Новый способ расшифровки генома объяснил парадокс Hox-генов. Компьютерная геномика – новая эра
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» выпускает книгу воспоминаний ученого-генетика Крейга Вентера «Расшифрованная жизнь». Крейг Вентер известен работами по прочтению и расшифровке генома человека. В 1992 году он основал Институт исследований генома (TIGR). В 2010 году Вентер создал первый в мире искусственный организм – синтетическую бактерию Mycoplasma laboratorium. Мы предлагаем вам ознакомиться с одной из глав книги, в которой Крейг Вентер рассказывает о работе 1999–2000 годов по секвенированию генома мухи дрозофилы.
Вперед, и только вперед
Фундаментальные аспекты наследственности оказались, к нашему удивлению, довольно просты, а потому появилась надежда, что, возможно, природа не так уж непознаваема, а ее не раз провозглашаемая самыми разными людьми непостижимость - просто еще одна иллюзия, плод нашего невежества. Это вселяет в нас оптимизм, поскольку, если бы мир был настолько сложным, как уверяют некоторые наши друзья, у биологии не было бы никакого шанса стать точной наукой.
Томас Хант Морган . Физические основы наследственности
Многие спрашивали меня, почему из всех живых существ на нашей планете я выбрал дрозофилу; других интересовало, почему я сразу не перешел к расшифровке генома человека. Дело в том, что нам нужна была основа для будущих экспериментов, мы хотели быть уверенными в правильности нашего метода, прежде чем потратить почти 100 миллионов долларов на секвенирование генома человека.
Маленькая дрозофила сыграла огромную роль в развитии биологии, особенно генетики. Род дрозофилы включает разных мушек - уксусных, винных, яблочных, виноградных, а также фруктовых, - всего около 26 сотен видов. Но стоит произнести слово «дрозофила», и любой ученый сразу подумает об одном определенном виде - Drosophilamelanogaster. Из-за того, что она быстро и легко размножается, эта крошечная мушка служит для биологов-эволюционистов модельным организмом. Они используют ее, чтобы пролить свет на чудо творения - от момента оплодотворения до становления взрослого организма. Благодаря дрозофилам было сделано немало открытий, в том числе обнаружены гомеобокссодержащие гены, регулирующие общее строение всех живых организмов.
Каждый, изучающий генетику, знаком с опытами на дрозофиле, выполненными Томасом Хантом Морганом, отцом американской генетики. В 1910 году он заметил среди обычных красноглазых мушек мутантов мужского пола с белыми глазами. Он скрестил белоглазую мужскую особь с красноглазой женской особью и обнаружил, что их потомство получилось красноглазым: белоглазость оказалась рецессивным признаком, и теперь мы знаем: чтобы у мушек были белые глаза, нужны две копии гена белоглазости, по одному от каждого родителя. Продолжая скрещивать мутантов, Морган обнаружил, что только у мужских особей проявляется признак белых глаз, и сделал вывод, что этот признак связан с половой хромосомой (Y-хромосомой). Морган и его ученики изучали наследуемые признаки у тысяч плодовых мушек. Сегодня эксперименты с дрозофилой ведутся в лабораториях молекулярной биологии всего мира, где это маленькое насекомое изучают более пяти тысяч человек.
Я на собственном опыте понял всю важность дрозофилы, когда использовал библиотеки ее кДНК генов при исследовании адреналиновых рецепторов и обнаружил у мушки их эквивалент - октопаминовые рецепторы. Это открытие указывало на общность эволюционной наследственности нервной системы мушки и человека. Пытаясь разобраться в библиотеках кДНК мозга человека, я путем компьютерного сопоставления генов человека с генами дрозофилы нашел гены со сходными функциями.
Проект секвенирования гена дрозофилы был запущен в 1991 году, когда Джерри Рубин из Калифорнийского университета в Беркли и Аллен Спредлинг из института Карнеги решили, что настало время приняться за эту задачу. В мае 1998 года 25% секвенирования было уже завершено, и я внес предложение, которое, по словам Рубина, было «слишком хорошим, чтобы от него отказаться». Моя идея была довольно рискованной: тысячам исследователей плодовой мушки из разных стран предстояло пристально изучить каждую букву полученного нами кода, сравнивая ее с высококачественными, эталонными данными самого Джерри, а затем сделать заключение о пригодности моего метода.
Исходный план предполагал завершение секвенирования генома мушки в течение шести месяцев - к апрелю 1999 года, чтобы затем начать атаку на геном человека. Мне казалось, это самый эффектный и всем понятный способ продемонстрировать, что наш новый метод работает. А если у нас ничего не получится, полагал я, то лучше в этом быстро убедиться на примере дрозофилы, чем работая над геномом человека. Но, по правде говоря, полная неудача была бы самым впечатляющим провалом в истории биологии. Джерри тоже рисковал своей репутацией, поэтому все в Celera были полны решимости поддержать его. Я попросил Марка Адамса возглавить нашу часть проекта, и так как у Джерри в Беркли тоже была первоклассная команда, наше сотрудничество шло как по маслу.
Прежде всего встал вопрос о чистоте ДНК, которую нам предстояло секвенировать. Как и люди, мушки различаются на генетическом уровне. Если генетических вариаций в популяции более 2%, и мы имеем 50 различающихся индивидуумов в выбранной группе, то расшифровка оказывается весьма сложной. В первую очередь Джерри пришлось провести инбридинг мушек в максимально возможной степени, чтобы предоставить нам однородный вариант ДНК. Но для обеспечения генной чистоты инбридинга было недостаточно: при извлечении ДНК мушки существовала опасность загрязнения генетическим материалом из клеток бактерий, находящихся в пище мушки или в ее кишечнике. Чтобы избежать этих проблем, Джерри предпочитал извлекать ДНК из мушиных эмбрионов. Но и из клеток эмбрионов приходилось сначала выделять ядра с нужной нам ДНК, чтобы не загрязнять ее внеядерной ДНК митохондрий - «силовых установок» клетки. В результате мы получили пробирку с мутноватым раствором чистой дрозофильной ДНК.
Летом 1998 года команда Хэма, имея такую чистую ДНК мушки, приступила к созданию библиотек ее фрагментов. Сам Хэм больше всего любил разрезать ДНК и соединять внахлест полученные фрагменты, понизив чувствительность своего слухового аппарата, чтобы никакие посторонние звуки не отвлекали его от работы. Создание библиотек должно было положить начало масштабному секвенированию, но пока повсюду раздавались одни только звуки дрели, стук молотков и визжание пил. Рядом постоянно мозолила глаза целая армия строителей, а мы продолжали решать важнейшие проблемы - устранение неполадок в работе секвенаторов, роботов и другого оборудования, пытаясь не за годы, а за считанные месяцы создать с нуля настоящую «фабрику» секвенирования.
Первый секвенатор ДНК модели 3700 был доставлен в Celera 8 декабря 1998 года и встречен c большим восторгом и всеобщим вздохом облегчения. Устройство извлекли из деревянного ящика, поместили в комнату без окон в подвале - его временное пристанище, и сразу приступили к пробным испытаниям. Когда он заработал, мы получили очень качественные результаты. Но эти первые экземпляры секвенаторов работали весьма нестабильно, а некоторые были неисправны с самого начала. С работающими тоже постоянно возникали проблемы, порой чуть ли не ежедневно. Например, в программе управления роботом-манипулятором появилась серьезная ошибка - иногда механическая рука робота на большой скорости выдвигалась над устройством и с размаху врезалась в стену. В результате секвенатор останавливался, и для его починки приходилось вызывать ремонтную бригаду. Некоторые секвенаторы выходили из строя из-за блуждающих лазерных лучей. Для защиты от перегрева использовались ленты из фольги и скотча, поскольку при высокой температуре из последовательностей испарялись окрашенные в желтый цвет фрагменты Gs.
Хотя устройства теперь поставлялись регулярно, около 90% из них с самого начала были неисправны. В некоторые дни секвенаторы вообще не работали. Я твердо верил в Майка Ханкапиллера, однако моя вера сильно поколебалась, когда он стал винить в неудачах наших сотрудников, строительную пыль, малейшие колебания температуры, фазы Луны и так далее. Некоторые из нас от стресса даже поседели.
Не подающие признаков жизни 3700-е, ожидающие отправки обратно в ABI, стояли в кафетерии, и, в конце концов, дошло до того, что нам приходилось обедать практически в «морге» секвенаторов. Я был в отчаянии - ведь мне ежедневно нужно было определенное количество работающих устройств, а именно 230! За примерно 70 миллионов долларов компания ABI обещала предоставить нам или 230 абсолютно исправных устройств, работающих без перебоев целый день, или 460, которые работали хотя бы полдня. Кроме того, Майку следовало удвоить количество квалифицированного технического персонала для незамедлительного ремонта секвенаторов после поломки.
Однако какой интерес заниматься всем этим за те же деньги! К тому же у Майка появился еще один клиент - государственный геномный проект, руководители которого уже начали закупать сотни устройств безо всякого тестирования. Будущее Celera зависело от этих секвенаторов, но Майк, по-видимому, не понимал, что и будущее ABI от них зависело. Конфликт был неизбежен, что и проявилось на важном совещании инженеров ABI и моей команды, состоявшемся в Celera.
После того, как мы сообщили об огромном количестве дефектных приборов и о том, как много времени требуется на исправление поломок секвенаторов, Майк снова попытался свалить всю вину на моих сотрудников, но даже его собственные инженеры с ним не согласились. В конце концов вмешался Тони Уайт. «Мне все равно, сколько это стоит и кого нужно прибить за это», - сказал он. Тогда он в первый и последний раз действительно встал на мою сторону. Он приказал Майку как можно скорее обеспечить поставку новых секвенаторов, даже в ущерб другим клиентам и даже если пока неизвестно, во сколько это обойдется.
Тони также распорядился, чтобы Майк нанял еще двадцать специалистов для оперативного ремонта и определения причин всех проблем. На деле это было легче сказать, чем сделать, потому что опытных работников не хватало. Начать с того, что Эрик Ландер переманил двоих из самых квалифицированных инженеров, и по мнению Майка, тут тоже были виноваты мы. Повернувшись к Марку Адамсу, Майк сказал: «Вы должны были нанять их раньше, чем это сделал кто-то другой». После такого заявления я окончательно потерял к нему всякое уважение. Ведь согласно нашему договору, я не мог нанимать сотрудников ABI, в то время как Ландер и другие руководители государственного проекта генома имели на это право, поэтому очень скоро лучшие инженеры ABI начали работать на наших конкурентов. К концу совещания я понял - проблемы остались, но луч надежды на улучшение все-таки забрезжил.
Так и произошло, хотя и не сразу. Наш арсенал секвенаторов увеличился с 230 до 300 устройств, и если 20–25% из них отказывали, мы все-таки имели около 200 работающих секвенаторов и кое-как справлялись с поставленными задачами. Технические сотрудники работали героически и неуклонно увеличивали темп ремонтных работ, сокращая простои. Все это время я думал об одном: то, что мы делаем, - выполнимо. Неудачи возникали по тысяче причин, но провал не входил в мои планы.
Мы всерьез взялись за секвенирование генома дрозофилы 8 апреля, примерно тогда, когда уже должны были завершить эту работу. Я, конечно, понимал, что Уайт хочет от меня избавиться, но делал все от меня зависящее ради выполнения главной задачи. Напряжение и беспокойство преследовали меня и дома, но с самым своим «доверенным лицом» я эти проблемы обсуждать не мог. Клэр откровенно демонстрировала свое презрение, видя, насколько я поглощен делами Celera. Ей казалось, что я повторяю те же ошибки, которые делал, работая в TIGR/HGS. К 1 июля я чувствовал себя глубоко подавленным, как это уже было во Вьетнаме.
Поскольку конвейерный метод пока у нас не работал, нам предстоял тяжелый изнурительный труд - заново «склеивать» фрагменты генома. Чтобы обнаруживать совпадения и не отвлекаться на повторы, Джин Майерс предложил алгоритм на основе ключевого принципа моего варианта метода дробовика: секвенировать оба конца всех полученных клонов. Поскольку Хэм получал клоны трех точно известных размеров, мы знали, что две концевые последовательности находятся на строго определенном расстоянии друг от друга. Как и прежде, этот способ «нахождения пары» даст нам прекрасную возможность снова собрать геном.
Но поскольку каждый конец последовательности секвенировался отдельно, для обеспечения четкой работы этого метода сборки нужно было вести тщательный учет - для абсолютной уверенности, что мы смогли правильно соединить все пары концевых последовательностей: ведь если хотя бы одна из ста попыток приведет к ошибке и не найдется соответствующая пара для последовательности, все пойдет насмарку и метод не сработает. Один из способов избежать этого - использование штрих-кода и датчиков для отслеживания каждого этапа процесса. Но в начале работы у лаборантов не было необходимого программного обеспечения и оборудования для секвенирования, поэтому приходилось делать все вручную. В Celera небольшая команда, менее двадцати человек, каждый день обрабатывала рекордное количество клонов - 200 тысяч. Мы могли предвидеть некоторые ошибки, например неправильное прочтение данных из 384 лунок, а затем использовать компьютер для нахождения явно ошибочной операции и исправить положение. Конечно, еще оставались отдельные недочеты, но это только подтверждало мастерство команды и уверенность, что мы можем устранять ошибки.
Несмотря на все сложности, мы сумели за четыре месяца прочесть 3156 миллионов последовательностей, всего около 1,76 миллиарда нуклеотидных пар, содержащихся между концами 1,51 миллиона клонов ДНК. Теперь настала очередь Джина Майерса, его команды и нашего компьютера - нужно было сложить все участки вместе в хромосомы дрозофилы. Чем длиннее становились участки, тем менее точным оказывалось секвенирование. В случае дрозофилы последовательности насчитывали в среднем 551 нуклеотидную пару, и средняя точность была 99,5%. Если иметь 500-буквенные последовательности, почти любой может определить места совпадений, передвигая одну последовательность вдоль другой до тех пор, пока не обнаружатся совпадения.
Для секвенирования Haemophilus influenzae у нас было 26 тысяч последовательностей. Для сравнения каждой из них со всеми остальными потребовалось бы проделать 26 тысяч сравнений в квадрате, или 676 миллионов. Геном дрозофилы, с его 3,156 миллиона прочтений потребовал бы около 9,9 триллиона сравнений. В случае человека и мыши, где мы произвели 26 миллионов прочтений последовательности, требовалось около 680 триллионов сравнения. Поэтому не вызывает удивления, что большинство ученых весьма скептически относились к возможному успеху этого метода.
Хотя Майерc и обещал все наладить, у него постоянно возникали сомнения. Теперь он работал дни и ночи напролет, выглядел измученным и как-то посерел. К тому же у него были проблемы в семье, и он стал большую часть свободного времени проводить с журналистом Джеймсом Шривом, который писал о нашем проекте и как тень следил за ходом исследований. Пытаясь как-то отвлечь Джина, я взял его с собой на Карибы - расслабиться и походить под парусом на моей яхте. Но и там он часами сидел, скрючившись над ноутбуком, нахмурив черные брови и щуря свои черные глаза от яркого солнца. И, несмотря на невероятные трудности, Джин и его команда сумели за полгода сгенерировать более полумиллиона строк компьютерного кода для нового ассемблера.
Если бы результаты секвенирования были стопроцентно точными, без повторяющихся ДНК, сборка генома была бы относительно несложной задачей. Но в реальности геномы содержат большое количество повторяющихся ДНК разного типа, разной длины и частоты. С короткими повторами, состоящими из менее пяти сотен пар нуклеотидов, справиться относительно легко, с более длинными повторами - сложнее. Для решения этой проблемы мы использовали метод «нахождения пары», то есть секвенировали оба конца каждого клона и получали клоны разной длины для обеспечения максимального количества совпадений.
Алгоритмы, закодированные в полумиллионе строк компьютерного кода команды Джина, предполагали поэтапный сценарий - от самых «безвредных» действий, например простого перекрывания двух последовательностей, до более сложных, например использования обнаруженных пар для слияния островков перекрывшихся последовательностей. Это было похоже на сложение головоломки, когда небольшие островки собранных участков составляются вместе и образуют большие острова, а затем весь процесс повторяется снова. Только вот в нашей головоломке было 27 миллионов фрагментов. И было очень важно, чтобы участки брались из последовательности высокого качества сборки: представьте себе, что будет, если вы собираете пазл, а цвета или изображения его элементов нечеткие и размытые. Для дальнего порядка последовательности генома значительная доля прочтений должна быть в виде совпадающих пар. Учитывая, что результаты все еще отслеживались вручную, мы с облегчением обнаружили, что 70% имевшихся у нас последовательностей именно такие. Специалисты по компьютерному моделированию объяснили, что при меньшем проценте собрать нашего «шалтая-болтая» было бы невозможно.
И теперь мы смогли использовать ассемблер Celera для секвенирования последовательности: на первом этапе результаты корректировались для достижения самой высокой точности; на втором этапе программа Screener удаляла загрязняющие последовательности из ДНК плазмиды или E. coli. Процесс сборки может быть нарушен всего-навсего какими-то 10 парами оснований «чужой» последовательности. На третьем этапе программа Screener проверяла каждый фрагмент на соответствие известным повторяющимся последовательностям в геноме плодовой мушки - данным Джерри Рубина, который их «любезно» нам предоставил. Местоположение повторов с частично перекрывающимися участками записывалось. На четвертом этапе другая программа (Overlapper) обнаруживала перекрывающиеся участки, сравнивая каждый фрагмент со всеми остальными, - колоссальный эксперимент по обработке огромного объема числовых данных. Ежесекундно мы сравнивали 32 миллиона фрагментов с целью обнаружить по крайней мере 40 перекрывающихся пар оснований с менее 6% различий. При обнаружении двух перекрывающихся участков мы объединяли их в больший фрагмент, так называемый «контиг» - набор перекрывающихся фрагментов.
В идеальном случае этого бы вполне хватило для сборки генома. Но нам приходилось бороться со статтерами и повторами в коде ДНК, а это означало, что один фрагмент ДНК может перекрываться с несколькими различными участками, создавая ложные соединения. Чтобы упростить задачу, мы оставляли только однозначно соединенные фрагменты, так называемые «унитиги». Программа, с помощью которой мы выполняли эту операцию (Unitigger), по существу удаляла всю последовательность ДНК, которую мы не могли с уверенностью определить, оставляя лишь эти унитиги. Этот шаг не только дал нам возможность рассмотреть другие варианты сборки фрагментов, но и существенно упростил задачу. После редукции количество перекрывающихся фрагментов сократилось с 212 миллионов до 3,1 миллиона, и проблема упростилась в 68 раз. Детали головоломки постепенно, но неуклонно вставали на свои места.
А затем мы могли использовать информацию о способе спаривания последовательностей одного и того же клона, используя «каркасный» алгоритм. Все возможные унитиги со взаимно перекрывающимися парами оснований объединялись в специальные каркасы. Для описания этого этапа в своих лекциях я провожу аналогию с детским игрушечным конструктором Tinkertoys. Он состоит из палочек разной длины, которые можно вставлять в отверстия, расположенные на деревянных узловых деталях (шариках и дисках), и составить так объемную конструкцию. В нашем случае узловые детали - это унитиги. Зная, что парные последовательности располагаются на концах клонов длиной в 2 тысячи, 10 тысяч или 50 тысяч пар оснований - то есть как бы находятся на расстоянии определенного количества отверстий друг от друга, - их можно выстроить в одну линию.
В результате тестирования этой методики на последовательности Джерри Рубина, составлявшей примерно одну пятую генома плодовой мушки, мы получили всего лишь 500 пробелов. Проведя в августе испытания на наших собственных данных, мы получили в результате более 800 тысяч небольших фрагментов. Существенно большее количество данных для обработки показало, что методика работала плохо - результат оказался противоположным ожидаемому. В течение нескольких следующих дней паника нарастала, а список возможных ошибок удлинялся. С верхнего этажа корпуса № 2 адреналиновый раж просачивался в комнату, шутливо называемую «Безмятежными покоями». Однако никакого покоя и безмятежности там не ощущалось, особенно в течение по крайней мере пары недель, когда сотрудники буквально кругами слонялись в поисках выхода из создавшегося положения.
В конце концов проблему решил Артур Делчер, работавший с программой Overlapper. Он заметил нечто странное в 678-й строке кода из 150 тысяч строк, в том месте, где пустяковая неточность означала, что важная часть совпадений не записана. Ошибка была исправлена, и 7 сентября у нас было 134 клеточных каркаса, покрывавших действующий (эухроматический) геном плодовой мушки. Мы были в восторге и с облегчением выдохнули. Пришла пора объявить всему миру о нашем успехе.
Конференция по секвенированию генома, которую я начал проводить несколько лет назад, предоставляла для этого прекрасную возможность. Я был уверен, что найдется большое количество жаждущих удостовериться, сдержали ли мы свое обещание. Я решил, что рассказывать о наших достижениях, и прежде всего о процессе секвенирования, сборке генома и значении этого для науки, должны Марк Адамс, Джин Майерс и Джерри Рубин. Из-за наплыва желающих приехать на конференцию мне пришлось перенести ее из Хилтон-Хеда в более вместительный отель «Фонтенбло» в Майами. На конференции присутствовали представители крупных фармацевтических и биотехнических компаний, специалисты по геномным исследованиям со всего мира, довольно много обозревателей, репортеров и представителей инвестиционных компаний - все были в сборе. Наши конкуренты из компании Incyte потратили немалые средства на организацию приема после окончания конференции, корпоративную видеосъемку и прочее - делали все, дабы убедить публику, что именно они предлагают «самую подробную информацию о геноме человека».
Мы собрались в большом конференц-зале. Выдержанный в нейтральных тонах, украшенный настенными светильниками, он был рассчитан на две тысячи человек, но народ все прибывал, и вскоре зал заполнился до отказа. Открытие конференции состоялось 17 сентября 1999 года, и на первом заседании с сообщениями выступили Джерри, Марк и Джин. После небольшого вступления Джерри Рубин объявил, что собравшимся предстоит услышать о лучшем совместном проекте известных компаний, в котором ему когда-либо довелось участвовать. Атмосфера накалялась. Аудитория поняла, что он не стал бы говорить так высокопарно, если бы у нас не было заготовлено что-то действительно сенсационное.
В воцарившейся тишине Марк Адамс начал подробно описывать работу нашего «производственного цеха» в Celera и наши новые методы секвенирования генома. Однако при этом он ни слова не сказал о собранном геноме, словно поддразнивая публику. Затем вышел Джин, поведавший о принципах метода дробовика, о секвенировании Haemophilus, об основных стадиях работы ассемблера. С помощью компьютерной анимации он продемонстрировал весь процесс обратной сборки генома. Отведенное на выступления время заканчивалось, и многие было уже решили, что все ограничится элементарной презентацией с использованием программы PowerPoint, без предъявления конкретных результатов. Но тут Джин c ехидной улыбкой заметил, что аудитория, наверное, захочет все-таки увидеть реальные результаты и не удовольствуется имитацией.
Невозможно было представить наши результаты яснее и выразительнее, чем это сделал Джин Майерс. Он понял, что сами по себе результаты секвенирования не произведут должного впечатления, поэтому для большей убедительности сравнил их с результатами кропотливого исследования Джерри традиционным методом. Они оказались идентичными! Таким образом, Джин сравнил результаты нашей сборки генома со всеми известными маркерами, картированными на геноме плодовой мушки десятки лет назад. Из тысяч маркеров только шесть не совпадали с результатами нашей сборки. Тщательно исследовав все шесть, мы убедились, что секвенирование в Celera было верным и что ошибки содержались в работах, выполненных в других лабораториях старыми методами. Под конец Джин сообщил, что мы только что приступили к секвенированию ДНК человека, и с повторами здесь наверняка будет меньше проблем, чем в случае дрозофилы.
Последовали громкие и продолжительные аплодисменты. Не прекращавшийся и во время перерыва гул означал, что мы своего добились. Кто-то из журналистов заметил участника государственного проекта генома, сокрушенно качающего головой: «Похоже, эти мерзавцы действительно собираются все сделать» 1 . Мы покинули конференцию с новым зарядом энергии.
Оставалось решить две важные проблемы, и обе были нам хорошо знакомы. Первая - как публиковать результаты. Несмотря на подписанный с Джерри Рубином меморандум о взаимопонимании, сотрудники нашего бизнес-отдела не одобряли идею передачи ценных результатов секвенирования дрозофилы в GenBank. Они предлагали разместить результаты секвенирования плодовой мушки в отдельной базе данных в Национальном центре биотехнологической информации, где ими сможет пользоваться каждый при одном условии - не в коммерческих целях. Вспыльчивый, постоянно курящий Майкл Эшбернер из Европейского института биоинформатики был крайне этим недоволен. Он считал, что компания Celera «всех надула» 2 . (Он писал Рубину: «Что, черт подери, происходит в Celera?» 3) Коллинз тоже был недоволен, но что гораздо важнее, недоволен был и Джерри Рубин. В конце концов я все-таки отослал наши результаты в GenBank.
Вторая проблема касалась дрозофилы - у нас были результаты секвенирования ее генома, но мы совершенно не понимали, что они означают. Нужно было проанализировать их, если мы хотели написать статью, - так же, как четыре года назад в случае с Haemophilus. Анализ и описание генома мушки могли занять более года - а у меня такого времени не было, потому что теперь следовало сосредоточиться на геноме человека. Обсудив это с Джерри и Марком, мы решили вовлечь в работу над Drosophila научное сообщество, превратив это в увлекательную научную задачу, и таким образом быстро продвинуть дело, устроить из скучного процесса описания генома веселый праздник - наподобие международного скаутского слета. Мы назвали его «Геномное Джамбори» и пригласили ведущих ученых со всего мира приехать в Роквилл примерно на неделю или дней на десять - проанализировать геном мушки. На основе полученных результатов мы планировали написать серию статей.
Идея всем понравилась. Джерри начал рассылать приглашения на наше мероприятие группам ведущих исследователей, а специалисты по биоинформатике Celera решали, какие компьютеры и программы понадобятся, чтоб сделать работу ученых максимально эффективной. Мы договорились, что Celera оплатит им расходы на проезд и проживание. Среди приглашенных были и самые мои суровые критики, но мы надеялись, что их политические амбиции не повлияют на успех нашей затеи.
В ноябре к нам прибыло около 40 специалистов по дрозофиле, и даже для наших недругов предложение оказалось слишком привлекательным, чтобы от него отказаться. Вначале, когда участники поняли, что им предстоит проанализировать более ста миллионов пар оснований генетического кода в течение нескольких дней, ситуация была довольно напряженной. Пока вновь прибывшие ученые спали, мои сотрудники круглые сутки трудились, разрабатывая программы решения непредвиденных проблем. К концу третьего дня, когда оказалось, что новые программные средства позволяют ученым, как сказал один из наших гостей, «за несколько часов делать потрясающие открытия, на которые раньше уходила чуть ли не вся жизнь», обстановка разрядилась. Ежедневно в середине дня, по сигналу китайского гонга все собирались вместе - обсудить последние результаты, решить текущие проблемы и составить план работы на следующий раунд.
С каждым днем дискуссии становились все увлекательнее. Благодаря Celera, у наших гостей появилась возможность первыми заглянуть в новый мир, и то, что открывалось взору, превосходило ожидания. Скоро оказалось, что нам не хватает времени обсудить все, что хочется, и понять, что все это значит. Марк устроил праздничный ужин, который продолжался очень недолго, так как все быстро устремились обратно в лаборатории. Скоро обеды и ужины поглощались прямо перед экранами компьютеров с выведенными на них данными о геноме дрозофилы. Впервые были обнаружены долгожданные семейства рецепторных генов и одновременно удивительное количество генов плодовой мушки, аналогичных генам болезней человека. Каждое открытие сопровождалось радостными воплями, свистом и дружескими похлопываниями по плечу. Как это ни удивительно, но среди нашего научного пиршества одна пара нашла время для помолвки.
Было, правда, некое опасение: в ходе работы ученые обнаружили всего около 13 тысяч генов вместо ожидаемых 20 тысяч. Поскольку в «непритязательном» черве C. elegans порядка 20 тысяч генов, многие полагали, что у плодовой мушки их должно быть больше, так как у нее в 10 раз больше клеток и даже есть нервная система. Существовал один простой способ удостовериться, что в расчетах нет ошибки: взять 2500 известных генов мушки и посмотреть, сколько их удалось найти в нашей последовательности. После тщательного анализа Майкл Черри из Стэнфордского университета сообщил, что он обнаружил все гены, кроме шести. После обсуждения эти шесть генов были отнесены к артефактам. То, что гены были выявлены без ошибок, воодушевило нас и придало уверенности. Сообщество тысяч ученых, посвятивших себя исследованию дрозофилы, потратили десятки лет, отслеживая эти 2500 генов, а теперь целых 13 600 были перед ними на экране компьютера.
Во время неизбежной фотосессии в конце работы наступил незабываемый момент: после традиционного похлопывания по плечу и дружеских рукопожатий Майк Эшбернер встал на четвереньки, чтобы я увековечил себя на фотографии, поставив ногу на его спине. Так он хотел - несмотря на все свои сомнения и скептицизм - отдать должное нашим достижениям. Известный генетик, исследователь дрозофилы, он даже придумал соответствующую подпись под фотографией: «Стоя на плечах гиганта». (Он отличался довольно тщедушной фигурой.) «Отдадим должное тому, кто этого заслуживает», - написал он позже 4 . Оппоненты наши пытались представить накладки в передаче результатов секвенирования в общедоступную базу данных как отступление от наших обещаний, но и они вынуждены были признать, что слет внес «чрезвычайно ценный вклад в общемировые исследования плодовой мушки» 5 . Испытав, что такое подлинная «научная нирвана», все расстались друзьями.
Мы решили опубликовать три большие статьи: одну по секвенированию всего генома, где Майк будет первым автором, другую - по сборке генома, где первым автором будет Джин, и третью - по сравнительной геномике червя, дрожжей и генома человека с Джерри в качестве первого автора. Статьи были сданы в редакцию Science в феврале 2000 года и опубликованы в специальном выпуске от 24 марта 2000 года, - меньше чем через год после моей беседы с Джерри Рубином в Колд-Спринг-Харборе. 6 Перед публикацией Джерри организовал для меня выступление на ежегодной конференции по исследованиям дрозофилы в Питтсбурге, на которой присутствовали сотни самых видных специалистов в этой области. На каждое кресло в зале мои сотрудники положили компакт-диск, содержащий весь геном дрозофилы, а также оттиски наших статей, опубликованных в Science. Джерри очень тепло представил меня, уверив собравшихся, что я выполнил все взятые на себя обязательства и что мы прекрасно работали вместе. Мое выступление заканчивалось сообщением о некоторых исследованиях, сделанных во время слета, и краткими комментариями к данным на компакт-диске. Аплодисменты после моего выступления вызвали у меня такое же удивление и были так же приятны, как пять лет назад, когда мы с Хэмом впервые представили геном Haemоphilus на съезде микробиологов. Впоследствии статьи по геному дрозофилы стали наиболее часто цитируемыми статьями в истории науки.
Несмотря на то, что тысячи исследователей плодовой мушки всего мира были в восторге от результатов, мои критики быстро перешли в наступление. Джон Салстон назвал попытку секвенирования генома мушки неудачей, хотя полученная нами последовательность была более полной и более точной, чем результат его кропотливой десятилетней работы по секвенированию генома червя, завершение которой потребовало еще четырех лет после публикации чернового варианта в Science. Коллега Салстона Мейнард Олсон назвал последовательность генома дрозофилы «безобразием», в котором «по милости» Celera придется разбираться участникам государственного проекта генома человека. В действительности же команда Джерри Рубина сумела быстро закрыть оставшиеся пробелы в последовательности путем публикации и сравнительного анализа уже расшифрованного генома менее чем через два года. Эти данные подтвердили, что мы допустили 1–2 ошибки на 10 тысяч пар оснований во всем геноме и менее 1 ошибки на 50 тысяч пар оснований работающего (эухроматического) генома.
Однако, несмотря на всеобщее признание проекта Drosophila, летом 1999 года напряженность в наших отношениях с Тони Уайтом достигла апогея. Уайт никак не мог смириться с вниманием, которое пресса уделяла моей персоне. Каждый раз, приезжая в Celera, он проходил мимо развешанных на стенах в коридоре, рядом с моим кабинетом, копий статей о наших достижениях. А тут мы увеличили одну из них - обложку воскресного приложения газеты USA Today. На ней, под заголовком «Удастся ли этому АВАНТЮРИСТУ совершить величайшее научное открытие нашего времени?» 7 был изображен я, в синей клетчатой рубашке, закинув ногу на ногу, а вокруг меня парили в воздухе Коперник, Галилей, Ньютон и Эйнштейн - и никаких признаков Уайта.
Каждый день его пресс-секретарь звонила узнать, нельзя ли Тони принять участие в кажущемся бесконечным потоке интервью, проходящих в Celera. Он немного успокоился - да и то ненадолго, когда на следующий год ей удалось добиться, чтобы его фотографию поместили на обложке журнала Forbes как человека, который смог увеличить капитализацию компании PerkinElmer от 1,5 миллиарда долларов до 24 миллиардов долларов 8 . («Тони Уайт превратил бедолагу PerkinElmer в высокотехнологичного ловца генов».) Тони не давала покоя и моя общественная активность.
Примерно раз в неделю я выступал c докладом, соглашаясь на малую толику из огромного количества приглашений, которые постоянно получал, потому что мир хотел знать о нашей работе. Тони даже жаловался в совет директоров PerkinElmer, переименованную к тому времени в PE Corporation, что мои поездки и выступления нарушают корпоративные правила. Во время двухнедельного отпуска (за свой счет), который я провел в своем доме на Кейп-Код, Тони вместе с финансовым директором Деннисом Уингером и главным юрисконсультом Applera Уильямом Соучем полетел в Celera, чтобы опросить моих ведущих сотрудников насчет «эффективности руководства Вентера». Они надеялись собрать достаточно грязи, чтобы обосновать мое увольнение. Уайт был поражен, когда все сказали, что если я уйду, они тоже уволятся. Это вызвало огромную напряженность в нашей команде, но и одновременно сплотило нас теснее, чем когда-либо. Мы готовы были праздновать каждую победу как последнюю.
После публикации последовательности генома мушки - к тому времени это была самая большая расшифрованная последовательность в истории - Джин, Хэм, Марк и я подняли тост за то, что выдержали Тони Уайта достаточно долго и добились признания наших успехов. Мы доказали, что наш метод будет работать и при секвенировании генома человека. Даже если бы на следующий день Тони Уайт прекратил финансирование, мы знали - наше главное достижение останется с нами. Больше всего на свете я хотел уйти из Celera и не общаться с Тони Уайтом, но поскольку еще больше я хотел секвенировать геном Homo sapiens, мне приходилось идти на компромисс. Я старался, как мог, ублажить Уайта, только бы продолжить работу и завершить задуманное.
Примечания
1. Shreeve J. The Genome War: How Craig Venter Tried to Capture the Code of Life and Save the World (New York: Ballantine, 2005), p. 285.
2. Ashburner M. Won for All: How the Drosophila Genome Was Sequenced (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), p. 45.
3. Shreeve J. The Genome War, p. 300.
4. Ashburner M. Won for All, p. 55.
5. Sulston J., Ferry G. The Common Thread (London: Corgi, 2003), p. 232.
6. Adams M. D., Celniker S. E. et al. «The Genome Sequence of Drosophila Melanogaster», Science, № 287, 2185–95, March 24, 2000.
7. Gillis J. «Will this MAVERICK Unlock the Greatest Scientific Discovery of His Age? Copernicus, Newton, Einstein and VENTER?», USA Weekend, January 29–31, 1999.
8. Ross P. E. «Gene Machine», Forbes, February 21, 2000.
Крейг Вентер
Команда исследователей из Университетов Чикаго, Висконсина и Небраски-Линкольна опровергла одну из классических гипотез эволюционной адаптации на примере плодовой мухи дрозофилы обыкновенной (Drosophila melanogaster ). В 20 веке эти мушки стали одним из основных модельных организмов для биологии развития и с тех пор часто используются в генетических экспериментах.
Учёные синтезировали древнюю версию одного из генов этого вида и создали трансгенных насекомых (то есть с генами, которые не могут быть приобретены в результате естественного скрещивания). Эксперименты с ними показали, что приспособление мушек к меняющимся условиям среды в ходе развития вида происходило не так, как считалось ранее. (Конкретный пример с пояснением приведём чуть ниже.)
"Одна из главных целей современной эволюционной биологии - определить, какие гены позволили видам . Но это сложно сделать напрямую, потому что мы не можем провести тесты и оценить влияние древних генов на биологию животных, — рассказывает Мо Сиддик (Mo Siddiq) из Чикагского университета. - Мы поняли, что можем решить эту проблему с помощью двух недавно разработанных методик - статистической реконструкции древних нуклеотидных последовательностей и создания трансгенных организмов ".
Проще говоря, биологи решили сначала "открутить время назад", чтобы понять, какими были гены плодовых мушек ранее, затем синтезировать один из них и внедрить его в геном насекомого, чтобы посмотреть, как при этом изменится его жизнь.
Когда учёные изучают адаптацию на уровне молекул, анализ последовательностей нуклеотидов в ДНК помогает им выявить так называемые следы отбора, указывающие на быстрое изменение гена в прошлом. Однако такие прописанные в геноме доказательства можно считать лишь косвенными, ведь причин для эволюции генов может быть очень много, и они необязательно связаны с изменившимися условиями среды, к которой приспосабливался организм. Соответственно, первого метода, упомянутого Сиддиком выше, недостаточно.
В ходе нового исследования учёные попробовали напрямую оценить влияние эволюции генов на адаптацию, добавив к первому методу второй. Руководитель работы Джо Торнтон (Joe Thornton) в своих предыдущих исследованиях уже использовал метод статистического восстановления нуклеотидных последовательностей, опираясь на обширные базы данных о строении геномов современных организмов, синтезировал их и анализировал молекулярные свойства полученных генов в лабораторных условиях.
Он и предположил, что генная инженерия и реконструкция древних генов вместе смогут показать, как изменение генома могло повлиять на организм в целом.
"Эту методику создания древней версии животных можно применять при изучении разных аспектов эволюции, — отмечает Торнтон. - Для первого эксперимента мы выбрали классический пример адаптации - плодовую мушку, которая в процессе эволюции приобрела способность , содержащиеся в гниющих фруктах. Мы обнаружили, что широко распространённая гипотеза о механизмах эволюции плодовых мушек просто-напросто неверна".
Поясним, что в дикой природе D. melanogaster питается продуктами брожения плодов (мелкие насекомые часто появляются и быстро размножаются там, где лежит видавший виды фрукт). Они способны переносить более высокие концентрации спиртов, чем их ближайшие родственники, которые питаются другими продуктами.
Двадцать пять лет назад биологи Чикагского университета Мартин Крейтман (Martin Kreitman) и Джон Макдональд (John McDonald) разработали свой статистический метод выявления следов отбора, который и сегодня остаётся одним из наиболее широко используемых методов. Они продемонстрировали его состоятельность на примере гена алкогольдегидрогеназы (ADH). Этот ген кодирует фермент, который расщепляет этанол в клетках печени.
Крейтман и Макдональд обнаружили в нуклеотидной последовательности ADH следы отбора, а поскольку им было известно, что организм плодовой мушки расщепляет спирты быстрее сородичей, учёные предположили, что именно кодируемый ADH фермент помог мушке приспособиться к высоким концентрациям спирта. В итоге данная работа стала первым признанным научным сообществом случаем, когда специфический ген повлиял на адаптивную эволюцию вида.
Теперь же исследователи из США решили проверить гипотезу при помощи других технологий. Они смоделировали варианты нуклеотидных последовательностей гена до и после того, как плодовая мушка приобрела толерантность к этанолу (около 2-4 миллионов лет назад). Затем учёные синтезировали эти гены, инициировали их экспрессию и проверили способность полученных белков расщеплять спирты. В результате выяснилось, что изменения, которым геном плодовой мушки подвергся в процессе эволюции, не оказали особого влияния на работу фермента.
Тогда учёные встроили "древнюю" форму гена ADH в геном современных плодовых мушек и вывели тысячи модифицированных насекомых, чтобы проверить, как быстро они будут расщеплять этанол и сколько смогут прожить, если будут питаться гниющими плодами с высоким содержанием спиртов.
Эксперименты показали, что плодовые мушки с более древней формой гена ADH перерабатывали этанол не хуже, чем насекомые с "последней версией" гена. Более того, они точно так же взрослели и размножались, питаясь едой с высоким содержанием спиртов.
Таким образом, классическая гипотеза не подтвердилась, точнее, вид D. melanogaster действительно приспособился к богатой спиртами пище в процессе эволюции, однако изменения в ферменте алкогольдегидрогеназы с этим не связаны, делают вывод учёные.
Как поясняет Торнтон, гипотезу о влиянии гена ADH в своё время приняли, потому что экология, физиология и статистические следы селекции указывали в одном направлении.
"Но косвенные доказательства не означают, что предположение обязательно верно. Вот почему теперь, когда технологии дали нам такую возможность, мы хотели непосредственно проверить эту гипотезу", — добавляет он.
Команда исследователей из США надеется, что новая методика получения организмов с более древними версиями генов станет так называемым золотым стандартом в этой области и в будущем поможет точно определять, какие генетические изменения влияли на эволюционные особенности организмов.
Более подробно работа американских генетиков описана в научной статье , опубликованной в журнале Nature Ecology & Evolution.
Напомним, что ранее мы рассказывали о том, как глубоководные водоросли заставили учёных , а эволюционная адаптация . Кроме того, возможности ультрабыстрой эволюции недавно продемонстрировали и .
Ранее биологи изучали формы и функции организмов, переходя от изучения целого к изучению частей живого – органов и тканей. Современная биология изучает части – гены и молекулы, пытаясь воссоздать картину их функционирования в целом организме. Появилась новая наука – геномика . Объектом ее является совокупность всей генетической информации организма – геном. Работа генов определяет, какие белки синтезируются в клетке. Именно от разнообразия и активности белков зависят молекулярные процессы, обеспечивающие жизнь клетки и организма. Установление и характеристика полного набора белков данного организма относится к компетенции еще одного нового направления биологии – протеомики (от protein – белок).
В настоящее время число генов в геноме человека оценивается примерно в 30 тыс. Большинство генов в каждой клетке «молчит». К постоянно работающим во всех клетках относятся гены, кодирующие компоненты аппарата синтеза белка, РНК, ферменты, занимающиеся синтезом и починкой ДНК, ферменты системы обеспечения энергией и другие компоненты, необходимые для ведения «домашнего хозяйства» клетки. В геноме человека заведуют «домашним хозяйством» около одной пятой всех генов. Среди остальных есть гены, работающие только на определенных этапах развития организма, – например, те, которые кодируют эмбриональные белки или обеспечивают лактацию. Другие работают лишь в немногочисленных клетках. Так, способность воспринимать запахи связана с обонятельными рецепторами. Всего найдено около 1 тыс. генов, кодирующих рецептор, и в каждой клетке обонятельной луковицы работает только один ген. К удивлению исследователей, оказалось, что некоторые из этих генов работают и в сперматозоидах (предположительно, потому, что им надо как-то в темноте ориентироваться).
Можно сказать, что в каждой клетке «звучит» свой аккорд генов, определяя спектр синтезируемых на них видов РНК, кодируемых матричной РНК белков и, соответственно, свойства клетки. Набор активных генов различается в зависимости от типа ткани, периода развития организма, полученных внешних или внутренних сигналов.
В генетическом коде перед началом гена находятся промоторы – специальные регуляторные последовательности, которые включают и выключают гены в зависимости от полученных клеткой сигналов. Клетка прекрасно «понимает», когда и какой участок генетического текста надо считывать, реализуя записанную в нем информацию. Более 20 лет назад была расшифрована структура регуляторных участков в ДНК бактерий. С тех пор ученым удалось многое понять в работе генов.
Бурное развитие геномики связано, с одной стороны, с совершенствованием методов секвенирования ДНК, т.е. определения в ней последовательности (англ. sequence – последовательность) нуклеотидов. С другой стороны, лавинообразный рост объема накопленных данных вызвал развитие компьютерных технологий анализа информации, записанной в ДНК. Сейчас изучают уже не отдельные фрагменты ДНК, а целые геномы десятков бактерий, дрожжей, червя-нематоды, мухи дрозофилы.
Конечно же, наибольшие ожидания связаны с изучением генома человека, направленным на выявление нуклеотидных последовательностей всех генов человека, установление их функций и взаимодействий в норме и при нарушениях, приводящих к болезням.
Однако сам по себе нуклеотидный текст – только лишь исходный материал для дальнейшего анализа и выявления в нем генов. Необходимо понять, когда и какие фрагменты ДНК-текстов переписываются в набор молекул РНК, какие белки при этом синтезируются, как меняется при этом структура и функция клетки.
Кроме понимания фундаментальных законов жизни открытия геномики приносят заметную практическую пользу. Фармацевтические компании вкладывают огромные средства в геномные исследования. И не зря. Геномика уже многое дала медицине. А по предсказанию Френсиса Коллинза, возглавляющего американскую программу исследования генома человека, через 40 лет лечение самых различных недугов будет основано на использовании синтетических генных продуктов, которые будут изменять работу заболевших клеток и органов в нужном для выздоровления направлении.
Компьютерные эксперименты
В течение 100 лет изучение генов было основано на экспериментах in vivo (в живой клетке) и in vitro (в пробирке). Появившиеся в 1960-х гг. компьютеры были лишь вспомогательным средством для обработки и хранения данных. С конца 1980-х гг. началось создание баз данных, в которых хранится информация о миллионах последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК или аминокислот в белках. Компьютерный анализ превратился в самостоятельную область науки – биоинформатику . Исследования in silico , т.е. в компьютере, уже привели к расшифровке многих «слов» генетического текста – команд, записанных в ДНК и управляющих жизнью клетки.
Для такой расшифровки используют специально разработанные программы, например, для статистического анализа распределения нуклеотидов в ДНК. Напомним, что в генетическом алфавите всего четыре буквы – А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Любители подсчета буковок выяснили, сколько может идти подряд букв А или как часто Г встречается после Ц в ДНК бактерий или человека.
В «осмысленных», т.е. кодирующих, участках ДНК эти сочетания подчиняются определенным правилам, тогда как в промежутках между генами, там, где ничего существенного в ДНК не записано, частота сочетаний нуклеотидов близка к случайной. Похоже на правила грамматики, которые мы учили в школе: «жи , ши пиши через и ». В словах русского языка буква «ы» после «ж» не встречается (разве что в тетрадях двоечников). Так же и в генетических текстах – в кодирующих участках некоторые сочетания нуклеотидов практически не встречаются, а распределение других сочетаний сильно отличается от случайного. Это видно при подсчете распределения триплетов, кодирующих аминокислоты, в генах излюбленного объекта генетиков – кишечной палочки (см. таблицу на с. 11). У кишечной палочки, так же как и у других организмов, всего имеется 64 триплета. Три из них – ТАА, ТАГ и ТГА – не кодируют аминокислоты, а являются сигналом окончания (терминации) синтеза белка.
Одна и та же последовательность ДНК может быть прочитана тремя способами со сдвигом на один нуклеотид. Способ чтения называется рамкой считывания . Понятно, что терминирующие триплеты не встречаются внутри гена в кодирующей рамке считывания (в других рамках они могут встречаться, но никому там не мешают – они не читаются, если молекулярная машина не собьется). Кодирующие триплеты распределены внутри гена по-разному. Триплет ЦТГ встречается примерно в 10 раз чаще, чем триплет ЦТА, хотя оба они кодируют одну и ту же аминокислоту – лейцин. В межгенных промежутках такие различия частот не наблюдаются.
Такие подсчеты, называемые статистическими методами анализа нуклеотидных последовательностей, позволяют распознать участки генома с определенными свойствами. Например, у бактерий большинство болезнетворных генов находится в так называемых островках патогенности, которые отличаются от остального генома по частоте встречаемости пар нуклеотидов А–Т и Г–Ц.
Где искать гены?
У бактерий выявить гены относительно легко. Во-первых, они занимают 80–90% бактериального генома, так что вероятность попасть в ген гораздо больше, чем промахнуться. Во-вторых, кодирующий участок бактериального гена – это непрерывная открытая рамка считывания, так что если ученому удалось найти в сплошной цепочке букв начало бактериального гена, то он будет читать его, как и клетка, триплетами до самого конца, пока не наткнется на стоп-кодон.
Гены высших организмов, в том числе и человека, искать намного труднее. У человека на участки, кодирующие белки, приходится только 5% генома. При этом кодирующие участки идут не сплошь, как у бактерий, а прерываются вставочными последовательностями – интронами, которые после синтеза матричной РНК из нее вырезаются. Ген может содержать до нескольких десятков кодирующих фрагментов – экзонов, чередующихся с интронами. К тому же в разных клетках могут использоваться разные сочетания экзонов одного и того же гена.
На основе статистического анализа можно с определенной долей вероятности установить, к какому участку генома относится исследуемый фрагмент. Подобно тому, как, включив телевизор и услышав слова «В отличие от обычного средства» или «Дешевле только даром», вы сразу поймете, что попали на рекламный ролик. Эти словосочетания в других передачах почти не встречаются. Так и определенные сочетания нуклеотидов указывают на принадлежность анализируемого куска генетического текста к интрону или экзону, кодирующему белок. Границы интронов и экзонов обозначены в ДНК специальным сочетанием нуклеотидов.
Без компьютерных биоинформационных технологий развитие геномных исследований было бы невозможным. Компьютерный поиск генов особенно важен для исследования генома человека, т.к. методы классической генетики имеют в этом случае ограниченное применение – ведь человек, в отличие от мух-дрозофил, не может быть объектом искусственного мутагенеза или иных генетических экспериментов.
Однако результаты экспериментов, поставленных на животных, могут быть применимы и к человеческому геному. Наиболее важные участки генома относительно мало изменяются в процессе эволюции, и их функции, установленные в экспериментах на мышах или мухах, оказываются такими же и у человека. Компьютерный анализ генетических текстов разных организмов позволяет выявить такие сходные участки.
Медленнее всего меняются участки, кодирующие белки. В наиболее важных белках отдельные участки сохранялись неизменными на протяжении миллиардов лет эволюции – от бактерий до человека. Это дает возможность находить гены при сравнении геномов отдаленно родственных видов. Таким анализом занимается сравнительная геномика. Ее методы используют для выявления родства отдельных генов, родства организмов, установления происхождения видов и более крупных таксонов.
Если сравнивать геномы человека и дрозофилы, то легко выявить гены, т.к. у неродственных организмов более заметна разница между значимыми (медленно меняющимися) и незначимыми участками. Но часть человеческих генов не похожа на мушиные, и выявить их при таком сравнении не удается. У нашей более близкой родственницы – мыши – почти такой же набор генов, как и у человека. Однако сохранение сходства в некодирующих областях создает трудности при выявлении генов сравнительными методами. т.е. выбирать организм для сравнения надо в зависимости от конкретной задачи.
А вот гены шимпанзе почти идентичны человеческим. Генетический текст шимпанзе отличается от нашего в среднем одним нуклеотидом из 300. Так что сравнение генома человека с обезьяньим нельзя использовать для выявления генов. Однако если гены уже известны, то существенные различия между человеком и шимпанзе скорее всего связаны именно с теми генами, которые делают нас людьми. Поэтому, как сообщил недавно журнал Science , в Германии начат проект «Геном шимпанзе».
Сравнительная геномика позволяет по известным функциям генов мухи или червя-нематоды предсказывать функции генов человека. А выявленные у человека гены, работа которых нарушена при тех или иных заболеваниях, могут быть изучены на других животных. Например, у человека найдены гены, мутации в которых приводят к болезни Альцгеймера – одной из форм старческого слабоумия. Оказалось, что изучать действие этих генов и искать способы лечения можно в экспериментах на мухах. Мутации в генах мухи приводят к изменениям в мушиных мозгах, очень сходным с молекулярными нарушениями, происходящими в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. У «слабоумных» мух нарушается способность к запоминанию. Ведется поиск генов мух, связанных с нарушениями памяти, и препаратов, способных замедлить развитие болезни, – сначала у мух, а потом, надо надеяться, и у людей. Важные для медицины и промышленности результаты дали исследования целых геномов бактерий. Уже полностью прочитаны геномы нескольких десятков бактерий. Среди них, кроме уже упоминавшейся кишечной палочки, возбудители социально значимых инфекций – туберкулеза, сифилиса, возбудители тифа, гастрита, некоторые промышленно важные бактерии. Практически все гены в изученных бактериальных геномах выявлены, для многих известны функции белкового продукта. По известным функциям белков проводят реконструкцию обмена веществ – метаболических путей бактерии. Реконструкция основных метаболических процессов организма по последовательности нуклеотидов его генома – одна из важнейших задач геномных исследований. Эту область исследований назвали труднопроизносимым словом метаболомика .
Анализ полной последовательности нуклеотидов генома микобактерии – возбудителя туберкулеза – показал, что у бактерии имеются жизненно важные для нее ферменты, отсутствующие у человека. Поиск лекарств, действующих именно на эти ферменты, обещает переворот в борьбе с инфекцией, уносящей миллионы человеческих жизней.
Перспективы биоинформатики
Экспериментальный поиск одного гена занимает недели и месяцы работы целой лаборатории. Компьютерные методы позволяют сделать это за считанные минуты, если просеквенирована ДНК организма и если есть хорошие алгоритмы поиска. Созданием таких алгоритмов и занимаются специалисты по биоинформатике. Различные программы используют для поиска генов, поиска регуляторных сигналов в ДНК, предсказания структуры и функций белка, его локализации в клетке, для реконструкции метаболизма. Реконструкция метаболических реакций, происходящих в разных клетках и тканях, будет одним из следствий расшифровки генетической информации человека.
Надо отметить, что российская биоинформатика не отстает, а зачастую и опережает мировую. Так, именно российские ученые предложили использовать одновременно несколько разных взаимоподдерживающих алгоритмов анализа последовательностей. Каждая из существующих программ по отдельности ошибается достаточно часто. Но если использовать несколько таких «слабых» программ одновременно, то там, где их предсказания совпадут, обнаружится истина. Например, человеческие гены удается неплохо предсказывать, если одновременно учитывать статистическое распределение нуклеотидов, сигналы сплайсинга и частоту использования кодонов.
Геномные исследования в России развиваются, несмотря на все трудности, с которыми сталкивается наука в нашей стране. И России они необходимы так же, как и другим странам.
Любая биологическая система стремится к поддержанию стабильности своего существования. Даже березовая роща контролирует внутренние условия – в ней и температура воздуха, и освещенность, и влажность воздуха отличаются от окружающих. Со всех видов естественный отбор собирает суровую дань, уничтожая носителей неблагоприятных мутаций, – это плата за приспособленность вида в целом.
К улучшению своей породы люди стремились во все времена. В древней Спарте сбрасывали «неудавшихся» младенцев со скалы. В 1930-х гг. в США с той же целью около 100 тыс. человек было подвергнуто принудительной стерилизации – с точки зрения генетики бессмысленной, т.к. подобные меры не снижают частоты проявления наследственных заболеваний в следующем поколении. В начале третьего тысячелетия человечество стремится взять под контроль собственные генетические процессы и вносить коррективы не ценой жизни носителя неблагоприятных мутаций, а подправляя их генетические тексты с учетом результатов исследований генома человека.
Таблица. Триплетный код (в скобках указана средняя частота встречаемости данного кодона на 1 тыс.) в геноме кишечной палочки
ТТТ (22) Фенилаланин |
ЦЦЦ (5) Пролин |
ААА (35) Лизин |
Размер: px
Начинать показ со страницы:
Транскрипт
1 ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 7 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90 минут). Записывайте ответы на задания в отведённом для этого месте в работе. В случае записи неверного ответа зачеркните его и запишите рядом новый. При выполнении работы разрешается использовать калькулятор. При выполнении заданий Вы можете использовать черновик. Записи в черновике проверяться и оцениваться не будут. Советуем выполнять задания в том порядке, в котором они даны. Для экономии времени пропускайте задание, которое не удаётся выполнить сразу, и переходите к следующему. Если после выполнения всей работы у Вас останется время, Вы сможете вернуться к пропущенным заданиям. Баллы, полученные Вами за выполненные задания, суммируются. Постарайтесь выполнить как можно больше заданий и набрать наибольшее количество баллов. Желаем успеха! 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 1
2 1 Выберите из приведённого перечня систематических таксонов три таксона, которые являются общими при описании изображённых организмов. Ячмень обыкновенный Просо обыкновенное Овёс посевной Перечень таксонов: 1) надцарство Прокариоты 2) царство Растения 3) класс Двудольные 4) отдел Цветковые 5) империя Неклеточные 6) семейство Злаки Запишите номера выбранных таксонов Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 2
3 2 Правило Аллена гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в более холодном климате, имеют выступающие части тела (уши, ноги, хвосты и т.д.) меньшего размера. Рассмотрите фотографии, на которых изображены представители трёх близкородственных видов млекопитающих. Расположите этих животных в той последовательности, в которой их природные ареалы расположены по поверхности Земли с севера на юг. 1. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены фотографии Используя знания по терморегуляции теплокровных животных, объясните, почему у живущих южнее животных лапы длиннее, чем у живущих в более северных широтах Распределите организмы по их положению в пищевой цепи. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов. Перечень организмов: рыбы, водоросли, пингвины, касатки. Пищевая цепь 2. Правило гласит: «Не более 10% энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте количество энергии (в кдж), которое переходит на уровень консументов III порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы кдж Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 3
4 4 Рассмотрите рисунок. Благодаря какому эволюционному процессу образовалось такое многообразие изображённых организмов? 5 Изучите график зависимости роста насекомого от времени (по оси х отложено время (дни), а по оси у длина насекомого (в см)). y 4,5 Взрослое насекомое 4,0 3,5 3,0 Стадии личинки 2,5 2,0 1, Что произойдёт с размерами личинки в интервале от 6-го до 14-го дня? x 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 4
5 6 Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов: для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента. Уровень организации Наука, изучающая данный уровень Пример Молекулярно-генетический (А) (Б) (В) (Г) Пустыня (Д) Морфология (Е) Пропущенные элементы: 1) организменный 2) биогеография 3) биохимия 4) грач 5) сахароза 6) биоценотический Значение витамина С для здоровья настолько велико, что даже незначительный его недостаток вызывает плохое самочувствие. Для того чтобы не испытывать проблем, взрослому человеку необходимо в сутки потреблять с пищей около 90 мг этого витамина. 7 Продукты Содержание, мг/100 г продукта Продукты Содержание, мг/100 г продукта Морковь 5 Помидоры 25 Яблоки 10 Смородина чёрная 200 Картофель 20 Апельсин 60 Капуста цветная 50 Салат овощной Используя данные таблицы, рассчитайте количество витамина С, которое получил человек в течение суток, если в его рационе было: 80 г моркови, 250 г яблок, 100 г картофеля и 80 г помидоров. 2. К каким последствиям может привести недостаток витамина С? 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 5
6 8 Александр проходил диспансеризацию и получил назначение на анализы. Один из них показал, что количество тромбоцитов /л при норме /л. Какой анализ это выявил, каковы возможные последствия? Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера. Список ответов: 1) рентген грудной клетки 2) нарушение свёртываемости крови 3) анализ крови 4) снижение иммунитета 5) анализ кала Анализ Диагноз 9 Определите происхождение болезней, приведённых в списке. Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров. Список болезней человека: 1) гемофилия 2) цинга 3) инфаркт миокарда 4) малярия 5) СПИД Наследственное Приобретённое заболевание заболевание (генное) Инфекционное Неинфекционное 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 6
7 10 В медицинской генетике широко используется генеалогический метод. Он основан на составлении родословной человека и изучении наследования того или иного признака. В подобных исследованиях используются определённые обозначения. Изучите фрагмент родословного древа одной семьи, у некоторых членов которой есть гемофилия. Фрагмент родословного древа семьи Используя предложенную схему, определите: 1) данный признак доминантный или рецессивный; 2) данный признак сцеплен или не сцеплен с половыми хромосомами. 1) 2) 11 Лариса всегда хотела иметь прямой нос, как у её мамы (доминантный признак (А) не сцеплен с полом). Но нос у Ларисы был с горбинкой, как у её отца. Определите генотипы членов семьи по признаку формы носа. Ответы занесите в таблицу. Мать Отец Дочь 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 7
8 12 В суде рассматривался иск об установлении отцовства ребёнка. Был сделан анализ крови ребёнка и его матери. У ребёнка она оказалась II(А), а у матери IV(AB). Проанализируйте данные таблицы и выполните задания. Группа крови отца II(A) IV(AB) II(A) II(A) Группа крови матери II(A) II(A) II(A) Любая Любая II(A), IV(AB) II(A), IV(AB) II(A), II(A), II(A), II(A) IV(AB) IV(AB) IV(AB) IV(AB) 1. Женщина утверждает, что отцом её ребёнка является мужчина с группой крови. Может ли он быть отцом этого ребёнка? Группа крови ребёнка 2. Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли ребёнок быть донором крови для своей матери. Правила переливания крови 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 8
9 3. Используя данные таблицы «Группы крови по системе АВ0», объясните своё решение. * Примечание. Группы крови Антигены Антитела плазмы эритроцитов I α, β II А β III В α IV А, В Антиген любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела. Антитела белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов. При расшифровке генома дрозофилы было установлено, что во фрагменте молекулы ДНК доля гуанина составляет 30%. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + Т = А + Ц), рассчитайте количество (в %) нуклеотидов с аденином в этой пробе Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 9
10 14 1. Рассмотрите изображение органоида эукариотической клетки. Сколько у него мембран? 2. Какие продукты обмена, выделяющиеся в окружающую среду, образуются в этом органоиде? 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 10
11 15 Генетический код свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислот в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты. Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислот составу триплетов. На примере аминокислоты пролин (про) объясните следующее свойство генетического кода: код вырожденный (избыточный). Таблица генетического кода 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 11
12 16 На рисунке изображена панцирная рыба вымершее животное, обитавшее млн лет назад. Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и периоды, в которых обитал данный организм, а также установите родственную ему группу животных среди ныне живущих. ЭРА Название и продолжительность (в млн лет) Кайнозойская, 67 Мезозойская, 163 Геохронологическая таблица Период и продолжительность (в млн лет) Начало Животный и растительный мир (млн лет назад) 67 Антропоген, 1,5 Появление и развитие человека. Формирование существующих растительных сообществ. 230 Животный мир принял современный облик Неоген, 23,5 Господство млекопитающих и птиц Палеоген, 42 Появление хвостатых лемуров, позднее парапитеков, дриопитеков. Бурный расцвет насекомых. Продолжается вымирание крупных пресмыкающихся. Исчезают многие группы головоногих моллюсков. Господство покрытосеменных растений Мел, 70 Появление высших млекопитающих и настоящих птиц, хотя зубастые птицы ещё распространены. Преобладают костистые рыбы. Сокращение многообразия папоротников и голосеменных растений. Появление и распространение покрытосеменных растений Юра, 58 Появление первых птиц, примитивных млекопитающих, расцвет динозавров. Господство голосеменных. Процветание головоногих моллюсков Триас, 35 Начало расцвета пресмыкающихся. Появление костистых рыб 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 12
13 Палеозойская, 295 Нет точных данных Пермь, 55 Вымирание трилобитов. Возникновение зверозубых пресмыкающихся. Исчезновение каменноугольных лесов Карбон, 63 Расцвет земноводных. Появление первых пресмыкающихся. Характерно разнообразие насекомых. Расцвет гигантских хвощей, плаунов, древовидных папоротников Девон, 60 Быстрая эволюция рыб. В позднем девоне многие группы древних рыб вымерли. Суша подверглась нашествию множества членистоногих. Появились первые земноводные. Появились споровые хвощи и плауны Силур, 25 Происходит активное рифостроительство. Распространены ракоскорпионы. Растения заселяют берега водоёмов Ордовик, 42 Кембрий, 56 Множество бесчелюстных рыб. Появляются различные виды водорослей. В конце появляются первые наземные растения В ходе грандиозного эволюционного взрыва возникло большинство современных типов животных. В океанах и морях многообразие водорослей Эра: Периоды: Ближайшие родственники среди современных животных: 2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки Российской Федерации 13
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 11 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 16 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 15 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 12 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 6 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 8 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 6 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Вариант 5 Инструкция по выполнению работы Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90
ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ 11 КЛАСС Пояснения к образцу всероссийской проверочной работы При ознакомлении с образцом проверочной работы следует иметь в виду, что задания, включённые в образец,
ПРОЕКТ ВСЕРОССИЙСКАЯ ПРОВЕРОЧНАЯ РАБОТА БИОЛОГИЯ, 11 КЛАСС Пояснения к образцу всероссийской проверочной работы При ознакомлении с образцом проверочной работы следует иметь в виду, что задания, включённые
Всероссийская проверочная работа по БИОЛОГИИ ПРОЕКТ ОПИСАНИЕ ВСЕРОССИЙСКОЙ ПРОВЕРОЧНОЙ РАБОТЫ ПО БИОЛОГИИ 11 класс подготовлено Федеральным государственным бюджетным научным учреждением «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
МБОУ «СОШ 1 им. Героя Советского Союза Каманина Н.П.» г. Меленки Учитель биологии: Бушуева Е.С. Изучить развитие жизни на Земле в разные эры и периоды Учѐные подразделяют историю Земли на длительные промежутки
Что такое эволюция? Эволюция это процесс исторического развития живого мира, направленный на то, чтобы больше приспособиться к условиям обитания. Основные положения эволюционного учения Ч. Дарвина Сущность
Эволюция живых систем. Микро- и макроэволюция Этапы эволюции жизни на Земле. 1. Эволюция прокариот. 2. Эволюция одноклеточных эукариот. 3. Переход к многоклеточности и эволюция многоклеточных организмов.
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области Государственное автономное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Свердловской области «Институт
Билет 6 1. Особенности пластического обмена у растений. Фотосинтез. Строение хлоропластов и их роль в этом процессе. 2. Понятие об органах растений. Функции корня. Виды корней и типы корневых систем. Видоизменения
12 класс. Зачёт по теме «Микроэволюция» На оценку «3» 1. Эволяция это: А) представление об изменении и В) необратимое и в известной мере направленное превращении форм организмов историческое развитие живой
Развитие растительного мира на земле. Вопросы: 1. Что такое эволюция? 2. Какую роль сыграло учение Ч. Дарвина в развитии растительного мира? 3. Можно ли назвать эры этапами развития растительного мира
Итоговая контрольная работа по биологии. 9 класс Инструкция: На выполнение работы по биологии дается 45 минут. Работа состоит из 2 частей и включает 20 заданий (А1-А15). К каждому заданию дается 4 варианта
Проверочная работа по БИОЛОГИИ 6 КЛАСС Образец Инструкция по выполнению работы На выполнение работы по биологии отводится 45 минут. Работа включает в себя 10 заданий. Ответы на задания запишите в поля
Основные этапы эволюции животных Выполнила Сотникова Е. А. студенка гр. Ф-112 От одноклеточных животных к многоклеточным. Несомненно, первыми на Земле были древние простейшие. От них произошли современные
Тесты входного контроля по биологии Вариант 1 А1. Какая наука изучает влияние загрязнений на окружающую среду? 1) анатомия 2) генетика 3) ботаника 4) экология А2. Какая клеточная структура по своей функции
Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования Педагогический колледж 18 «Митино» Методическая разработка интегрированного
1 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО БИОЛОГИИ 5 КЛАСС Планируемые результаты изучения предмета Предметные результаты: Определять роль в природе различных групп организмов; Объяснять роль живых организмов в круговороте
Биология 9 класс. Демонстрационный вариант 4 (45 минут) 1 Диагностическая тематическая работа 4 по подготовке к ОГЭ-9 по БИОЛОГИИ по темам «Общие закономерности жизни», «Растения. Бактерии. Грибы. Лишайники»,
Наиболее древние ископаемые остатки живых организмов имеют возраст 3,5-3,8 миллиарда лет. Это микроскопические одноклеточные прокариотические организмы сходные по строению с современными бактериями. Кембрий
Развитие органического мира Хронология важнейших этапов эволюции жизни на Земле Криптозой (эон) продолжительность 3,4 млрд. лет. Включает эры: Архейская (древность - 3,3 млрд. л., продолж. 900млн. л.)
Промежуточная аттестация по биологии 9 класс 1 вариант 1.. Мономерами молекул каких органических веществ являются аминокислоты 1) белков 2) углеводов 3) ДНК 4) липидов 2. Какой уровень организации живого
Часть С. Вариант 45 С1 В древней Индии подозреваемому в преступлении предлагали проглотить горсть сухого риса. Если ему это не удавалось, виновность считалась доказанной. Дайте физиологическое об этого
Тематическое планирование по биологии Пояснительная записка Календарно-тематическое планирование составлено в соответствии с Федеральным государственным стандартом, базисным учебным планом 2004 года, программой
«Разнообразие живых организмов» 7 класс (VII вид) Дата Содержание Домашнее задание «Организация живой природы» - 6час 1. Организм. Стр.8-9 2. Вид. Стр.10-11 3. Природное сообщество Стр.12-13 4. Разнообразие
Уро ка Сроки проведения http://www.spheres.ru/biology/method/tp.php Тематическое и поурочное планирование «Биология. Разнообразие живых организмов. 7 класс» Планирование составлено на основе программы
Требования к уровню подготовки учащихся (7 класс) В результате изучения биологии ученик должен: знать/понимать: - признаки биологических объектов: живых организмов; клеток и организмов растений, животных,
Анализ ВШК Предмет Биология. Параллель 5 классов Тема контроля: «Микроскоп» 5А/1 21 5 6 5 5 76% 52% 3,5 5Б/1 24 24 8 13 3 0 100% 88% 4,2 5В/1 28 24 5 12 3 4 83% 71% 3,8 Всего 52 69 18 31 11 9 87% 71% 3,8
Пояснительная записка. Данная программа составлена Учителем биологии Деревянко Е. В. в полном соответствии с федеральным компонентом государственного стандарта среднего (полного) общего образования на
Содержание рабочей программы «Абитуриент» Курс рассчитан на 84 часа. В ходе занятий слушатели курсов решают генетические задачи повышенного уровня сложности, цитологические задачи, отрабатывают навыки
Индивидуальные задания учащимся по итогам тестирования 9в класс Повторить темы, по которым были допущены ошибки сделать краткий конспект. Швачкин 1. Грибы 2. Голосеменные 3. Семейства покрытосеменных 4.
2 словосочетания, целого числа, последовательности цифр или сочетания букв и цифр. 6. Количество заданий в одном варианте теста 50. Часть А 38 заданий. Часть В 12 заданий. 7. Структура теста Раздел 1.
Биология 10 класс. Демонстрационный вариант 2 (45 минут) 1 Диагностическая тематическая работа 2 по подготовке к ЕГЭ по БИОЛОГИИ по теме «Общая биология» Инструкция по выполнению работы На выполнение диагностической
Чтобы два самых авторитетных в мире научных журнала – британский «Nature» и американский «Science» – одновременно посвятили значительную часть своих очередных выпусков одной и той же теме, – такое случается крайне редко. А уж если случается, то свидетельствует о чрезвычайной важности этой темы. Так что публикация сразу 12-ти статей, посвящённых расшифровке генома шимпанзе и его сравнению с геномом человека, – событие, конечно, незаурядное.
Для реализации проекта по картированию и сравнительному анализу генома шимпанзе был создан международный консорциум. В него вошли 67 учёных из 23-х научных учреждений 5-ти стран – США, Израиля, Испании, Италии и Германии. Координировали работу генетики Гарвардского университета и Массачусетского технологического института в Бостоне. А кровь для анализа ДНК дал молодой самец шимпанзе по имени Клинт (Clint), обитатель одной из вольер Национального центра по изучению приматов имени Йеркиса в Атланте, штат Джорджия. К сожалению, в январе нынешнего года донор умер от острой сердечной недостаточности в самом расцвете сил, в возрасте 24-х лет. Его скелет находится теперь в экспозиции музея Филда в Чикаго. Однако самая главная ценность, доставшаяся человечеству в наследство от Клинта, – это порция его крови, послужившая исходным материалом для расшифровки и анализа генома шимпанзе. Теперь приматы пополнили перечень организмов, наследственный материал которых полностью картирован. Этот перечень насчитывает сегодня уже сотни позиций: тут и плесневые грибы, и бактерии, в том числе возбудители опасных инфекционных заболеваний (сибирской язвы, туляремии, чумы, тифа), и растения (рис, кофейное дерево), и насекомые (малярийный комар), и птицы (например, курица), и млекопитающие (мышь, крыса, собака, свинья, корова). Однако человекоподобные обезьяны занимают в этом перечне, конечно же, совершенно особое место. По словам Роберта Уотерстона (Robert Waterston), возглавляющего отдел геномных исследований Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, «изучение шимпанзе как самого близкого из ныне живущих на Земле родственника человека может дать нам максимум информации о нас самих». Однако прежде чем перейти к обсуждению полученных учёными результатов, я позволю себе небольшое отступление – или, если хотите, напоминание, – чтобы было понятнее, о чём, собственно, речь.
Как известно, любой живой организм состоит из клеток, и в ядре каждой клетки имеется один и тот же свойственный данному биологическому виду набор генетической информации. Этот набор и именуется геномом. Носителем генетической информации являются хромосомы. Хромосома представляет собой молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращённо – ДНК) и состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой и соединённых друг с другом так называемыми водородными связями. Эта молекула именуется двойной спиралью, её можно несколько упрощённо представить себе в виде скрученной верёвочной лестницы. Разным видам животных присуще разное количество хромосом. Так, человеческий геном состоит из 23 пар хромосом – в каждой паре одна хромосома происходит от отца, другая – от матери. У плодовой мушки – дрозофилы – в ядрах клеток содержится по 4 пары хромосом, а, например, бактерии имеют всего одну непарную хромосому. На хромосомах в строго определённых участках расположены гены – своего рода единицы наследственности. В химическом отношении гены состоят из молекул 4-х азотистых соединений – аденина, цитозина, гуанина и тимина. Эти так называемые нуклеотидные основания повторяются в строго определённом порядке, образуя пары «аденин – тимин» и «гуанин – цитозин». Один ген может содержать от нескольких тысяч до более чем двух миллионов нуклеотидных оснований. Именно их последовательностью и определяются специфические функции каждого конкретного гена.
Образно геном можно представить себе так: ядро клетки – это библиотека, в которой хранятся инструкции по обеспечению жизни; хромосомы играют роль книжных полок; на полках стоят книги – молекулы ДНК; гены – это главы внутри книг, а нуклеотидные основания – аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые принято обозначать начальными буквами их названий А, Т, G и С, – это тот самый алфавит, которым записан текст генома. Геном человека, например, – это цепочка из 3-х миллиардов 200-т миллионов букв.
Но того, что гены есть и что они работают, ещё недостаточно: они должны работать по-разному, обеспечивая те или иные специфические функции. Ведь клетки разных органов и тканей – скажем, кожи, печени, сердца и головного мозга, – разительно отличаются друг от друга. Между тем, ядро каждой из них содержит один и тот же набор генов. Всё дело – в активности генов: в одних клетках работают одни гены, в других – другие. Так что хромосомы являются носителями не только генов, но и тех белковых факторов, которые контролируют их функции. Этот набор генов вместе с регулирующими элементами и составляет ту структуру внутри клетки, которая обеспечивает все необходимые функции.
А теперь, вооружившись этими знаниями, давайте вернёмся к тем результатам, что были получены в ходе расшифровки генома шимпанзе. По вполне понятным причинам, наибольший интерес и у специалистов, и у широкой общественности вызывает каталог тех отличий в генетических кодах шимпанзе и человека, которые накопились за минувшие 6 с лишним миллионов лет, с тех пор, как эволюционные пути двух видов, имевших общего предка, разошлись. Сванте Пябо (Svante Pääbo), сотрудник Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге и один из участников проекта, оценивает полученную базу данных так:
Она представляет собой чрезвычайно полезный инструмент, который поможет нам в поиске ответа на вопрос, какими генетическими мутациями объясняется разительное отличие человека как биологического вида от всех прочих видов животных. Одно из направлений этого поиска сводится к тому, чтобы попытаться выявить взаимосвязь между генетическими различиями и активностью тех или иных генов.
Прежде всего, следует отметить, что полученные данные удивили специалистов. Главная неожиданность заключается в том, что геном шимпанзе, как оказалось, совпадает с геномом человека на 98,8 процента. Грубо говоря, генетическое сходство между человеком и шимпанзе в 10 раз больше, чем между мышью и крысой. Дилетантов, скорее всего, поразит столь большое сходство, эта почти полная идентичность геномов, однако учёных удивило как раз обратное: то, что отличие оказалось всё же довольно значительным. Тем более, что эта цифра – совпадение на 98,8 процента – не в полной мере отражает положение дел. Она получается при сравнении отдельных букв генетического кода в кодирующей ДНК. Здесь учёные насчитали 35 миллионов расхождений, что и составило 1,2 процента от всего генома шимпанзе, который насчитывает около 3-х миллиардов 100 миллионов нуклеотидных пар. Но это далеко не всё: существенные различия были обнаружены и в распределении тех последовательностей нуклеотидных оснований, которые образуют некодирующую, «эгоистическую» ДНК. Эти несовпадения составили ещё 2,7 процента от всего генома, что дало в сумме уже почти 4 процента.
В общей сложности у шимпанзе не оказалось 53-х генов из тех, что имеются у человека. В частности, в геноме шимпанзе отсутствуют три гена, играющие ключевую роль в развитии воспалений, которые, как известно, являются причиной многих заболеваний человека. С другой стороны, человек, похоже, утратил в процессе эволюции ген, который предохраняет животных от болезни Альцгеймера.
Наиболее значительные отличия касаются генов, регулирующих иммунную систему. По мнению профессора Эвана Эйклера (Evan Eichler), сотрудника Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, это свидетельствует о том, что в процессе эволюционного развития шимпанзе и человеку пришлось противостоять разным патогенам и бороться с разными болезнями. Сванте Пябо (Svante Pääbo) поясняет:
Прежде всего, мы задались вопросом, какие сегменты ДНК могут внести ясность в историю происхождения ряда болезней. Мы знаем, что некоторые генетические структуры, вызывающие то или иное заболевание, встречаются и у шимпанзе, и у человека. Видимо, эти структуры унаследованы обоими видами от их общего предка. Однако есть болезни, генетическая предрасположенность к которым возникла в процессе эволюции только у человека. В этих случаях сравнительный анализ ДНК даст нам ценную информацию о генетической природе таких заболеваний и о восприимчивости к ним человека как биологического вида.
Анализируя собранные данные, учёные произвели своего рода компьютерное наложение карты генома шимпанзе на карту генома человека, что позволило им выделить три категории так называемых ДНК-дупликаций – тех, что имеются в геноме человека, но отсутствуют в геноме шимпанзе, тех, что имеются в геноме шимпанзе, но отсутствуют в геноме человека, и тех, что имеются в геноме обоих видов. ДНК-дупликация – это одна из форм мутации, при которой участок хромосомы удваивается. В данном случае учитывались сегменты ДНК длиной не менее 20-ти тысяч нуклеотидных пар. Оказалось, что примерно треть ДНК-дупликаций, обнаруженных у человека, отсутствуют у шимпанзе. По словам Эйклера, эта цифра изрядно удивила генетиков, поскольку она свидетельствует об очень высокой частоте мутаций за короткий – по эволюционным меркам – промежуток времени. В то же время анализ ДНК-дупликаций, присущих только геному шимпанзе, показал, что хотя количество мест, где они встречаются, относительно невелико, зато количество копий дуплицированных сегментов намного превышает этот показатель у человека. Да и в тех случаях, когда ДНК-дупликация имеет место и у шимпанзе, и у человека, у шимпанзе она обычно представлена большим количеством копий. В частности, учёные обнаружили сегмент, который в геноме человека встречается 4 раза, а в геноме шимпанзе – 400 раз. Интересно то, что этот участок расположен вблизи того региона, который у шимпанзе и других больших обезьян разделён на 2 хромосомы, а у человека слит в одну – хромосому №2.
Впрочем, разительные отличия между обезьяной и человеком объясняются не столько разночтениями генетического кода, сколько различной активностью генов, – подчёркивает Сванте Пябо. Руководимая им группа исследователей изучила и сравнила активность 21 тысячи генов в клетках сердца, печени, почек, яичек и головного мозга обоих приматов. Оказалось, что полного совпадения активности генов нет ни в одном из этих органов, но различия распределены крайне неравномерно. Как это ни удивительно, наименьшие отличия учёные зарегистрировали в клетках головного мозга – они составили всего несколько процентов. А наибольшие отличия были обнаружены в яичках: здесь каждый третий ген обладает другой активностью. Впрочем, это вполне объяснимо, если иметь в виду, что шимпанзе не образуют моногамных семей, а живут группами, своего рода коммунами, насчитывающими 25-30 особей обоего пола. То есть «беспорядочные половые связи» у шимпанзе распространены значительно шире, чем у людей. Чтобы повысить свои шансы на продолжение рода в условиях промискуитета, самцы шимпанзе должны производить огромное количество спермы. Не случайно яички у них в десять раз крупнее, чем у мужчин «гомо сапиенс». Но дело, конечно, не только в размерах, – говорит Сванте Пябо:
Полученные нами данные свидетельствуют об очень высокой активности тех генов на Y-хромосоме, которые непосредственно отвечают за производство спермы.
И тому факту, что человек физически гораздо слабее шимпанзе, учёные нашли генетическое объяснение: у обезьян мускулатура работает в 5-7 раз эффективнее потому, что у всех представителей рода человеческого ген MYH16, кодирующий «миозин» – белок мышечных волокон – представлен мутированной копией.
Однако если сконцентрироваться на вопросе, в чём всё-таки состоит главное генетическое отличие человека как биологического вида от обезьяны и чем объясняется столь успешная экспансия человека в ходе эволюции, то ответ, видимо, следует искать в выделенных учёными 6-ти участках генома. В геноме человека эти участки, содержащие в общей сложности несколько сотен генов, столь стабильны, что практически идентичны у всех людей; в геноме шимпанзе они, напротив, часто содержат мутации. Видимо, считают учёные, эти участки играли чрезвычайно важную роль в процессе нашей эволюции. Примечательно, что на одном из этих участков расположен ген FOXP2 – один из 4-х генов, ответственных за развитие речи. Как показали эксперименты, в лабораторных условиях обезьяны способны усвоить довольно значительный набор знаков и символов; шимпанзе, живущие на воле, используют для коммуникации весьма богатый ассортимент звуков; однако они физически не в состоянии совершать губами и языком те движения, которые необходимы для артикулированной речи. Возможно, именно мутация гена FOXP2 и стала одним из ключевых факторов, определивших столь разную эволюционную судьбу разных видов приматов.
Впрочем, не следует забывать, что человек выделился среди прочих видов животных не только развитой речью. Но вот какие генетические структуры предопределили прямохождение и быстрый рост объёма головного мозга, которые и повлекли за собой всё остальное, будь то создание орудий труда или использование огня, – на этот счёт учёные пока даже гипотезы высказывать не рискуют.