Геномные технологии¶
Геномные технологии — совокупность методов и инструментов, позволяющих читать, анализировать и редактировать генетический материал (ДНК и РНК) организмов. Термин охватывает широкий круг направлений: от секвенирования геномов и биоинформатики до точечного редактирования генов и синтетической биологии. В России развитие геномных технологий отнесено к числу приоритетных направлений науки и техники; в 2018 году стартовала федеральная программа «Наука и технологии» с отдельным направлением «Геномные технологии».
¶Основные направления
¶Секвенирование геномов
Секвенирование — определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Первый геном человека был полностью прочитан в рамках международного проекта «Геном человека» (1990–2003), его стоимость составила около 2,7 млрд долларов. К 2020-м годам благодаря развитию высокопроизводительных технологий секвенирования стоимость прочтения одного генома снизилась до нескольких сотен долларов, а время анализа — до суток.
Ключевые платформы секвенирования:
- Sanger sequencing — классический метод «по цепному терминатору», разработан в 1970-х годах; по-прежнему применяется для коротких фрагментов.
- NGS (next-generation sequencing) — параллельное высокопроизводительное секвенирование, позволяющее читать миллионы фрагментов одновременно.
- Нанопорное секвенирование — метод, разработанный компанией Oxford Nanopore, в котором молекула ДНК проходит через биологическую пору, а изменение электрического тока фиксирует последовательность. Позволяет работать с портативными приборами в полевых условиях.
¶Биоинформатика
Поток данных, генерируемый секвенированием, обрабатывается биоинженерными и биоинформационными средствами: алгоритмы сборки генома, поиска генов, предсказания функций белков, сравнительного геномного анализа. Развитие машинного обучения и нейросетевых архитектур (в частности, модели AlphaFold для предсказания третичной структуры белков) существенно ускорило интерпретацию геномных данных.
¶Редактирование генов
CRISPR/Cas9 — система редактирования генома, адаптированная из бактериального иммунного механизма, работой которой в 2012 году руководили Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье (Нобелевская премия по химии, 2020). Система позволяет вносить точечные изменения в ДНК по заданному координату. Развиваются и альтернативные инструменты: базовое редактирование (base editing), прайм-редактирование (prime editing), CRISPR-системы на основе Cas12 и Cas13.
¶Геномные технологии в России
Российские исследования в области геномики имеют давнюю историю. В 2010-х годах в стране были реализованы крупные проекты по секвенированию геномов: геном пшеницы «Алтайская пшеница» (2017, один из крупнейших в мире на тот момент растительных геномов), геном ржаного гибрида, геномы ряда сортов картофеля и других сельскохозяйственных культур.
В 2018 году при поддержке Минобрнауки и Роснауки стартовало направление «Геномные технологии» федеральной программы «Наука и технологии». В рамках направления сформированы консорциумы ведущих научных центров:
- Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н. Н. Блохина — геномные исследования рака.
- Институт молекулярной биологии РАН — фундаментальные исследования генома.
- Новосибирский Академгородок (ИЦиГ СО РАН) — биоинформатика и геномика растений и микроорганизмов.
- МГУ имени М. В. Ломоносова — разработка методов редактирования генома.
В 2019 году в России был принят закон о донорстве человеческих клеток и тканей, а также нормативные акты, регулирующие проведение генетических исследований и работу с генетическими данными граждан.
¶Геномное сельское хозяйство
Одно из прикладных направлений — селекция сельскохозяйственных растений и животных на основе геномных данных (геномная селекция). В России разработаны геномные маркеры для пшеницы, ячменя, сои, крупного рогатого скота. Институт цитологии и генетики СО РАН ведёт работы по созданию высокопродуктивных линий сельскохозяйственных животных с учётом геномных данных.
¶Применение
Геномные технологии применяются в нескольких областях:
- Медицина — фармакогенетика (подбор лекарств с учётом генотипа), диагностика наследственных заболеваний, онкогеномика (классификация опухолей по мутационному профилю), разработка генных терапий.
- Сельское хозяйство — создание сортов и линий с улучшенными признаками, диагностика заболеваний.
- Криминалистика — ДНК-экспертиза, идентификация личности.
- Археология и палеогенетика — изучение древних ДНК, реконструкция миграций и родственных связей. В России палеогенетические исследования ведутся в Институте археологии и этнографии СО РАН.
- Промышленная биотехнология — создание микроорганизмов-продуцентов лекарств, ферментов, биополимеров.
¶Этические и правовые вопросы
Геномное редактирование человеческих эмбрионов вызывает международную дискуссию. В 2018 году китайский учёный Хэ Цзянькуй объявил о рождении детей с редактированным геномом CCR5, что было осуждено научным сообществом и привело к его уголовному осуждению. В России редактирование зародышевого генома в клинической практике не применяется, соответствующие исследования на эмбрионах человека регулируются этическими нормами и действующим законодательством.
¶Перспективы
К числу развивающихся направлений относятся эпигеномное редактирование (изменение активности генов без изменения последовательности ДНК), синтетическая биология (создание минимальных геномов), редактирование геномов соматических клеток в терапевтических целях, а также развитие отечественных платформ секвенирования в условиях санкционных ограничений на импорт зарубежного оборудования.
Источники:
- Энциклопедия «Биология» (Большая российская энциклопедия)
- Научные публикации журнала «Генетика» (РАН)
- Материалы федеральной программы «Наука и технологии» (Минобрнауки России)
- Nature Reviews Genetics, обзорные статьи по геномным технологиям
- Официальные сообщения Института цитологии и генетики СО РАН