Как читают генетический текст

Ом - единица измерения электрического сопротивления. Названа в честь немецкого физика Георга Ома. К теме статьи не имеет никакого отношения. Ом - сакральный звук у индуистов, изначальная мантра, "слово силы". Может рассматриваться как символ божественной триады: Брахма, Вишну, Шива. К статье вроде бы отношения не имеет. Хотя если задуматься…

Первым появился геном. Этот термин стали использовать еще в 20-е годы XX века. Его происхождение до конца не ясно. С "ген-" понятно: это от генов. А вот суффикс "-ом", по одной версии, был взят из "хромосомы", куда попал в составе греческого слова "сома" - тело. Другое объяснение гласит, что "-ом" означает нечто всеобъемлющее. Впрочем, это не так важно.

До 1990-х годов геном жил тихо и спокойно, как тысячи других научных терминов. А потом стартовал проект "Геном человека" - миллиарды долларов, статьи в ежедневных газетах, внимание президентов и премьер-министров. К началу XXI века это слово выучили даже те, кто по биологии имел неуверенную "тройку".

С прочтения генома начинается история изучения биологических объектов математическими методами - как совокупности данных, набора цифр или шифра. По мере того как объем данных увеличивался, а качество извлечения из них ценной информации улучшалось, стали набирать популярность и другие "омы". Сегодня суффикс "-ом" в биологии прочно закрепился за терминами, обозначающими совокупность неких данных, - подобно тому как геном человека является совокупностью наследственного материала, хранящегося в наших хромосомах.

Геном изучает наука геномика. По аналогии стали возникать другие омики - науки о совокупности биологических данных. Омы и омики недаром так расплодились: в биологии, как и везде, происходит цифровая революция - методы биоинформатики позволяют извлекать из больших биологических данных много важной информации. А вслед за интересными результатами приходит и мода, и финансирование. Для первого знакомства мы отобрали самые популярные омы - всего же их несколько десятков.

Геном. Все наши гены

Как вы знаете, наследственная информация, копия которой хранится в каждой клетке организма, записана в молекулах ДНК, упакованных в 23 пары хромосом. Всего геном человека содержит около трех миллиардов "букв", которые можно "прочитать" с помощью секвенирования.

Если сравнивать геном с книгой, то читать придется роман в десять тысяч раз длиннее "Войны и мира" - для врача задача явно невыполнимая. Тут-то на помощь и приходят методы биоинформатики, позволяющие извлекать из этого набора букв понятную для врачей информацию.

Впрочем, понимаем мы пока немного: знаем, например, что ДНК содержит гены - последовательности "букв" или "цифр", кодирующие белки. У человека около 25-30 тысяч генов, это лишь 1,5% ДНК. Все остальные "записи" пока кажутся нам бессмыслицей. Но расшифровка лишь небольшой части генома, которая кодирует белки, - это уже полтерабайта данных и море информации - например, о ваших наследственных заболеваниях или особенностях метаболизма.

Сравнивать можно геномы отдельных организмов и целых популяций. Сейчас научный мир занят сбором и накоплением генетической информации: в развитых странах создают банки, в которых предполагается хранить геномы миллионов людей. Важнейшая задача на нынешнем этапе - обеспечить обмен данными между геномными банками, создать общие стандарты записи и хранения генетической информации, написать программы, способные понимать и использовать данные всех банков.

Конечно, ученых, занимающихся сравнительной геномикой, интересуют геномы не только людей, но и других организмов. Например, расшифровав геном голого землекопа и сравнив его с геномами других грызунов, исследователи, возможно, выяснят, какие гены обеспечивают легендарному животному необыкновенно долгую жизнь без признаков старения.

Транскриптом. Как прочитан и понят генетический текст

Если геном - это о том, что написано, то транскриптом - как прочитано. Взять, допустим, ту же самую "Войну и мир". Для одних это история любви, для других - источник жизненной философии, для третьих - набор батальных сцен, разбавленных нудными диалогами, которые лучше пропустить. В организме примерно так же.

Геном у всех клеток организма одинаковый (есть небольшая разница из-за мутаций и у половых клеток в 23-й хромосоме), но сами клетки разные: нейроны мало похожи на сперматозоиды. Клетки так отличаются друг от друга потому, что у них активны разные гены. Чтобы понять, какие именно гены активны ("экспрессируются", как говорят биологи) в том или ином органе или ткани, нужно изучить транскриптом - набор присутствующих там РНК. Ведь активность генов, их экспрессия и есть производство РНК.

Данные генома - это относительно постоянная характеристика всего организма, а транскриптом характеризует протекание конкретных процессов, поэтому обычно исследуют транскриптом органа или клеток определенного типа. Кроме того, он меняется со временем: например, если вы заболели, гены больных и иммунных клеток будут работать по-другому.

Протеом. Все наши белки

Мы только-только начали использовать в медицине данные генома, но уже ясно: чтобы понять, как работает организм конкретного человека, информации о геноме недостаточно. Не спасает даже совокупность генома и транскриптома. Гораздо более полную картину происходящего дает изучение протеома - набора белков, синтезируемых тканью, органом или даже отдельной клеткой. Если в геноме человека примерно 28 тысяч генов, то белков в организме гораздо больше - говорят и о миллионе, и о двух, и о пяти.

Да, синтез белков - прямой результат работы кодирующих их генов. Среди биологов даже бытовала поговорка: "Один ген - один белок".

Но дальше судьба белков складывается по-разному: часть из них может распасться, так и не выполнив свою функцию, другие могут не выводиться из клетки и накапливаться, третьи могут как-то модифицироваться. Чтобы понять всю картину в целом и изучают протеом. Ваша электронная медицинская карта, без сомнения, будет начинаться с описания генома, но большая часть информации в ней будет основываться на многочисленны анализам протеома в разных частях организма.

Протеомика находится в начальной фазе развития. Но уже существует проект "Протеом человека", инициаторами которого в 2010 году выступили Россия, США, Южная Корея, Швеция, Канада и Иран. По масштабам он сравним с "Геномом человека". Его главная цель: систематизировать все вырабатываемые нашим организмом белки.

Эпигеном. Над генами

Работа генов регулируется не только генетическими факторами, но и условиями, в которых живет организм. Для этого над генами надстроен еще один регуляторный уровень - эпигеном (приставка "эпи-" в переводе с греческого и означает "над"). Это система химических "меток", которыми помечаются те или иные гены. Одни метки велят генам работать, другие - отдыхать. Эпигенетические механизмы реагируют на сигналы из внешней среды, ставя метку "спать" над геном, активность которого стала нежелательна, и давая команду "работать" гену, включение которого улучшило состояние клетки или всего организма.

Недавно выяснилось, что эпигеном тоже передается по наследству. Он трансформируется довольно медленно, так что эпигеном ваших дедов, испытавших, например, потрясения войны и приспособившихся к ним, вполне может продолжать влиять на вас.

Эпигеномика делает лишь первые шаги, но в будущем информация о эпигенетическом коде может оказаться не менее важной, чем о генетическом.

Микробиом. С кем мы живем

Вы боитесь одиночества? Не уверены, что обладаете богатым внутренним миром? У нас хорошие новости! Тело человека состоит из триллионов клеток, но внутри нашего организма живет примерно столько же клеток бактериальных.

Большая часть бактерий обитает в кишечнике - вместе они составляют что-то вроде самого массивного человеческого органа, который называют микробиом. Помимо пищеварения этот орган выполняет массу полезных функций: производит витамины, защищает нас от болезней, влияет на состояние психики и поведение. Ученые только пробуют воздействовать на него - больше 90% бактерий, живущих в кишечнике, нам до сих пор неизвестны. Но первые клинические тесты микробиома уже проводятся, в том числе в России, - из них можно узнать, например, какие витамины ваши бактерии производят в избытке, а каких, наоборот, не хватает.

Похоже, медицина ближайшего будущего станет широко использовать помощь микробов: многие ученые считают, что таблетки с "правильными" бактериями смогут вылечить от ожирения, продлить жизнь и даже помочь при психических заболеваниях. Настоящий расцвет "микробной медицины" начнется, когда мы научимся программировать бактерии. Возможно, одно такое обученное существо будет прибавлять ума или силы намного эффективнее, чем месяцы упражнений.

Метагеном. Все вместе

Если геном - это весь наследственный материал одного организма, то метагеном - совокупный геном сообщества организмов, живущих вместе. Можно, например, изучить метагеном вашей квартиры, прочитав геномы всех людей, животных, растений и бактерий, которые в ней живут. А поскольку организм человека тоже заполнен бактериями, можно исследоватьи его собственный метагеном - он будет намного больше генома. Можно изучать метагеном целого народа, как это делают с 2010 года участники проекта "Русский метагеном".

В персонализированной медицине уже предпринимаются первые попытки чтения и анализа метагенома вместо ставшего уже вещью генетического тестирования. Близятся времена, когда, информация о метагеноме станет основой вашей медицинской карты, а понятие "защита личных данных" будет в первую очередь предусматривать "тайну метагенома".

Коннектом. Очень нервные связи

Это совокупность нервных связей живого организма. Ее математическая модель представляет собой "карту" нервной системы, на которую нанесены нейроны и их соединения.

Пока единственный организм, для которого ученые смогли составить коннектом, это нематода - червячок длиной в миллиметр. Вся его нервная система состоит из 302 нейронов и 7000 соединений между ними.

Чтобы понять, как работает мозг, научиться им управлять, лечить и совершенствовать, ученые намерены воссоздать коннектом нервной системы человека с ее миллиардами нейронов. Задача даже сложнее: необходимо получить функциональный коннектом, то есть модель, на которой видно, как нейроны обмениваются импульсами в реальном времени.

На создание таких моделей Европа и США выделяют многомиллионные гранты. В Швейцарии даже появился Нейрополис - аналог CERN и Кремниевой долины для исследования мозга.

Социом. Нельзя быть свободным от общества

Признаемся: это слово мы придумали сами, по крайней мере нам нигде не удалось найти его в том значении, которое нам кажется важным. Речь идет о совокупности социальных связей индивида: разговоров с друзьями, взаимодействия на работе, общения  в семье. Даже окрик охранника стоит учесть, чтобы понять, почему у человека такое настроение, или спрогнозировать его поведение к концу дня.

Задача грандиозная, но не утопическая. Социологи и психологи вовсю используют в исследованиях данные из соцсетей, которые фактически являются оцифрованной частью социома. Уверены: в этой области нас тоже ждет немало открытий!