Секвенирование генома: что это такое и зачем это нужно

Сейчас все знают, что клетки ДНК хранят в себе наследственную информацию и почти все — что важен порядок аминокислот или нуклеотидов в них. Еще один широко известный факт — молекула ДНК имеет форму двойной спирали.

Тем не менее эти знания, сейчас кажущиеся рядовыми, еще недавно не были доступны человечеству. Структура молекулы ДНК была подробно описана в 1953 году, а впервые секвенировать геном удалось лишь в 2001 году.

В нашем материале мы кратко расскажем об истории этой ветви биологии и объясним, для чего это нужно обычным людям.

Немного истории

В 1869 году швейцарский врач Иоганн Мишер впервые выделил «нуклеин». Позже сам Мишер уточнил, что это кислота. К началу XX века появились гипотезы о молекуле ДНК как о комбинации всего четырех нуклеиновых кислот. Но тогда еще не было понимания, как она на самом деле используется в организме.

К середине 1940-х гг. ДНК стала основным претендентом на звание генетической библиотеки.

Параллельно с изучением способов передачи генетического материала по наследству начались попытки определения структуры белков. Первым, кто применил метод секвенирования, то есть определения первичной структуры полимера, стал Фредерик Сенгер — единственный в истории дважды нобелиат по химии. Изучая инсулин, с помощью реагентов он начал разделять его на составляющие аминокислоты. Спустя 8 лет исследований Сенгер смог полностью определить составные части и порядок инсулина, за что в 1958-м получил Нобелевскую премию. Метод получил имя химика.

Разбирать молекулы РНК и особенно ДНК оказалось намного сложнее. В 1995 году был расшифрован геном первых бактерий. Впервые прочитанный геном человека был опубликован в феврале 2001 года.

Как происходит секвенирование генома

Идея «секвенирования по Сенгеру» относительно проста. В основе более ранних методов было разрушение исследуемого соединения на составные части. Сенгер пошел в обратном направлении, стремясь синтезировать рассматриваемый полимер. Для этого фрагмент ДНК помечают радиоактивным изотопом и делят на четыре части. К каждой части добавляют реактивы для синтеза новой ДНК, с использованием которых должна получиться новая нить, повторяющая матрицу исходной. В состав правильной молекулы ДНК входят основания аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Кроме них в этом методе в раствор добавляются «бракованные» компоненты, одного вида в каждую пробирку, начиная с которой дальнейшее построение клетки невозможно.

Так создается четыре ДНК разной длины. У каждой в начале есть свой изотоп-отметка и одна из плохих молекул на конце. В каждой пробирке молекула может заканчиваться только одной из букв. Теперь нужно поместить все полученные соединения в гель, который разделит ДНК по длине и с помощью фотопленки определить местонахождение изотопов. Таким образом получится «лесенка», каждая из ступенек которой будет соответствовать одной букве-основанию. Дойдя по лестнице до верха, мы узнаем полную последовательность ДНК.

«Секвенирование по Сенгеру» стало предтечей целого ряда методов нового поколения: пиросеквенирования, метода Illumina/Solexa, полони-секвенирования, cPal и других. На данный момент можно классифицировать более десяти различных способов определения структуры полимеров.

Для чего нужно секвенирование

Сравнения первых прочитанных геномов показали, что между ними может быть до трех миллионов различий. Примерно в то же время появились ДНК-микрочипы, позволяющие найти отличия между геномами. Можно даже визуально отследить совпадения. Для этого на изучаемом образце нужно пометить все точки флюоресцентным маркером. Совпадающие с ДНК на микрочипе участки подсветятся. Далее уже можно менять отдельные участки клетки, создавая полиморфизмы.

Наверное, главная практическая ценность — возможность вылечить человека от генетических наследуемых болезней или попытаться предотвратить их. Первая такая успешная операция на взрослом была проведена в 2017 году, когда мужчину избавили от синдрома Хантера. А в 2018 году в Китае родились двое детей, геном которых был изменен на стадии эмбриона методом CRISPR/Cas9. В результате у ВИЧ-инфицированного отца родились здоровые дочери.

Генетическая генеалогия — другое применение секвенирования. Определенные части ДНК позволяют проверить гипотезу, являются ли два человека родственниками и дать ответ с определенной вероятностью.

***

В 2001 году стоимость секвенирования генома одного человека составляла 100 млн долларов. К 2007 можно было это сделать за миллион долларов, а сейчас процедура доступна во многих клиниках, в том числе и в России, где стоимость на данный момент уже ниже 1 000 долларов.

Поэтому как минимум в исследовательских целях научное достижение, к которому шли десятилетиями, превратилось в относительно доступную услугу. И если вы действительно заинтересованы в изучении своей родословной или склонности к генетическим болезням, определенно стоит задуматься.

Читайте также: Как я спасла своего «генетического близнеца»