Дайджест новостей генетики, геномики и биоинформатки

Благодаря нашумевшему проекту «Геном человека» слов с суффиксом «-ом» становится все больше. Появление вслед за генóмом и протеóмом большого количества новых омов — свидетельство важной тенденции в мире современной биологии. Все больше проводится крупномасштабных исследований, результатом которых становится не описание отдельных молекул, а большие массивы сложно организованных данных. О том, какие новые дисциплины появились в эпоху большой биологии и какое развитие получили «классические» омики, рассказывается в статье ««Омики» – эпоха большой биологии».
Подробности:
http://biomolecula.ru/content/1387

Классические «омы»

Геном

В нашу «постгеномную» эру непросто найти того, кто не слышал о проекте «Геном человека» [1]. Если описать его коротко: 13 лет (1990–2003), три миллиарда нуклеотидов, три миллиарда долларов. Не все ожидания ученых оправдались (последовательность ДНК расшифрована, но не всегда понятно, что она кодирует), но технологическому прорыву в генетических исследованиях последнего десятилетия мы во многом обязаны именно работе над геномом человека. Вслед за ним стали активно секвенировать геномы других млекопитающих: 2002 — геном мыши, 2004 — крысы, 2005 — шимпанзе, 2007 — макаки [10] и так далее (в настоящий момент известны последовательности геномов почти 30 млекопитающих, а дальше это число будет только расти). Кроме этого, расшифровка генома человека привела к появлению специализированных геномных проектов, цель которых — описать работу определенной группы генов, связанных с работой отдельных систем органов или развитием какого-либо заболевания.

Транскриптом

Транскриптом — это совокупность всех молекул РНК, которые синтезируются в клетке, в каком-то органе или ткани. Интересно, что хотя транскриптом и является продуктом экспрессии нашего генома, ни один из них не обеспечивает полное описание другого. Это связано с тем, что, с одной стороны, в геноме немало так называемой «мусорной» ДНК, которая ничего не кодирует (по крайней мере, так кажется). С другой стороны, существуют процессы, которые изменяют РНК после транскрипции: например, процесс редактирования РНК, который, согласно недавним исследованиям [11], распространен очень широко и происходит на более чем 90% всех мРНК. Кроме того, нельзя забывать, что в составе транскриптома есть не только белок-кодирующие мРНК, но и другие виды РНК — начиная от тРНК и рРНК и до различных видов малых регуляторных РНК [12].

Последовательность генома является более-менее постоянной характеристикой организма (хотя есть и исключения — например, последовательности некоторых генов разительно отличаются друг от друга в ДНК лимфоцитов одного человека). Транскриптом же может являться постоянной характеристикой органа, ткани или отдельной популяции клеток, т.к. разные типы клеток выполняют разные функции и экспрессируют разные гены, причем он также может зависеть от условий окружающей среды и меняться во времени. Именно поэтому в последнее время ученые все больше занимаются исследованиями транскриптома клеток определенного типа (например, эмбриональных стволовых клеток) или отдельных органов (например, транскриптома мозга человека [13]).

Протеом

Так как разные клетки в разные моменты времени экспрессируют разные гены, то не только набор РНК не будет одинаковым во всем организме, но и набор белков будет различаться. Это соображение подтолкнуло ученых к исследованию протеома человека — созданию полного перечня белков, которые присутствуют в разных клетках и тканях человека в каждый момент времени. Ученые сформировали международную организацию Human Proteom Organisation (HUPO), которая возглавила проект «Протеом человека» (Human Proteom Project, HPP), запущенный в 2008 году (об этом событии Биомолекула уже писала [14]). Одна из сложностей этого проекта — невероятное разнообразие белков в организме человека, ведь один ген может обеспечивать синтез нескольких вариантов одного белка, которые в дальнейшем могут подвергаться дополнительным химическим модификациям. В результате HPP разделился на два проекта — C-HPP и B/D-HPP. В первом из них разные группы ученых изучаются белки, закодированные на той или иной хромосоме (хромосому 18 изучает группа российских ученых в НИИ биомедицинской химии им. Ореховича в Москве). Во втором проекте изучаются группы белков согласно их биологической роли или вовлеченности в развитие тех или иных заболеваний. К настоящему моменту исследование протеома человека все еще находится в своей начальной стадии, на которой научные группы ищут новые подходы к анализу белков и подбирают биоинформатические алгоритмы [15], однако можно надеяться, что не за горами и первые успехи этого проекта.

Метаболом

Словом «метаболом» описывают совокупность небольших молекул-метаболитов, которые можно найти в клетке, ткани или целом организме. К метаболитам относят молекулы молекулярной массой не более 1 кДа (это как небольшие пептиды, например, некоторые гормоны, так и другие биологически важные органические вещества — антибиотики, липиды и другие вторичные метаболиты). В настоящее время все результаты исследования метаболома собираются в единую базу данных — Human Metabolome Database. Сейчас в этой базе собраны данные по более чем 40 тысячам различных метаболитов. Для каждого из этих веществ создана учетная запись — MetaboCard — которая не только исчерпывающе описывает химические свойства метаболита, но и то, с какими белками или нуклеиновыми кислотами это вещество может взаимодействовать и какое значение оно имеет в клинической практике (связь с заболеваниями или лекарствами).

В настоящее время метаболомика помогает ученым исследовать как физиологию человеческого организма, так и обнаруживать или лечить различные болезни. Одно из широких применений метаболомных исследований — поиск биохимических маркеров различных заболеваний, например, для болезни Паркинсона [16]. В таких исследованиях ученые пытаются обнаружить вещества, изменение концентрации которых в крови может помочь поставить диагноз на ранней стадии и своевременно начать лечение [17].

Существуют множество технологических решений для создания машин для секвенирования ДНК. До недавнего времени самым экзотическим решением считалось решение китайских ученных из Пекинского университета — в своей машине он имплементировали сетки процессоров от известной игровой приставки Sony PS3. Но их превзошли израильские ученные, cоздавшие ДНК, которая считает ДНК. Ученые Израильского технологического института разработали компьютер, состоящий из живых молекул. В основе такого микропроцессора лежат ДНК и ферменты. Этот микропроцессор способен работать непосредственно с генетическим кодом и может его изменять.

Источник: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/05/130523180318.htm

Ученые из Оттавы выдвинули теорию о том, как продвинутое математическое моделирование может оказать влияние различных видов терапии, генетических модификаций на терапию рака.

Разработана уникальная методика прогнозирования набора ДНК.

В результате последнего эксперимента, который был проведен американскими учеными из калифорнийского университета, была разработана уникальная методика, позволяющая расшифровать генетический материал человека и при этом точно определить, кому и какой ген достался от родителей.

В научном отчете исследователей говорится о том, что у каждого человека двойной набор хромосом. Исключением являются только половые хромосомы. Все дело в том, что эти копии не являются идеальными, следовательно они могут отличатся между собой.

 
Один из авторов эксперимента, профессор Бинг, в ходе презентации новой методики заявил, что значение технологии трудно переоценить. Все дело в том, что новый метод позволяет с высокой точностью определить предрасположенность к разным заболеваниям. Более того, методика также позволяет определить и сами болезни.

Необходимость такого исследования была обусловлена нынешней ситуацией. Ведь известно, что в последние годы количество передаваемых по наследству различных патологий сильно увеличилось. Следовательно, пришлось искать способы решения данной проблемы.

Научные сотрудники представили красочный пример, который имеет прямое отношение к развитию злокачественной опухоли. Недавно стало известно, что раковые заболевания — это ни что иное как результат генетических мутаций. И вот как раз новая методика позволила определить точное место расположения мутации, а также возможность ее развития. Смысл состоит в том, что в случае возникновения мутации в одной хромосоме, вторая хромосома способна полностью компенсировать все недостатки, а это ведет к полному выздоровлению человека.

Кроме того, стоит подчеркнуть, что при помощи данной методики существует возможность точного определения шансов приживания донорских органов после их трансплантации. Такая возможность является востребованной в том случае, когда необходима срочная операция по пересадке органов. Естественно, что в данной ситуации времени на проведение дополнительных тестов нет.

К слову, методика также позволяет выяснить миграционные пути человечества. Конечно, что этот вектор не мог не заинтересовать ученых. Исходя из этого, планируется проведение серии дополнительных экспериментов.

Ссылка sbio.info

Новости от сибирских генетиков

Как сообщают СМИ,  новосибирские учёные научились разрезать ДНК человека с помощью особого фермента

Составлять «экономный» геномный портрет человека научились учёные Новосибирского предприятия SibEnzyme с помощью особого метода подготовки ДНК. Об этом ИТАР-ТАСС в рамках Первого международного форума технологического развития «Технопром» рассказал гендиректор предприятия Евгений Дубинин.

«С помощью современной методики геномного секвенирования можно получить персональный генетический «паспорт». Изучив его, врач заранее выявляет предрасположенность человека к генетическим заболеваниям, возможные способы лечения и наиболее эффективные лекарства. Стоимость создания геномного портрета в настоящее время высока, она не позволяет внедрить эту технологию в массовую медицину», — отметил Дубинин.

Он заявил, что можно вдвое удешевлять этот процесс, заранее расщепляя ДНК с помощью особого фермента. В геноме человека за кодирование информации отвечает только 5-7% его последовательностей. Фермент разрезает ДНК на фрагменты определенной длины в строго определенных местах. Для анализа выбирают только несколько фрагментов, исключив ненужные, и именно эта «ферментная» подготовка ДНК удешевляет исследование. Дубинин подчеркнул, что, несмотря на то что рынок геномного секвенирования находится на начальном этапе формирования, в ближайшее время его ждет интенсивный рост. По оценкам экспертов, его прогнозируемый объём в течение пяти-десяти лет — 100 миллиардов долларов.

В другом сибирского городе — Томске — также находится примечательная лаборатория Томский НИИ медицинской генетики (возглавляемая известным генетиком В.Степановым), одного из ведущих медико-генетических учреждений России. НИИ был основан в 1982 году и является первым специализированным институтом в области медицинской генетики на территории Сибири и Дальнего Востока. Сегодня деятельность института включает осуществление специализированной медико-генетической помощи населению, научные исследования и профессиональное образование в области медицинской генетики.

В лаборатории работает множество замечательных ученных, из которых для ДНК-генеалогии наиболее важен Владимир Харьков.

Har-kov

Благодаря его научному рвению была не только определена структура мужского генофонда многих сибирских народов, но и раскрыта недавняя серия тягчайших преступлений на сексуальной почве (в ходе анализа Y-хромосомы, Владимир установил не только национальность маньяка-насильника, но и место вероятного происхождения/жительства с точностью до села). Ув. Валерий Запорожченко поделился подробностями этой истории, озвученной на одной из последних конференций.

Не так давно к Владимиру Харькову из Томского института медгенетики обратились следователи СК по Новосибирской области. Искали они маньяка насиловавшего девочек-дошкольниц. Насилуя, он никого не убивал, иногда просто мастурбировал на глазах детей, и как правило оставлял на месте преступления биологический материал — сперму. Девочки описали его как описывают кавказцев. Следователи ловили местных выходцев с Кавказа всех подряд, типировали, но тщетно, профили не совпадали. Судебные генетики не справились, пришлось обратиться к эволюционистам. Владимир довольно быстро понял, что владелец спермы не кавказец, а выходец из Бурятии, причем выборки собранные лабораторией позволили точно идентифицировать не только национальность извращенца, но даже определить происхождение мужской линии с точностью до двух соседних районов. Получив ориентировку, следователи первым делом изучили местные «висяки», и обнаружили, что незадолго до первого новосибирского эпизода было несколько преступлений аналогичного почерка в Улан-Удэ. Пришлось перетрясти всю базу прописки — кто из указанных районов ее сменил на новосибирскую в последние годы. И что же, работа была вознаграждена — появился подозреваемый, идеально соответствующий ориентировке. Его тормознули на дороге под видом гибдд. Скрутили. Отпирался. Наперли. Признался! Впрочем, даже если бы не признался, его приперли по образцу ДНК который оказался идентичен полученному из спермы. Кстати, преступник бурят только по отцу, от которого и получил выдавшую его У-хромосому.

Таким образом была еще раз продемонстрирована плодотворность и перспективность изучения игрек-хромосомы в ДНК-криминалистике.

Кроме того, Владимир не чурается общения в Интернете с любителями ДНК-генеалогии, и некоторое время даже участвовал в работе форума Молген.

Курсы биоинформатики онлайн и новая парадигма обучения

Осенью этого года (в октябре и ноябре) состоялись два знаменательных события, которые возможно изменят в самом ближайшем будущем методы преподавания и обучения в области биоинформатики. Речь идет о революционном решении о подключении нескольких крупных центров биоинформатики к известной системе дистанционного обучения Coursera.

7 ноября центр Digital October открыл Coursera Learning Hub — серию лабораторий знаний, где московские слушатели видеолекций Coursera смогут встречаться с российскими экспертами по заданной теме и общаться друг с другом параллельно с прохождением онлайн-курса. Одной из первых, 20 ноября, стартует лаборатория «Алгоритмы в биоинформатике», основанная на курсе Павла Певзнера, Филлипа Компо и Николая Вяххи. Как видно из приведенной выше информации, авторы курса — заведующий Лабораторией Павел Певзнер, Филипп Компо . Практическая тесно связанна с существовашим и ранее проектом «Розалинд» все того же Николая Вяххи.

В Санкт-Петербурге Павел Певзнер провел перую лекцию по «Алгоритмам в биоинформатике» для «Курсеры». Лекции будут посвящены алгоритмам решения фундаментальных задач биоинформатики: сборка геномов, сравнение ДНК и белковых последовательностей, поиск генов и консервативных мотивов, анализ экспресии генов, построение эволюционных деревьев и анализ перестановок, идентификация белков.

Участникам дается уникальная возможность развить свои навыки программирования на языке Python применительно к решению важных проблем биоинформатики. Проблемы взяты из реальной научной практики, поэтому участникам предлагается присоединится к конкретной группе разработчиков, причем наработанные материалы будут публиковаться в известных международных биоинформатических журналах.

В числе тем первых лабораторий: генетика.
Рассказывать об основах генетики на курсах «Полезная Генетика» и «Гены и Человеческое Поведение» будет Мария Шутова, к.б.н., научный сотрудник Института общей генетики РАН.

Эти курсы не требуют начальных знаний. Занятия будут проходить в Digital October в Москве, первое из шести пройдет уже 14 ноября. На нем Мария расскажет про практические аспекты генетики и генетические тесты на своем примере. Москвичи, спешите зарегистрироватьсяhttp://digitaloctober.ru/ru/series/learning_hubs, будет интересно!

P.S. Кстати, на летней школе по биоинформатике Маша рассказывала про оценку совершенства стволовых клеток (http://www.youtube.com/watch?v=6-ftNv5xerI).

К сожалению, из-за плотного графика я не смогу принять активное участие в этом курсе, отложив cвое участие на будущий год.

PS. На портале Постнауки выложили краткий обзор биоинформатических проблем в изложении известного ученного Михаила Гельфанда. Поскольку этот обзор связан с топиком этой заметки, я решил добавить ее в данную заметку. Кроме того, полезно будет просмотреть лекцию Северинова о синтетической микробиологии.