных повторов. Однако даже самое всеохватывающее SNP-исследование позволяет «рассмотреть» лишь несколько миллионов однонуклеотидных замен (тогда как общее число оснований в геноме равняется приблизительно трём миллиардам), оставляя исследователей в полной неизвестности относительно масштабов индивидуальных различий и их связи с риском различных наследственных заболеваний.

Отсюда становится понятным стремление снизить стоимость расшифровки индивидуальных геномов до $1000 за штуку, о чём на «Биомолекуле» уже шла речь [1]. Свежедешифрованные геномы идут по цене от $250 000 до $500 000 каждый, однако если работа по прочтению была бы выполнена сегодня, затраты были бы уже в два раза меньше.

Все три группы исследователей использовали технологию, разработанную компанией Solexa, что сейчас является частью корпорации Illumina из калифорнийского города Сан-Диего, позволяющую значительно увеличить скорость и снизить стоимость секвенирования. Особенностью данной технологии является скоростное прочтение коротких фрагментов последовательности задёшево, и по этим параметрам она значительно превосходит предшествующие технологии секвенирования (см. врезку). Недостаток данной технологии заключается в том, что такие короткие фрагменты трудно составить в правильную геномную последовательность. Однако в случае с геномом человека этот недостаток компенсируется наличием «справочной» последовательности, да и компьютерные алгоритмы, выполняющие сборку, постоянно совершенствуются совместными усилиями многих программистов.

Для понимания генетических механизмов возникновения рака, группа исследователей под руководством Ричарда Вилсона (Richard Wilson) с медицинского факультета Университета Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, расшифровала геном клеток здоровой кожной ткани и ткани опухоли, взятых у женщины, умершей от острой миелогенной лейкемии [4]. Сравнение ДНК из этих двух источников показало, чем нормальная клетка отличается на геномном уровне от раковой. Около 97% из 2,65 миллиона однонуклеотидных замен, обнаруженных в опухолевой клетке, присутствуют в здоровой клетке кожи, что свидетельствует об их непричастности к процессу злокачественного перерождения. Учёные также исключили замены, обнаруженные в других исследованиях, а также замены, не меняющие кодирующие последовательности генов. Это привело к идентификации 10 уникальных однонуклеотидных замен, специфичных для раковых клеток. Только две из десяти замен пришлись на гены, связываемые с данным типом лейкемии предыдущими исследованиями. Восемь оставшихся замен привели к открытию новых генов-кандидатов, среди которых несколько онкосупрессоров и генов, связанных с клеточным бессмертием.

Вторая статья сообщает достижения группы ученых из Solexa, ведомой Дэвидом Бентли (David Bentley), которая расшифровала геном негроидного представителя народа Йоруба, населяющего главным образом юго-запад Нигерии [5]. Третья же работа, выполненная под руководством Йанга Вонга (Jiang Wang) из Пекинского института геномных исследований, рассказывает о расшифровке генома китайца, принадлежащего к этнической группе Хан, самой многочисленной этнической группе в мире [6].

Анализ генома Йорубы выявил наличие около четырёх миллионов однонуклеотидных замен, из которых миллион замен не был идентифицирован ранее. Геном китайца содержит около трёх миллионов замен, включая 417 тысяч не идентифицированных ранее. Как и ожидалось, африканский геном обнаружил более высокое число вариаций (замен) на единицу длины (тысячу оснований), чем геном китайца или ранее расшифрованные геномы европеоидов, что свидетельствует о том, что именно этот геном является «геномом наших предков».

Новые геномы обошлись человечеству значительно дешевле, чем предыдущие. В следующем году Illumina планирует снизить цену до $10 000. Другие компании обещают ещё более низкие цены. Однако, что касается клинических приложений технологий секвенирования ДНК нового поколения, то тут прогнозы учёных достаточно сдержанные. По мнению исследователей, огромное количество полученной информации всё ещё нуждается в грамотной и вдумчивой интерпретации. Более того, этические аспекты применения новой технологии могут воздвигнуть непредвиденные барьеры.

Литература

1. Геном человека: как это было и как это будет;
2. Samuel Levy, Granger Sutton, Pauline C Ng, Lars Feuk, Aaron L Halpern, et. al.. (2007). The Diploid Genome Sequence of an Individual Human. PLoS Biol. 5, e254;
3. Геном Нобелевского лауреата Джеймса Уотсона скоро будет расшифрован;
4. Timothy J. Ley, Elaine R. Mardis, Li Ding, Bob Fulton, Michael D. McLellan, et. al.. (2008). DNA sequencing of a cytogenetically normal acute myeloid leukaemia genome. Nature. 456, 66-72;
5. David R. Bentley, Shankar Balasubramanian, Harold P. Swerdlow, Geoffrey P. Smith, John Milton, et. al.. (2008). Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry. Nature. 456, 53-59;
6. Jun Wang, Wei Wang, Ruiqiang Li, Yingrui Li, Geng Tian, et. al.. (2008). The diploid genome sequence of an Asian individual. Nature. 456, 60-65.