Десять лет назад публике объявили о начале постгеномной эры: была прочтена полная (ну, почти полная) последовательность ДНК человека. Этот «эталонный» геном не принадлежал кому-то конкретно: в него вошли образцы ДНК множества разных людей, а в работу над проектом были вовлечены исследовательские группы из нескольких стран [1]. Вскоре после этого по формальным признакам настало время персональной геномики: два первых прочитанных и опубликованных «персональных» генома принадлежат суперзвёздам молекулярной биологии Джеймсу Уотсону [2] и Крейгу Вентеру. Позже (в 2008 году), когда прочтение очередного генома в связи с развитием технологий высокопроизводительного секвенирования ДНК [3] перестало быть новинкой [4], было объявлено о начале работы консорциума, чья цель следует из названия — «1000 геномов». До 2012 года (срок окончания работы консорциума) альянс ставит своей целью определить и сделать доступным для общественности минимум 1000 полных последовательностей ДНК людей из разных стран и разных национальностей (сейчас речь идёт уже о цифрах 2500 полных геномов из 27 разных популяций).

Одна из практических целей консорциума — исследовать пределы вариабельности человеческой ДНК, которая, как известно, не только более чем на 95% кодирует неизвестно что (так называемый «генетический мусор» [5]), но и идентична у всех человеческих особей более чем на 99%. Очевидно, что оставшийся процент и определяет различия — такие как склонность к определённым заболеваниям или даже личностные характеристики [6]. Однако каким образом это происходит — в большинстве случаев совершенно неизвестно: понятно лишь, что эффект этот крайне сложный и основан не на одном-двух, а на сотнях или даже тысячах признаков, действующих в совокупности.

Проект «1000 геномов» выполняется в примерно 80 исследовательских центрах по всему миру, а инициирован он британским Сенгеровским Институтом (одной из «колыбелей» проекта «Геном человека»), Национальным институтом геномики человека США (NHGRI) и Пекинским геномным институтом (BGI). (Географию геномных проектов можно посмотреть на диаграмме, опубликованной на сайте Nature [7] или на интерактивной карте (рис. 2), показывающей распределение секвенаторов по лабораториям мира [сейчас уже не существует].) Одна из заявленных целей проекта — картировать вариабельные участки генома, встречающиеся в популяции с частотой минимум 1%. (Достижение предыдущего проекта по вариабельности генома человека — HapMap — это 10%-частота, соответствующая 3,5 млн. однонуклеотидных полиморфизмов («снипов», от английской аббревиатуры SNP), — однобуквенных замен в ДНК-тексте.)

Однонуклеотидные полиморфизмы (ОНП) в настоящее время активно используются для выявления генетической предрасположенности к различным заболеваниям (такие исследования с применением технологии высокоплотных олигонуклеотидных микрочипов получили название GWAS — genome wide association studies); правда, даже в самых лучших исследованиях найденные полиморфизмы зачастую не способны объяснить (или предсказать) заболевания с приемлемой для практической медицины точностью (см., например, «Загадочная генетика „загадочной болезни кожи“ — витилиго» [8]). У медицинских генетиков есть надежды, что, знай они не только самые распространённые полиморфизмы в геноме, но и более редкие «снипы» (например, встречающиеся в уже упомянутом 1% случаев), они смогли бы точнее определять риск развития заболевания. Однако, разумеется, не может быть полной уверенности в искренности этого утверждения, даже если предположить, что геном каждого человека будет записан, выражаясь фигурально, на персональной «флэшке».

Как бы то ни было, проект «1000 геномов» отчитывается на страницах Nature в завершении «пилотной» стадии выполнения проекта [9], состоящей из трёх частей:

1. полного прочтения геномов 179 индивидуумов европейского, африканского и восточно-азиатского происхождения (тут секвенирование проведено с невысокой «точностью», которая прямо пропорциональна количеству повторных прочтений одной последовательности);
2. секвенирования только экзонов (так называемых неполных «экзомов») генома (8140 белок-кодирующих фрагментов ДНК, составляющих 906 различных генов) для 697 людей;
3. высокоточного (с большим «покрытием») установления полных генетических последовательностей двух «триад», состоящих из двух родителей и их ребёнка (что позволяет оценить скорость накопления мутаций между двумя поколениями).

Статья консорциума опубликована в открытом доступе (также как и сами последовательности), чтобы результаты смогли получить как можно более широкое распространение.

В результате пилотной фазы проекта «1000 геномов» обнаружилось, что в каждом поколении человек приобретает около 60 новых мутаций (которых не было у родителей), а среднее число «дефектных» аллелей у каждого из нас — 250–300, что соответствует болезнетворным мутациям в более чем 1% всех генов. К счастью, существование двух экземпляров ДНК (отцовской и материнской) позволяет реализоваться механизму активности доминантных генов: в большинстве случаев эти опасные мутации «молчат», хотя и продолжают передаваться по наследству.

Кроме того, было идентифицировано около 15 миллионов однонуклеотидных полиморфизмов, более половины из которых не были известны ранее (это те самые «редкие» аллели), около миллиона коротких вставок/делеций и в районе 20000 других структурных вариантов. Эта работа вскоре повлечёт за собой и практические выгоды: уже проектируют микрочипы для генотипирования по 5 миллионам «снипов», в то время как нынешнее поколение микрочипов позволяет определять примерно 1 миллион аллельных различий.

Параллельно с этим (в один день) в журнале Science опубликовали исследование другого аспекта генетической вариабельности — числа копий (дубликатов) одних и те же генов, содержащихся в геноме (а это издавна считается методологически сложной задачей) [10]. Число копий генов также считается очень важным моментом, определяющим черты организма и его эволюцию.

Авторы предложили оригинальную методику подсчёта числа копий генов, в результате чего открылись неожиданно большие различия по этому параметру между людьми различных рас. Кстати, сравнение участков ДНК с повторяющимися генами выявляет у людей (по сравнению с другими приматами) намного большее число экземпляров некоторых генов, участвующих в развитии мозга.

Технологически прочтение генома остаётся очень сложной задачей, в которой исследователям приходится виртуозно балансировать между стоимостью процедуры и точностью, с которой производится прочтение. С частотой раз в год появляется новое поколение приборов для высокопроизводительного секвенирования (о технологиях «нового поколения», пришедших на смену уже ставшим классикой [3], «биомолекула» как-нибудь обязательно расскажет). Результаты проходят через сложнейшую статистическую обработку, учитывающую уже известные последовательности ДНК, что позволяет повысить точность расшифровки до приемлемого уровня (иначе процент ошибок был бы всё-таки слишком высок). [Без подробностей — методика «коррекции ошибок» получила название imputation.]

В совокупности, эти результаты показывают, насколько же мы всё-таки различны [11] — и это при том, что разница в ДНК не превышает какого-то одного процента. Если считать, что первой фазой геномики человека стал «первый геном» [1], а во время второй исследователи со всего мира изучили вариабельность генома «с высоты птичьего полёта», то наступающая третья фаза обещает стать фазой действительно персональной геномики. Готовьте флэшки под геномы! ;-)

Написано по материалам новостей Science [12] и Nature [13], [14].

Литература

1. Геном человека: как это было и как это будет;
2. Геном Нобелевского лауреата Джеймса Уотсона скоро будет расшифрован;
3. 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
4. Скверный анекдот: негр, китаец и Крейг Вентер...;
5. «Мусорная» ДНК управляет эволюцией млекопитающих?;
6. Слово о генетике поведения;
7. Human genome: Genomes by the thousand. (2010). Nature. 467, 1026-1027;
8. Загадочная генетика «загадочной болезни кожи» — витилиго;
9. Richard M. Durbin, David L. Altshuler, Richard M. Durbin, Gonçalo R. Abecasis, David R. Bentley, et. al.. (2010). A map of human genome variation from population-scale sequencing. Nature. 467, 1061-1073;
10. Peter H. Sudmant, Jacob O. Kitzman, Francesca Antonacci, Can Alkan, Maika Malig, et. al.. (2010). Diversity of Human Copy Number Variation and Multicopy Genes. Science. 330, 641-646;
11. Мы все такие разные;
12. Elizabeth Pennisi. (2010). 1000 Genomes Project Gives New Map of Genetic Diversity. Science. 330, 574-575;
13. Rasmus Nielsen. (2010). Genomics: In search of rare human variants. Nature. 467, 1050-1051;
14. Alla Katsnelson. (2010). 1000 Genomes Project reveals human variation. Nature.