Текст 10. Баранов Н.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 25. Открытия в биологии и генетике живых организмов (выдержки)

Сиквенс генома человека

Работа над реализацией программы «Геном человека» началась 1 октября 1990 года в США при участии Министерства энергетики и Национального института здоровья. Активным инициатором и пропагандистом программы «Геном человека» стал знаменитый Джеймс Уотсон. В 1995 году был создан Национальный институт генома человека, который возглавил Фрэнсис Коллинз. В этом же году он стал руководителем «Международной программы Геном Человека», к которой присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии одноименной отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому академику А. А. Баеву.

Конечная цель программы – определение нуклеотидной последовательности всего генома человека.

Поражают темпы работ по секвенированию генома человека. Еще в 1995 г. стоимость одного шага (определение положения одной пары оснований в цепочке ДНК) оценивали в 1$ и, соответственно, всю программу 3 триллиона долларов, то уже в 1998 г., благодаря техническим усовершенствованиям, цена шага составила 50 центов, а к началу 2000 года, благодаря широкой автоматизации и микрокапиллярной технологии, она снизилась до 25 центов! В США и Великобритании были разработаны и внедрены гигантские автоматические фабрики по секвенированию генома — геномотроны, обладающие скоростью секвенирования несколько миллионов нуклеотидов в неделю.

Весной 2000 года было заявлено о получении «чернового» варианта генома человека. Помимо человека, в настоящее время полностью секвенированы геномы еще 600 видов организмов. 

Стремительный рост информации о геноме человека открыло новые горизонты для фундаментальных и прикладных исследований.

Исследования генома человека уже привели к возникновению таких новых научных направлений, и, соответственно, программ как «Функциональная геномика», «Генетическое разнообразие человека», «Этические, правовые и социальные аспекты исследований генома человека». Эти направления активно проникают во все сферы жизни человека и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающей «генетизации» человечества.

Функциональная геномика

Достижения в области изучения структуры геномов вывели генетические исследования на качественно новый более высокий уровень. Постгеномный период развития генетики ознаменовался приходом на смену структурной геномики функциональной геномики.

Основным объектом внимания функциональной геномики признаются именно генные функции.

Круг основных научных интересов функциональной геномики:

Изучение координированной работы генов по образованию первичных транскриптов с последующим сплайсингом и формированием наборов зрелых мРНК (транскриптомика).

Изучение белковых продуктов генной экспрессии, включая их посттрансляционные модификации (протеомика).

Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием субклеточных структур, клеточной дифференцировки гистогенеза (цитомика).

Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием различных фенотипов в норме и при патологии.

Предполагается, что когда будет создан генный портрет генома человека, станет возможной идентификация 200–300 000 белков. Выяснить их появление в онтогенезе, исследовать «экспрессионный профиль» сотен и тысяч генов на микропланшетах для мониторинга экспрессионного статуса клеток и тканей в норме и при различных заболеваниях — центральная задача Функциональной Геномики в так называемую постгеномную эру. Решение ее непосредственно связано с проблемами молекулярной медицины.

Геном Человека и Молекулярная Медицина

Изучение роли генетических факторов в этиологии и патогенезе различных патологических процессов и состояний (в т.ч. многих инфекций)

Доказательство генетической неповторимости каждого индивидуума

Новая парадигма в терапии пациентов – посмотреть с глобальной молекулярной точки зрения на болезнь конкретного индивида.

Продолжающаяся фундаментализация медицины привела к пониманию того, что прогресс клинической медицины полностью зависит от медицины молекулярной, т.е. исследований, проводимых на уровне генов и молекул. Пренебрежение или невнимание к этой проблеме могут существенно повлиять на темпы развития фундаментальных основ медицины и в значительной мере ограничить влияние достижений теоретической мысли на практику.

Справочный материал

Среди других современных достижений в области биологии и генетики отметим следующие:

В 1972 году в микробиологической лаборатории профессора Пола Берга были получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 год, врученная П. Бергу и Г. Бойеру). Этими биологическими исследованиями были заложены научно-технические основы генной инженерии.

В 1976 году было совершено открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.

В 1989 году Т. Р. Чех и С. Альтман выполнили открытие «каталитических свойств некоторых при родных РНК (рибозимов)» и получили Нобелевскую премию по химии.

 В 1992 году Э. Кребсу и Э. Фишеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие «обратимого фосфорилирования белков как важного регулирующего механизма клеточного метаболизма».

В 1997 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение «болезнетворного агента белковой природы − приона, вызывающего губчатую энцефалопатию или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота».

В 1999 году Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию по химии за открытие «роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы или регулятора и переносчика сигналов в сердечно- сосудистой системе человека».

В 2000 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе человека».

В 2001 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие «ключевых регуляторов клеточного цикла».

В 2002 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области «генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти у человека».

Вопросы к текстам 8-10:

1. Какие выдающиеся достижения в физике позволили создать современные микроскопы?

2. Какие типы современных микроскопов применяются в настоящее время в молекулярной медицине, и какие возможности открывают различные типы микроскопов для изучения молекул и ДНК?

3. Какие новые возможности для современной медицины открывают исследования клеток и ДНК?

4. Как вы понимаете термин «предиктивная медицина»?

 

 

Текст 11. Вялков А.И., Мартынчик С.А., Полесский В.А., Ковров Г.В. Концепция персонализированной медицины в предметной области «нейромедицина» на технологической платформе «Медицина здоровья» (выдержки)

1. Персонализированная медицина – результат эволюционного развития доказательной медицины. В процессе развития медицины для решения стоящих перед ней задач сформировались различные подходы к изучению состояния здоровья человека: эпидемиологический, клинический, клинико-эпидемиологический, индивидуальный. Эпидемиологический подход используют для изучения уровней заболеваемости и смертности населения по территории, во времени и среди различных социально-возрастных групп с целью выяснения причинно-следственных связей (территории, группы риска, время риска, резервы здоровья). Результаты исследований на популяционном уровне лежат в основе разработки профилактических программ разной направленности и содержания. Клиническая эпидемиология – это диагностика, распространенность, лечение и профилактика болезней, основанных на эпидемиологических методах. Она разрабатывает свод правил для принятия клинических решений. Эпидемиологические исследования являются важным источником получения обоснованных доказательств, необходимых для практики доказательной медицины. Доказательная медицина – технология сбора, анализа, обобщения и интерпретации медицинской информации, позволяющая принимать научно доказательные решения по профилактике, диагностике, лечению заболеваний и организации здравоохранения. (Доказательная медицина — подход к медицинской практике, при котором решения о применении профилактических, диагностических и лечебных мероприятий принимаются исходя из имеющихся доказательств их эффективности и безопасности, и такие доказательства подвергаются поиску, сравнению, обобщению и широкому распространению для использования в интересах больных.

Уровни реализации доказательной медицины:

популяционный: популяционная диагностика, популяционные риски, оценка эффективности профилактических мероприятий;

индивидуальный: клиническая и преклиническая диагностика, индивидуальные риски, оценка эффективности лечения, индивидуальная профилактика.

В области общественного здоровья и профилактической медицины использование принципов доказательной медицины способствует оптимизации расходования ресурсов и формированию более эффективной системы здравоохранения. При этом доказательная медицина позволяет резко повысить эффективность популяционных вмешательств в рамках национальных программ. Персонализированная медицина относится к организации медицинской помощи с учетом конкретных особенностей каждого пациента, включает способность классифицировать лиц в субпопуляции, которые предрасположены к определенной болезни и одинаково отвечают на конкретное воздействие.

Можно выделить два фундаментальных подхода к персонализированной медицине:

от генной обусловленности к диагностике и профилактике болезней;

от интеграции доступной информации к индивидуальному лечению.

Для персонализированной медицины решающее значение приобретают информационно-коммуникационные технологии: интеллектуальные методы и средства, аналитические модели, формирование баз данных, их программная обработка.

2. Базовые технологии персонализированной медицины

На становление персонализированной медицины оказало влияние развитие молекулярной медицины. Мировые тренды молекулярной медицины: развитие геномики, создание систем оценки молекулярных процессов и диагностики, разработка систем таргетной доставки лекарств, развитие междисциплинарных компетенций. Молекулярная медицина – зона конвергенции технологий мультимерной биологии: геномики (Геномика – совокупность генов и мутаций, приводящих к предрасположенности заболеваний), протеомики (Протеомика – совокупность белоккодирующей информации в геноме), метаболомики (Метаболомика – идентификация метаболитов в клетках, тканях, органах, биологических жидкостях у данного человека в конкретных условиях), используемых для решения прикладных задач биологии, медицины и фармацевтической индустрии. В триаде геномика–протеомика–метаболомика, по сути, заложены все новые подходы к созданию принципиально новой медицины будущего: новые лекарства, новые методы диагностики и профилактики. Тестирование макромолекул генов, белков и метаболитов клеточной структуры, а также расшифровка характера молекулярных связей — главные задачи геномики, протеомики и метаболомики. Если геномика появилась прежде всего в результате развития техники секвенирования, то для протеомики и метаболомики такую же основополагающую роль играет техника двухмерного электрофореза, жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

Таким образом, системная мультимерная биология базируется на изучении совокупности ДНК, РНК, белков, метаболитов. Это интегративная биология с большим выходом данных, требующая автоматизации обработки и анализа (биоинформатика, программное обеспечение).

Общепризнанными достижениями молекулярной медицины стали:

доказательство уникальности наследственного материала индивида и проведение на этой основе геномной паспортизации, генетического анализа, молекулярно-генетических исследований по индивидуальной геномике, протеомике и фармакогеномике;

разработка и усовершенствование методов профилактической (превентивной) медицины, в том числе селективного скрининга, пресимптоматической диагностики;

получение индивидуальных лекарств на основе компьютерной базы данных о клетках-мишенях.

Инновационные биомедицинские и информационные компьютерные технологии позволяют развивать:

предиктивную медицину (определение индивидуальной предрасположенности к развитию заболеваний, обусловленной мутациями и генетическими полиморфизмами);

профилактическую (превентивную) медицину (разработка инновационных технологий скрининга и мониторинга, ассоциированных с доклиническими, в том числе визуализационными, медицинскими технологиями);

инновационную фармацевтику для создания новых лекарственных средств с направленным индивидуальным терапевтическим воздействием, высокой эффективностью и безопасностью;

биоинформатику (изучение биологической информации с помощью математических, статистических и компьютерных методов; анализ биологических текстов (генов) с построением соответствующих структур макромолекул, предсказанием их функции и создание новых лекарственных препаратов).

Первым шагом к персонализированной диагностике и вмешательству стали биомаркеры. Под биомаркерами понимают любые субстанции, которые могут служить индикаторами болезненного или иного состояния организма, главное, чтобы они были объективно измеряемыми и оцениваемыми. Большинство традиционно используемых в клинической практике биомаркеров — диагностические, связанные с болезнью. Прогностические маркеры ассоциируются с индивидуальным риском заболеваний у здоровых лиц. Фармакодинамические биомаркеры – маркеры определенного фармакологического ответа, которые особенно интересны в исследованиях оптимизации лечения и дозы.

Таким образом, ключевым вектором развития предиктивной, превентивной (профилактической) и персонализированной медицины становятся интегрированные инновационные технологии с высокой разрешающей способностью и новым уровнем количественной оценки состояния здоровья конкретного человека.

Вопросы к тексту:

1. В тексте сформулированы различные подходы к изучению состояния здоровья человека. Каким периодам в развитии медицины они соответствуют?

2. Какова роль доказательной медицины в современной «технонауке»? (См. Текст 2)

3. Выделите основные черты персонализированной медицины. Какие технологии лежат в основе персонифицированной медицины? Охарактеризуйте их.

4. В тексте имеется фраза: «Таким образом, ключевым вектором развития предиктивной, превентивной (профилактической) и персонализированной медицины становятся интегрированные инновационные технологии с высокой разрешающей способностью и новым уровнем количественной оценки состояния здоровья конкретного человека». Какие именно технологии имели в виду авторы?

5. Охарактеризуйте роль компьютерных технологий в молекулярной медицине в конце ХХ века.