Функциональная геномика: как узнают, что делают гены

В мае 2000 года на конференции в лаборатории Колд-Спринг-Харбор британский биоинформатик Юэн Бёрни открыл тотализатор: сколько генов, кодирующих белки, окажется в геноме человека? Ставка стоила доллар, через год — пять, через два — двадцать. Учёные называли самые разные числа: 50, 100, 150 тысяч. Казалось очевидным, что сложному человеку нужно гораздо больше генов, чем мухе (около 14 тысяч) или червю (около 19 тысяч). Средняя ставка была около 60 тысяч. Когда в 2003 году подвели итоги, самая маленькая ставка — около 25 тысяч — оказалась ближе всех к правде. Сейчас известно, что белок-кодирующих генов у человека около 20 тысяч — не больше, чем у нематоды длиной в миллиметр.

Этот результат стал первым большим уроком эпохи геномов: знать последовательность ДНК ещё не значит понимать, как устроен организм. Сложность человека определяется не числом генов, а тем, как, когда и где они работают. Изучением этого и занимается функциональная геномика.

Это заключительная, десятая статья серии о клеточном цикле и делении клетки (начало — «Клеточный цикл и интерфаза»). В ней разобрано, чем функциональная геномика отличается от структурной, что такое транскриптом и протеом и как учёные узнают, что делает каждый ген: выключают его, следят за его работой, сравнивают геномы разных видов. Компьютерные методы — поиск генов, выравнивание последовательностей, базы данных — подробно описаны в статье «Функциональная аннотация геномов»; здесь главное — эксперимент.

• 1. Геномика: структурная и функциональная
• 2. Как читают геномы
• 3. Почему генов так мало
• 4. Транскриптом, протеом и метаболом
• 5. Как измеряют работу генов
• 6. Выключить ген и посмотреть, что изменится
• 7. РНК-интерференция
• 8. CRISPR/Cas9: редактирование генома
• 9. Репортёрные гены: увидеть работу гена
• 10. Сравнительная геномика и модельные организмы
• 11. Функциональная геномика и медицина
• 12. Итог: что важно знать о функциональной геномике
• 13. Частые ошибки
• 14. Интересные факты
• 15. Частые вопросы
• 16. ЕГЭ
• 17. Для олимпиад
• 18. Задания с разбором
• Литература

1. Геномика: структурная и функциональная

Геном — полный набор ДНК организма: все гены и все участки между ними. Геномика — наука о геномах, их строении, работе и эволюции. В ней обычно выделяют два направления.

Структурная геномика определяет последовательность нуклеотидов генома и составляет карты: где расположены гены, регуляторные участки, повторы. Её главным достижением стала международная программа «Геном человека». Черновой вариант последовательности опубликовали в 2001 году [1], программу объявили завершённой в 2003 году — ровно через полвека после открытия двойной спирали. Но и тогда около 8 % генома оставались непрочитанными: это были участки из длинных повторов у центромер, на коротких плечах хромосом с генами рибосомных РНК, у теломер. Только в 2022 году консорциум «от теломеры до теломеры» с помощью новых методов, читающих очень длинные молекулы ДНК, опубликовал полную последовательность всех аутосом и X-хромосомы без пробелов [2], а в 2023 году — и Y-хромосомы.

Функциональная геномика отвечает на следующий вопрос: что делает каждый ген, когда, где и в каком количестве он работает и как регулируется. Если структурная геномика — это составление словаря с написанием слов, то функциональная — выяснение их значений и правил, по которым из слов складываются фразы.

Главная причина, по которой одной последовательности недостаточно, видна в нашем собственном теле. Геном почти всех соматических клеток одинаков: и у нейрона, и у клетки печени, и у мышечного волокна одна и та же ДНК. Но нейрон проводит импульсы, клетка печени обезвреживает яды, а мышечное волокно сокращается. Различаются они тем, какие гены в них работают. Клетка печени синтезирует альбумин, но не синтезирует гемоглобин; эритроциты развиваются из клеток, где ген гемоглобина работает на полную мощность. Всё это структурная геномика увидеть не может.

2. Как читают геномы

Функциональная геномика стала возможной благодаря быстрому и дешёвому чтению ДНК. Первый практичный метод секвенирования предложил в 1977 году британский биохимик Фредерик Сэнгер (за него он получил вторую в своей жизни Нобелевскую премию по химии). В методе Сэнгера ДНК-полимераза копирует исследуемую цепь, а в смесь добавляют немного особых нуклеотидов, на которых синтез обрывается. Получается набор фрагментов разной длины, каждый оканчивается известным нуклеотидом, и по их длинам читают последовательность. Этим методом и прочитали первый геном человека.

Программа «Геном человека» шла медленно: геном сначала разбивали на крупные куски, картировали их и читали по очереди. В 1998 году американский биолог Крейг Вентер со своей компанией объявил, что прочитает геном быстрее — методом «дробовика»: всю ДНК сразу разрезают на миллионы мелких фрагментов, читают их и собирают последовательность на компьютере по перекрыванию концов. Началась гонка, и в июне 2000 года обе команды вместе объявили о прочтении черновой последовательности на церемонии в Белом доме.

С середины 2000-х годов появились методы нового поколения, читающие одновременно миллионы и миллиарды коротких фрагментов. А методы третьего поколения читают отдельные молекулы длиной в десятки и сотни тысяч нуклеотидов: например, в нанопоровом секвенаторе молекула ДНК протягивается через крошечную пору в мембране, и по изменению электрического тока определяется, какой нуклеотид проходит через пору. Прибор размером с флешку подключается к ноутбуку, и с ним можно работать даже в полевых условиях — во время эпидемии лихорадки Эбола в Западной Африке так прямо на месте читали геномы вируса.

3. Почему генов так мало

Парадокс тотализатора Бёрни объясняется несколькими причинами, и все они относятся к функциональной геномике.

• Альтернативный сплайсинг. Из одного гена при разном сочетании экзонов в зрелой мРНК может получаться несколько разных мРНК и белков. У человека альтернативный сплайсинг идёт у подавляющего большинства генов, содержащих интроны. Рекорд принадлежит гену Dscam дрозофилы: теоретически из него можно получить более 38 тысяч вариантов белка — больше, чем генов во всём геноме мухи.
• Регуляция. У сложных организмов гены управляются множеством регуляторных участков, и один и тот же ген может работать в десятках разных тканей в разное время и в разной «компании» с другими генами. Сложность возникает из комбинаций.
• Некодирующие РНК. Кроме примерно 20 тысяч белок-кодирующих генов, в геноме человека есть ещё около 20 тысяч генов, продукты которых — РНК, не транслируемые в белок: микроРНК, длинные некодирующие РНК и другие. Многие из них регулируют работу белок-кодирующих генов.
• Изменения белков после синтеза. Фосфорилирование, присоединение углеводов, расщепление белка-предшественника — всё это меняет свойства белков. Поэтому разных форм белков в клетке во много раз больше, чем генов.

Белок-кодирующие участки занимают лишь около 1,5 % генома человека. В 2012 году проект ENCODE, изучавший работу всего генома в десятках типов клеток, сообщил, что биохимическую «активность» — транскрипцию, связывание белков, особое состояние хроматина — показывает большая часть генома [3]. Это вызвало споры: активность ещё не означает функцию. Сколько ДНК человека действительно необходимо, до сих пор обсуждают; по оценкам, основанным на сравнении геномов разных млекопитающих, под действием отбора находится около 10 % генома.

4. Транскриптом, протеом и метаболом

Чтобы описать работу генов, используют понятия, обозначающие совокупности продуктов генома. Окончание «-ом» по образцу слова «геном» стало модным, и подходы, изучающие клетку в целом, называют «омиксными»: геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика.

Транскриптом показывает, какие гены транскрибируются и с какой интенсивностью. Например, если перенести дрожжи из среды с глюкозой в среду, где глюкоза кончилась, за час меняется работа сотен генов: выключаются гены, нужные для брожения, и включаются гены дыхания и использования других источников энергии. Именно такой опыт в 1997 году впервые проследил одновременно для всех генов организма Патрик Браун со своими коллегами [4].

Но транскриптом не равен протеому. Количество белка зависит ещё от того, как долго живёт мРНК, как быстро она транслируется и как долго живёт сам белок. Некоторые мРНК синтезируются заранее и хранятся «про запас» — например, в яйцеклетке. Поэтому количество мРНК гена и количество его белка связаны, но не строго пропорционально. Протеом ближе к реальной работе клетки, ведь большинство функций выполняют белки, но изучать его гораздо труднее: белки нельзя размножить, как ДНК, и они очень разнообразны по свойствам.

Атлас белков человека

В 2015 году шведские учёные под руководством Матиаса Улена опубликовали атлас белков человека: с помощью десятков тысяч антител они определили, в каких тканях и клетках встречаются продукты почти всех белок-кодирующих генов [5]. Оказалось, что около 40 % генов работают практически во всех тканях — это гены «домашнего хозяйства»: ферменты гликолиза, белки рибосом, белки цитоскелета. Остальные работают избирательно, в одной или нескольких тканях. Больше всего «своих» генов в семенниках, затем в головном мозге. Атлас доступен в интернете, и любой желающий может посмотреть, где работает интересующий его ген.

Эпигеном

Кроме последовательности ДНК, на работу генов влияют химические «пометки» на ДНК и гистонах: присоединение метильных групп к цитозину, ацетильных и метильных групп к гистонам. Совокупность таких пометок называют эпигеномом. Метилирование участка перед геном обычно выключает его, а ацетилирование гистонов делает хроматин рыхлым и доступным для транскрипции. Эпигеном различается в разных тканях и сохраняется при делениях клеток, поэтому клетка печени, делясь, даёт клетки печени, а не нейроны.

Наглядный пример — кошки черепаховой окраски. У кошки ген окраски шерсти находится в X-хромосоме, и у самки с двумя разными аллелями в каждой клетке зародыша случайно и навсегда выключается одна из X-хромосом. Её ДНК метилируется и плотно упаковывается. В одних участках кожи работает аллель рыжей окраски, в других — чёрной, и шерсть получается пятнистой. Клон трёхцветной кошки не похож на оригинал: у клонированной кошки, родившейся в 2001 году, X-хромосомы выключились иначе, и рисунок её шерсти был другим.

Интерактом

Белки редко работают поодиночке: большинство из них входят в комплексы и взаимодействуют с другими белками. Совокупность всех взаимодействий белков клетки называют интерактомом. Его изучают, например, так: к изучаемому белку присоединяют метку, «вылавливают» его из разрушенных клеток вместе со всеми белками-партнёрами и определяют партнёров масс-спектрометрией. Если белок с неизвестной функцией постоянно встречается в комплексе с белками репарации ДНК, разумно предположить, что и он участвует в репарации. Принцип простой: «скажи мне, кто твой друг, и я скажу тебе, кто ты».

5. Как измеряют работу генов

ДНК-микрочипы

Первый метод, позволивший измерить работу тысяч генов сразу, предложили в 1995 году Марк Шена, Патрик Браун и их коллеги из Стэнфорда [6]. ДНК-микрочип — стеклянная пластинка размером с почтовую марку, на которой в узлах решётки закреплены тысячи зондов — коротких одноцепочечных фрагментов ДНК, комплементарных известным генам. Каждое пятнышко соответствует одному гену.

1. Из исследуемых клеток выделяют мРНК.
2. С помощью обратной транскриптазы получают её ДНК-копии (кДНК) и метят их флуоресцентным красителем. Часто сравнивают два образца: кДНК, например, нормальной ткани метят зелёным красителем, а опухолевой — красным.
3. Смесь наносят на чип. Меченые молекулы находят комплементарные зонды и спариваются с ними — это гибридизация.
4. Несвязавшиеся молекулы смывают, а чип сканируют лазером. Яркость каждого пятна показывает количество мРНК данного гена. Если пятно красное — ген сильнее работает в опухоли, зелёное — в норме, жёлтое — одинаково.

Микрочипы быстро нашли применение в медицине. В начале 2000-х годов выяснилось, что опухоли молочной железы, неразличимые под микроскопом, по «портрету» работы генов делятся на несколько групп, которые по-разному растут и по-разному отвечают на лечение. Сейчас наборы для анализа работы нескольких десятков генов помогают решить, нужна ли больной химиотерапия.

Главное ограничение микрочипа — он «видит» только те гены, для которых на нём есть зонды. Незнакомую РНК он не обнаружит.

Секвенирование РНК

С 2008 года основным методом стало секвенирование РНК (RNA-seq) [7]. РНК клетки переводят в кДНК, разрезают на короткие фрагменты и определяют последовательности десятков миллионов фрагментов сразу. Затем компьютер находит, из какого места генома происходит каждый фрагмент. Чем больше фрагментов приходится на ген, тем сильнее он работает.

Сегодня секвенирование РНК можно провести даже для отдельных клеток. Так составляют «переписи» клеток органов: оказалось, что в лёгком, сетчатке, мозге гораздо больше типов клеток, чем было известно по микроскопии. Например, в 2018 году с помощью этого метода в лёгких обнаружили редкий тип клеток эпителия бронхов — ионоциты; именно в них сильнее всего работает ген, мутации которого вызывают муковисцидоз. Международный проект «Атлас клеток человека» ставит целью описать по работе генов все типы клеток нашего тела.

Протеомика

Для изучения протеома белки клетки разделяют — например, электрофорезом в геле или хроматографией, — затем расщепляют ферментами на короткие пептиды и определяют их массу методом масс-спектрометрии. По точной массе пептидов и их обломков компьютер узнаёт, из какого белка они происходят. За разработку методов масс-спектрометрии больших молекул, в том числе белков, Джон Фенн и Коити Танака получили Нобелевскую премию по химии 2002 года. Танака был инженером компании, производящей приборы, не имел учёной степени и о премии узнал совершенно неожиданно — из телефонного звонка, в который сначала не мог поверить.

Понять функцию белка помогает и знание его трёхмерной структуры: по форме активного центра часто можно догадаться, какую реакцию катализирует фермент. Раньше структуру каждого белка определяли годами. В 2020-х годах программа AlphaFold научилась предсказывать структуру белка по последовательности аминокислот, и сейчас предсказаны структуры более 200 миллионов белков — почти всех известных. Подробнее об этом — в статье «AlphaFold: как предсказывают структуру белков».

6. Выключить ген и посмотреть, что изменится

Самый прямой способ узнать функцию гена — выключить его и посмотреть, что сломается. Этот принцип старше молекулярной биологии: Морган и его ученики изучали функции генов дрозофилы по мутантам, у которых что-то нарушено, — белые глаза, загнутые крылья. Но классическая генетика шла «от признака к гену»: сначала находили мутанта, потом искали ген. Функциональная геномика пошла обратным путём — «от гена к признаку»: известна последовательность гена, нужно узнать его роль. Это называют обратной генетикой.

Нокаут гена у мышей

Нокаут гена — направленное разрушение или удаление определённого гена в геноме организма. Метод разработали в 1980-х годах Марио Капекки, Оливер Смитис и Мартин Эванс [8].

1. В пробирке создают изменённую копию гена — например, с вставкой, разрушающей кодирующую часть, — и с участками, совпадающими с участками вокруг нормального гена.
2. Эту ДНК вводят в эмбриональные стволовые клетки мыши. В редких клетках происходит гомологичная рекомбинация: изменённая копия заменяет нормальный ген в хромосоме. Такие клетки отбирают.
3. Изменённые стволовые клетки вводят в ранний зародыш другой мыши, и он развивается в химеру — мышь, часть клеток которой несёт изменённый ген.
4. Если изменённый ген попал в половые клетки химеры, её потомки будут гетерозиготны по нокауту. Скрещивая гетерозигот, получают гомозиготных мышей, у которых обе копии гена выключены, и сравнивают их с нормальными.

За разработку метода Капекки, Эванс и Смитис получили Нобелевскую премию 2007 года. Биография Капекки сама по себе удивительна: в годы Второй мировой войны его мать, поэтессу, арестовали за участие в антифашистском движении, и с четырёх до девяти лет мальчик жил беспризорником на улицах Северной Италии. После войны мать нашла его в больнице, истощённого, и вместе они уехали в США.

Сейчас созданы мышиные нокауты почти по всем генам. Международный консорциум систематически выключает гены мыши один за другим и описывает, что происходит. Оказалось, что примерно треть генов мыши жизненно необходимы: без них зародыш погибает. Ещё у многих нокаутов меняются вес, поведение, обмен веществ, строение органов. Нокаутные мыши служат моделями наследственных болезней человека — муковисцидоза, мышечной дистрофии, многих видов рака.

Неожиданные нокауты

Нокауты часто приносят сюрпризы. Иногда выключение гена, который считали важнейшим, ничего заметного не меняет: его работу берут на себя родственные гены, — это называют функциональной избыточностью. Мыши с выключенным геном p53, например, вопреки ожиданиям развиваются почти нормально, но к полугоду у большинства из них появляются опухоли (подробнее — в статье «Регуляция клеточного цикла»). А мыши с выключенным геном белка миостатина оказались почти вдвое мускулистее обычных: миостатин, как выяснилось, ограничивает рост мышц. Позже нашли, что у мясной бельгийской голубой породы быков и у некоторых особо мускулистых собак этот ген испорчен от природы.

Мутанты растений по заказу

У растений гены выключают иначе — с помощью почвенной бактерии агробактерии. В природе она встраивает участок своей ДНК в хромосомы растения и вызывает опухоль-галл. Учёные заменили в этом участке гены бактерии на «метку» и заразили ею множество растений арабидопсиса. Участок встраивается в случайное место генома; если он попал внутрь гена, ген разрушается. Так получили коллекции из сотен тысяч линий, в которых определено место встраивания, — почти на каждый ген арабидопсиса есть мутант. Исследователь может заказать семена растения с выключенным нужным ему геном, вырастить их и посмотреть, что изменится.

7. РНК-интерференция

В 1990 году американские специалисты по растениям решили сделать петунии более ярко-фиолетовыми. Они ввели в растения дополнительную копию гена фермента, необходимого для синтеза пигмента. Ожидалось, что цветки станут темнее. Но многие цветки стали пёстрыми или совсем белыми [9]: введённый ген не только не работал, но и «выключил» собственный ген растения. Явление назвали косупрессией и долго не могли объяснить.

Объяснение нашли в 1998 году Эндрю Файер и Крейг Мелло, работавшие с нематодой. Они вводили червям РНК, комплементарную мРНК одного из генов мышц. Одноцепочечная РНК действовала слабо, а двуцепочечная — гораздо сильнее: черви начинали дёргаться, как мутанты по этому гену [10]. Нескольких молекул двуцепочечной РНК на клетку хватало, чтобы выключить ген, и эффект передавался даже потомству. Явление назвали РНК-интерференцией. В 2006 году, всего через восемь лет после открытия, Файер и Мелло получили Нобелевскую премию.

1. В клетку вводят двуцепочечную РНК, одна из цепей которой комплементарна мРНК изучаемого гена.
2. Фермент-«нарезчик» разрезает её на короткие фрагменты длиной около 21–23 нуклеотидов.
3. Одна цепь фрагмента встраивается в белковый комплекс и служит «наводчиком»: комплекс находит комплементарную мРНК.
4. Белок комплекса разрезает мРНК, и белок по этой мРНК больше не синтезируется.

Сам ген в ДНК при этом не изменяется, и эффект обычно временный — он ослабевает, когда короткие РНК разрушаются. Поэтому РНК-интерференцию называют не нокаутом, а «нокдауном» — ослаблением работы гена. Метод очень удобен: у нематоды достаточно накормить червей бактериями, синтезирующими нужную двуцепочечную РНК. Так в начале 2000-х годов по очереди выключили почти все гены нематоды и выяснили, какие из них необходимы для развития.

РНК-интерференция — не изобретение учёных, а древняя защита клеток от вирусов: у многих вирусов при размножении образуется двуцепочечная РНК, и клетка разрезает её, а заодно и вирусные мРНК. Петунии с дополнительной копией гена «приняли» его за вирус. Кроме того, у эукариот есть собственные микроРНК, которые таким же путём регулируют работу сотен генов. Сейчас уже применяются лекарства на основе коротких РНК: они выключают в печени гены, мутантные белки которых вызывают тяжёлые наследственные болезни.

8. CRISPR/Cas9: редактирование генома

Самый мощный современный инструмент функциональной геномики заимствован у бактерий. В геномах многих бактерий есть необычные участки: короткие повторы, между которыми вставлены фрагменты ДНК вирусов. Это «память» о прошлых заражениях. Когда тот же вирус нападает снова, бактерия синтезирует РНК по сохранённому фрагменту, и белок Cas9 вместе с этой РНК находит ДНК вируса и разрезает её.

В 2012 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна показали, что эту систему можно перепрограммировать: если дать белку Cas9 искусственную направляющую РНК, он разрежет любую ДНК, комплементарную этой РНК [11]. Через год систему заставили работать в клетках человека и мыши. В 2020 году Шарпантье и Даудна получили Нобелевскую премию по химии. Подробно химия работы «генетических ножниц» разобрана в статье «CRISPR-Cas9: как работают „генетические ножницы“».

1. Подбирают направляющую РНК длиной около 20 нуклеотидов, комплементарную участку изучаемого гена.
2. Вводят в клетку направляющую РНК и белок Cas9 (или гены, по которым они синтезируются).
3. Cas9 находит нужный участок ДНК и разрезает обе её цепи.
4. Клетка чинит разрыв. Чаще всего концы просто сшиваются, и при этом выпадают или вставляются несколько нуклеотидов — рамка считывания сдвигается, и ген выключается. Если же дать клетке «образец» с нужной последовательностью, она может использовать его при ремонте, и ген будет исправлен или изменён.

По сравнению с классическим нокаутом CRISPR/Cas9 работает в любых клетках и организмах, быстро и дёшево: если раньше получение нокаутной мыши занимало год и больше, то теперь — несколько месяцев. Можно изменить сразу несколько генов, внести точечную замену одного нуклеотида, «включить» или «выключить» ген, не разрезая ДНК, а присоединив к неактивному Cas9 белок-активатор или белок-репрессор.

Сколько генов необходимо клетке человека

CRISPR позволил поставить опыт, о котором раньше можно было только мечтать: выключить по очереди каждый ген человека и посмотреть, какие из них необходимы. Для этого в культуру клеток вводят смесь направляющих РНК против всех генов — каждая клетка получает одну, — а затем через несколько недель определяют, какие РНК исчезли из культуры: клетки, получившие их, погибли или перестали делиться. В 2015 году две группы учёных провели такие опыты на клетках человека и обнаружили, что для жизни клеток в культуре необходимы около двух тысяч генов — примерно 10 % белок-кодирующих генов [12]. Это гены репликации, транскрипции, трансляции, сплайсинга, синтеза нуклеотидов. Многие другие гены необходимы только в определённых клетках или организму в целом, но не отдельной клетке в чашке.

Такие опыты нужны и медицине. Сравнивая, какие гены необходимы клеткам разных опухолей, ищут «ахиллесову пяту» каждой: ген, без которого погибают опухолевые клетки, но не нормальные. Белок такого гена — кандидат в мишени для лекарства.

Как выключали гены дрожжей

Задолго до CRISPR систематически выключили все гены пекарских дрожжей — первого эукариота, геном которого был полностью прочитан (в 1996 году). Это сделал международный консорциум из нескольких десятков лабораторий. Каждый из примерно шести тысяч генов заменили «меткой» — уникальной короткой последовательностью ДНК, своей для каждого гена, — и получили коллекцию из тысяч штаммов. Оказалось, что жизненно необходимы около 1100 генов, то есть лишь около 19 % [13]. Без остальных генов дрожжи растут на богатой среде, хотя многие из них нужны в других условиях — при голодании, нагреве, действии ядов. Благодаря меткам все штаммы можно выращивать вместе, в одной колбе, и затем по числу меток определять, каких мутантов стало меньше в данных условиях.

Редактирование генов растений и животных

CRISPR быстро вышел из лабораторий. Уже получены грибы шампиньоны, которые не темнеют на срезе, потому что в них выключен ген фермента, окисляющего фенолы; томаты с повышенным содержанием успокаивающего вещества ГАМК, которые с 2021 года продаются в Японии; свиньи, устойчивые к опасному вирусному заболеванию. В отличие от классических генно-модифицированных организмов, при таком редактировании в геном часто не вносят чужих генов, а лишь изменяют несколько нуклеотидов собственного — так, как это могло бы произойти и при естественной мутации. Поэтому во многих странах такие растения регулируют мягче, чем трансгенные.

9. Репортёрные гены: увидеть работу гена

Чтобы узнать, где и когда работает ген, используют репортёрные гены — гены, продукт которых легко обнаружить: он светится, окрашивает клетки или даёт измеримую реакцию. Самый известный репортёр — зелёный флуоресцентный белок GFP медузы Aequorea victoria.

История GFP — пример того, как фундаментальное исследование, не обещающее никакой пользы, приводит к революции. В 1961 году японский химик Осаму Симомура, работавший в США, начал изучать, почему светятся медузы. Каждое лето он с семьёй вылавливал их у берегов штата Вашингтон — всего за годы работы около 850 тысяч медуз. Он выделил белок экворин, который испускает синий свет в присутствии ионов кальция, а заодно — белок, который поглощает этот синий свет и испускает зелёный. Это и был GFP. Тридцать лет он интересовал лишь узкий круг специалистов.

В 1992 году Дуглас Прэшер выделил ген GFP. Прэшер мечтал использовать его как метку, но не получил денег на продолжение работы и разослал клоны гена тем, кто попросил. Одним из них был Мартин Чалфи. В 1994 году он ввёл ген GFP в бактерии и нематод и показал, что белок светится и в чужих клетках, без всяких дополнительных веществ медузы [14]. Затем Роджер Цянь изменил белок и получил варианты, светящиеся голубым, жёлтым, красным. Симомура, Чалфи и Цянь получили Нобелевскую премию по химии 2008 года. Прэшер к тому времени ушёл из науки и работал водителем автобуса; Чалфи и Цянь пригласили его на церемонию в Стокгольм.

Как используют GFP:

• Где работает ген. Ген GFP присоединяют к регуляторной области изучаемого гена. Клетки светятся там и тогда, где и когда этот ген включается.
• Где находится белок. Ген GFP присоединяют к гену изучаемого белка так, что синтезируется слитый белок. По свечению видно, где этот белок находится в живой клетке: в ядре, на мембране, в митохондриях, — и как он перемещается.
• Что происходит в клетке. Существуют варианты флуоресцентных белков, меняющие свечение в зависимости от концентрации кальция, кислотности, напряжения на мембране. С их помощью следят, например, за работой нейронов живого мозга.

Особенно впечатляющий пример — «мозговая радуга». В 2007 году американские нейробиологи создали мышей, в нейронах которых случайным образом включаются гены флуоресцентных белков трёх-четырёх цветов в разных сочетаниях. Каждый нейрон приобретает собственный оттенок — их получается около сотни, — и под микроскопом можно проследить отростки отдельных клеток в сплетении тысяч соседей.

10. Сравнительная геномика и модельные организмы

Ставить опыты с выключением генов на людях нельзя. Поэтому функции большинства генов человека выясняют на других организмах — модельных. Это возможно благодаря родству всего живого: гены, выполняющие одну и ту же функцию, у разных видов похожи по последовательности, потому что произошли от общего предка. Такие гены разных видов называют ортологами. Сравнительная геномика сопоставляет геномы разных видов и позволяет по сходству последовательности предположить сходство функций.

Сходство бывает поразительным. Около 60 % генов дрозофилы имеют родственников у человека, и примерно у трёх четвертей генов, связанных с наследственными болезнями человека, есть ортологи у мухи. Ген Pax6, необходимый для развития глаза, у мыши и у мухи настолько похож, что мышиный ген, включённый в клетках ноги мухи, вызывает развитие там дополнительного фасеточного глаза — разумеется, мушиного. Гены клеточного цикла человека, как рассказано в статье «Регуляция клеточного цикла», способны заменить гены дрожжей, хотя наш общий предок жил больше миллиарда лет назад.

Сравнение геномов помогает найти и важные некодирующие участки. Если участок ДНК почти не изменился за десятки миллионов лет эволюции у мыши, собаки, слона и человека, значит, мутации в нём отсеивались отбором, и он, скорее всего, выполняет функцию — например, регулирует работу соседнего гена. Так нашли тысячи регуляторных участков, о которых ничего не было известно.

Что отличает человека от шимпанзе

Последовательности ДНК человека и шимпанзе совпадают примерно на 98–99 %. Большинство белков у нас почти одинаковы. Поэтому многие учёные считают, что главные различия между видами связаны не столько с изменением самих белков, сколько с изменением регуляции: когда, где и сколько работает ген. Сравнение транскриптомов показало, что в мозге человека и шимпанзе различается работа сотен генов. Простой пример регуляторной эволюции есть и у самого человека: способность взрослых людей переваривать молочный сахар лактозу у большинства европейцев объясняется не изменением фермента лактазы, а заменой одного нуклеотида в регуляторном участке, из-за которой ген лактазы не выключается после окончания грудного вскармливания.

Имена генов

Гены модельных организмов обычно называют по тому, что происходит при их выключении, и генетики дрозофилы прославились остроумием. Мутанты по гену tinman («жестяной дровосек», у которого в сказке не было сердца) не образуют сердца. Ген hedgehog («ёжик») назван так потому, что личинки-мутанты покрыты сплошными шипиками; его родственника у позвоночных назвали sonic hedgehog в честь ёжика Соника из компьютерной игры. Мухи с мутацией гена indy (от фразы «я ещё не умер») живут дольше обычных. Иногда это создаёт неловкость: когда выяснилось, что мутации родственных генов человека вызывают тяжёлые болезни, врачам пришлось сообщать пациентам диагноз с игривым названием. Поэтому гены человека сейчас называют по строгим правилам.

11. Функциональная геномика и медицина

Знание функций генов меняет медицину. Несколько направлений уже стали частью жизни.

• Диагностика наследственных болезней. Секвенирование всех белок-кодирующих участков генома (экзома) или всего генома позволяет найти причину редкой наследственной болезни у ребёнка за несколько недель вместо многолетних поисков. Но найти изменение в ДНК мало — нужно понять, нарушает ли оно функцию гена. Здесь и нужны методы функциональной геномики: изменённый вариант гена вводят в клетки или в модельный организм и проверяют, работает ли он.
• Опухоли. Анализ работы генов опухоли помогает определить её подтип и подобрать лечение, а поиск генов, необходимых именно опухолевым клеткам, — найти мишени для новых лекарств.
• Фармакогеномика. Варианты генов ферментов печени определяют, как быстро человек обезвреживает лекарства. Для некоторых препаратов дозу подбирают с учётом генотипа больного, чтобы избежать отравления или неэффективности.
• Генная терапия. Зная функцию гена, можно попытаться исправить его поломку. В 2023 году был одобрен первый препарат на основе CRISPR/Cas9 — для лечения серповидноклеточной анемии и бета-талассемии: у больного берут стволовые клетки крови, изменяют в них регуляторный участок так, чтобы включился ген гемоглобина плода, и возвращают клетки обратно.

Поиск вариантов, связанных с болезнями

Большинство распространённых болезней — диабет второго типа, гипертония, болезни сердца — зависят не от одного гена, а от множества вариантов, каждый из которых лишь немного повышает риск. Чтобы их найти, проводят полногеномный поиск ассоциаций: у десятков и сотен тысяч людей, больных и здоровых, определяют сотни тысяч вариантов по всему геному и ищут, какие варианты чаще встречаются у больных. Таким путём найдены тысячи участков генома, связанных с болезнями и признаками — ростом, массой тела, цветом глаз.

Но здесь функциональная геномика сталкивается с новой загадкой: подавляющее большинство найденных вариантов лежит не в генах, а между ними — в регуляторных участках. Например, вариант в гене FTO, сильнее всего связанный с ожирением у европейцев, как выяснилось в 2015 году, влияет вовсе не на сам ген FTO, а на регуляторный участок, управляющий работой двух соседних генов в клетках-предшественниках жировой ткани. От этого зависит, будут ли эти клетки «сжигать» жир или запасать его. Чтобы понять смысл таких находок, нужно знать, какие регуляторные участки управляют какими генами в каких клетках, — это одна из главных задач функциональной геномики сегодня.

Этические вопросы

Возможности редактирования генома ставят и непростые вопросы. В 2018 году китайский исследователь Хэ Цзянькуй объявил о рождении двух девочек, у которых он ещё на стадии зиготы изменил ген рецептора, через который в клетки проникает ВИЧ. Эксперимент осудили учёные всего мира: изменение передаётся будущим поколениям, его последствия неизвестны, а настоящей медицинской необходимости не было. Исследователь был приговорён к трём годам тюрьмы. Большинство стран запрещают изменять геном зародышей человека, которым предстоит родиться, но разрешают исследования на клетках и редактирование соматических клеток для лечения.

12. Итог: что важно знать о функциональной геномике

1. Структурная геномика определяет последовательность генома и расположение генов; функциональная — что делают гены, где, когда и в каком количестве они работают.
2. Геном почти одинаков во всех клетках организма; клетки разных тканей различаются тем, какие гены в них работают.
3. Транскриптом — все РНК клетки, протеом — все белки, метаболом — все низкомолекулярные вещества. Они различаются в тканях и меняются со временем.
4. Работу тысяч генов сразу измеряют ДНК-микрочипами (гибридизация меченых кДНК с зондами) и секвенированием РНК (подсчёт прочтений); белки изучают масс-спектрометрией.
5. Функцию гена выясняют, выключая его: нокаутом (ген удалён из генома), РНК-интерференцией (разрушается мРНК, ген не изменён), редактированием CRISPR/Cas9 (изменяется последовательность гена).
6. Репортёрные гены, например ген GFP, показывают, где и когда работает ген и где находится его белок.
7. Сравнительная геномика и модельные организмы позволяют изучать функции генов человека по их ортологам у других видов.

13. Частые ошибки

• «Чем сложнее организм, тем больше у него генов». У человека около 20 тысяч белок-кодирующих генов — примерно как у нематоды; у риса и многих других растений генов больше, чем у человека. Сложность определяется регуляцией генов.
• «В разных клетках организма разные гены». Набор генов почти одинаков во всех соматических клетках; различается их работа.
• «Транскриптом одинаков во всех клетках». Одинаков геном; транскриптом различается в разных тканях и меняется со временем.
• «Если известна последовательность генома, известны функции всех генов». У тысяч генов человека функция до сих пор неизвестна или известна лишь приблизительно.
• «При РНК-интерференции изменяется ДНК». Разрушается мРНК; ген в ДНК остаётся неизменным, поэтому эффект обычно не наследуется.
• «Нокаут и нокдаун — одно и то же». При нокауте ген удалён или разрушен в геноме, продукт не образуется совсем; при нокдауне (РНК-интерференции) лишь снижается количество белка.
• «GFP — фермент». GFP — флуоресцентный белок; он не катализирует реакций, а поглощает синий свет и испускает зелёный.
• «На микрочипе изучают ДНК клетки». На микрочип наносят меченые ДНК-копии мРНК (кДНК), чтобы измерить работу генов; зонды на чипе — фрагменты ДНК известных генов.
• «Количество мРНК всегда пропорционально количеству белка». Количество белка зависит ещё от скорости трансляции и разрушения мРНК и белка.
• «Изменения, внесённые CRISPR в любые клетки, передаются потомкам». Передаются только изменения в зиготе или половых клетках; изменения соматических клеток не наследуются.
• «Функциональная геномика — это то же, что биоинформатика». Биоинформатика — компьютерный анализ последовательностей и данных; функциональная геномика опирается на неё, но главное в ней — эксперименты: выключение генов, измерение их работы, наблюдение за белками.
• «Белков в клетке столько же, сколько генов». Благодаря альтернативному сплайсингу и изменениям белков после синтеза разных форм белков гораздо больше, чем генов.

14. Интересные факты

• Прочтение первого генома человека заняло 13 лет и стоило около трёх миллиардов долларов. Сейчас геном одного человека читают за сутки-двое, и стоит это несколько сотен долларов.
• Самые большие из известных геномов принадлежат растениям. У папоротника Tmesipteris oblanceolata с островов Тихого океана — около 160 миллиардов пар нуклеотидов, примерно в 50 раз больше, чем у человека. Размер этого генома измерили, но прочитать его целиком пока не пытались.
• Около 8 % генома человека составляют остатки ретровирусов, когда-то встроившихся в ДНК наших предков. Некоторые из этих генов «приручены»: например, белок синцитин, необходимый для образования плаценты, — бывший белок оболочки вируса.
• Медуз для работы Симомуры ловили сачками у пирса, и в выделении белка участвовала вся его семья, включая детей.
• Флуоресцентные белки найдены не только у медуз, но и у кораллов, ланцетников и даже у угрей: у японского угря есть зелёный флуоресцентный белок, который начинает светиться, только связав билирубин.
• Ген, названный у дрозофилы именем ёжика Соника, у человека участвует в развитии мозга, лица и пальцев; его нарушения могут привести к тому, что полушария мозга не разделяются.
• Геном мексиканской саламандры аксолотля, знаменитой способностью отращивать лапы, примерно в 10 раз больше человеческого. Прочитать его удалось только в 2018 году, и сейчас по нему ищут гены регенерации.
• Мышь с выключенным геном почти любого белка можно заказать из международного хранилища: замороженные зародыши и сперма тысяч линий хранятся в жидком азоте и рассылаются по всему миру.
• Исследователи, читающие генетический код древних людей, выяснили, что у современных людей неафриканского происхождения около 1–2 % генома унаследовано от неандертальцев, и функции части этих вариантов изучают методами функциональной геномики.

15. Частые вопросы

16. ЕГЭ

Функциональная геномика названа в элементе 2.6 кодификатора [15] последней, после регуляции цикла и апоптоза. На экзамене могут спросить, чем функциональная геномика отличается от структурной, что такое транскриптом и протеом, почему клетки разных тканей различаются при одинаковом геноме, как с помощью выключения гена или репортёрного гена узнают его функцию. Многие задания на эту тему опираются на описание опыта: нужно понять, что сделали учёные и какой вывод следует из результата.

Что обязательно знать к экзамену

• Определения генома, транскриптома, протеома; различие структурной и функциональной геномики.
• Почему клетки организма с одинаковым геномом различаются (разная работа генов).
• Принцип ДНК-микрочипа (гибридизация) и секвенирования РНК.
• Нокаут гена, РНК-интерференция, CRISPR/Cas9: что изменяется и наследуется ли изменение.
• Репортёрные гены, GFP.
• Значение модельных организмов; почему гены человека можно изучать на дрожжах, мухах, мышах.

Разбор вопроса части 2

Вопрос. Учёные получили мышей, у которых ген белка X заменён изменённой нерабочей копией. Гомозиготные мыши погибали на стадии зародыша из-за нарушения развития сердца, гетерозиготные развивались нормально. 1) Как называется такой метод? 2) Какой вывод о функции белка X можно сделать? 3) Почему гетерозиготы развиваются нормально?

Ответ. 1) Нокаут гена — направленное выключение определённого гена в геноме. 2) Белок X необходим для развития сердца и выживания зародыша. 3) У гетерозигот одна нормальная копия гена обеспечивает синтез достаточного количества белка; мутантный аллель рецессивен.

Разбор вопроса о методах

Вопрос. Чем выключение гена методом РНК-интерференции отличается от нокаута? Приведите не менее двух отличий.

Ответ. 1) При РНК-интерференции разрушается мРНК гена, а сама последовательность гена в ДНК не изменяется; при нокауте ген удаляется или разрушается в геноме. 2) Эффект РНК-интерференции обычно временный и не передаётся потомкам; нокаут наследуется. 3) При РНК-интерференции количество белка снижается, но часто не до нуля; при нокауте продукт гена не образуется совсем.

Разбор вопроса о репортёрном гене

Вопрос. Ген белка P слили с геном GFP и ввели в клетки. Под микроскопом зелёное свечение наблюдалось только в ядре, а после обработки клеток гормоном — в цитоплазме. Какой вывод можно сделать?

Ответ. 1) Слитый белок P–GFP светится там, где находится белок P. 2) В обычных условиях белок P находится в ядре — возможно, он участвует в регуляции транскрипции или других процессах в ядре. 3) Под действием гормона белок перемещается из ядра в цитоплазму, значит, гормон регулирует его положение в клетке, а следовательно, и его функцию.

Связь с другими темами

Вопросы по функциональной геномике тесно связаны с темами «Реализация наследственной информации» (транскрипция, сплайсинг, трансляция, регуляция работы генов — статья «Регуляция генов у эукариот»), «Генная инженерия и биотехнология» (рекомбинантная ДНК, CRISPR/Cas9 — например, статья «Редактирование гена PCSK9») и «Вирусы» (обратная транскриптаза, бактериальный иммунитет к фагам).

17. Для олимпиад

Чтение данных микрочипа

На микрочип нанесли смесь кДНК нормальной ткани печени (зелёная метка) и опухоли печени (красная метка). Для четырёх генов получили интенсивности свечения (условные единицы).

Вопросы и ответы. 1) Какого цвета будут пятна? Пятно гена А зелёное (сильнее работает в норме), гены Б и Г — красные (сильнее в опухоли), гена В — жёлтое (одинаково). 2) Как объяснить снижение работы гена альбумина? Опухолевые клетки теряют признаки специализации: альбумин — белок, который синтезирует зрелая клетка печени. 3) Почему в опухоли сильнее работает ген циклина? Опухолевые клетки чаще делятся, а циклин работает в клеточном цикле. 4) Что можно предположить о гене Г и как это проверить? Ген Г, возможно, участвует в росте опухоли; чтобы проверить, его выключают (CRISPR, РНК-интерференция) в опухолевых клетках и смотрят, замедлится ли их деление. Принято сравнивать не сами интенсивности, а их логарифмы по основанию 2: у гена Г log₂16 = 4, то есть работа увеличена в 2⁴ = 16 раз.

Поправка на длину гена

При секвенировании РНК получили 20 миллионов прочтений. На ген, длина мРНК которого 2000 нуклеотидов, пришлось 4000 прочтений, а на ген с мРНК длиной 500 нуклеотидов — 1000 прочтений. Какой из генов работает сильнее?

Решение. Число прочтений зависит не только от количества молекул мРНК, но и от её длины: длинная молекула распадается на большее число фрагментов. Поэтому прочтения пересчитывают на единицу длины. Первый ген: 4000 прочтений : 2 тысячи нуклеотидов = 2000 прочтений на тысячу нуклеотидов. Второй: 1000 : 0,5 = 2000. Работа генов одинакова — молекул мРНК обоих генов в клетке примерно поровну. Наивное сравнение «4000 больше 1000» дало бы неверный ответ.

Синтетическая летальность

Гены A и B кодируют похожие белки, выполняющие одну и ту же функцию. Мыши, у которых выключен только A или только B, нормальны, а при выключении обоих генов зародыш погибает. Такое сочетание называют синтетической летальностью. 1) Как это объяснить? 2) Как такое явление используют в лечении рака?

Ответ. 1) Белки A и B взаимозаменяемы: каждый из них способен обеспечить необходимую функцию, поэтому выключение одного гена компенсируется вторым; гибель наступает только без обоих. 2) Если в опухоли один из таких генов уже испорчен мутацией, а в нормальных клетках оба гена работают, то лекарство против второго белка убьёт только опухолевые клетки. Тот же принцип лежит в основе действия ингибиторов фермента репарации ДНК PARP при опухолях с мутациями BRCA1 или BRCA2. PARP и белки BRCA работают в разных, дополняющих друг друга путях репарации: в клетках опухоли без BRCA блокирование PARP выключает оба пути, и клетки гибнут, а нормальные клетки с работающим BRCA выживают.

CRISPR-скрининг

В культуру опухолевых клеток ввели набор направляющих РНК, по одной на клетку, против всех генов. Часть клеток обработали противоопухолевым препаратом, часть оставили без обработки. Через три недели в необработанной культуре почти исчезли РНК против генов рибосомных белков, а в обработанной, кроме того, — РНК против гена Y; зато РНК против гена Z в обработанной культуре стало в 20 раз больше. Как объяснить результаты?

Ответ. Гены рибосомных белков необходимы любой клетке: клетки без них погибли в обеих культурах. Ген Y необходим только при действии препарата: без него клетки становятся чувствительнее, и препарат их убивает; одновременное подавление гена Y и лечение может усилить действие лекарства. Ген Z, наоборот, нужен для действия препарата — возможно, его белок переносит препарат в клетку или превращает его в активную форму. Клетки без Z устойчивы к препарату и размножились; такие мутации могут объяснить, почему опухоль перестаёт отвечать на лечение.

18. Задания с разбором

Задание 1

Установите соответствие между понятиями и их определениями. Понятия: А) геном; Б) транскриптом; В) протеом; Г) метаболом. Определения: 1) все белки клетки; 2) вся ДНК клетки; 3) все низкомолекулярные вещества клетки; 4) все РНК клетки.

Задание 2

Выберите три верных ответа. Функциональная геномика изучает: 1) функции генов и их продуктов; 2) последовательность нуклеотидов генома; 3) регуляцию работы генов в масштабе всего генома; 4) расположение генов на хромосомах; 5) в каких тканях и когда работают гены; 6) строение рибосом.

Задание 3

Установите соответствие между методами и тем, что они изменяют или измеряют. Методы: А) нокаут гена; Б) РНК-интерференция; В) ДНК-микрочип; Г) редактирование CRISPR/Cas9; Д) секвенирование РНК. Что изменяют или измеряют: 1) изменяют последовательность гена в ДНК; 2) разрушают мРНК, не изменяя ген; 3) измеряют количество РНК генов.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте. (1) Геном соматических клеток одного организма практически одинаков. (2) Клетки разных тканей различаются набором генов в ядре. (3) Совокупность всех РНК клетки называют транскриптомом. (4) Транскриптом одинаков во всех клетках организма. (5) Совокупность всех белков клетки называют протеомом.

Задание 5

Объясните, почему клетки печени и нейроны одного человека, имея одинаковый геном, синтезируют разные белки.

Задание 6

Установите последовательность этапов анализа работы генов с помощью ДНК-микрочипа: А) сканирование чипа и измерение яркости пятен; Б) выделение мРНК из клеток; В) получение меченых кДНК с помощью обратной транскриптазы; Г) отмывка несвязавшихся молекул; Д) гибридизация кДНК с зондами на чипе.

Задание 7

Выберите три верных ответа. Для РНК-интерференции характерно: 1) используется двуцепочечная РНК, комплементарная мРНК гена; 2) изменяется последовательность гена в ДНК; 3) мРНК гена разрушается; 4) эффект обычно временный; 5) изменение всегда передаётся потомкам; 6) используется белок Cas9.

Задание 8

Учёные присоединили ген зелёного флуоресцентного белка GFP к регуляторной области гена мышечного белка и ввели эту конструкцию в зародыш рыбы данио. Какие клетки рыбы будут светиться и почему?

Задание 9

Установите соответствие между признаками и методами. Признаки: А) можно обнаружить новые, ранее неизвестные РНК; Б) зонды — фрагменты ДНК известных генов; В) работу гена оценивают по числу прочтений; Г) работу гена оценивают по яркости свечения пятна; Д) выявляет варианты сплайсинга. Методы: 1) ДНК-микрочип; 2) секвенирование РНК.

Задание 10

Почему у человека около 20 тысяч белок-кодирующих генов — не больше, чем у нематоды, — хотя человек устроен гораздо сложнее? Приведите не менее двух причин.

Задание 11

Выберите три верных ответа. Модельными организмами для изучения функций генов служат: 1) пекарские дрожжи; 2) нематода Caenorhabditis elegans; 3) человек; 4) дрозофила; 5) вирус гриппа; 6) тигр.

Задание 12

Почему функции многих генов человека можно изучать на дрожжах и мухах?

Задание 13

Установите последовательность этапов получения нокаутной мыши: А) скрещивание гетерозигот и получение гомозиготных мышей; Б) введение изменённой копии гена в эмбриональные стволовые клетки; В) отбор клеток, в которых произошла гомологичная рекомбинация; Г) введение изменённых клеток в ранний зародыш и получение химеры; Д) получение гетерозиготного потомства химеры.

Задание 14

Объясните, как система CRISPR/Cas9 находит и разрезает нужный участок ДНК и как после этого может выключиться ген.

Задание 15

Выберите три верных ответа. Зелёный флуоресцентный белок GFP: 1) выделен из медузы; 2) является ферментом, расщепляющим ДНК; 3) используется как репортёр работы генов; 4) светится в клетках других организмов; 5) синтезируется в клетках всех животных; 6) состоит из нуклеотидов.

Задание 16

Сравнивая работу генов в нормальной ткани и в опухоли, учёные обнаружили, что в опухоли в 10 раз сильнее работает ген белка Q. Можно ли на этом основании утверждать, что белок Q вызывает рост опухоли? Какой опыт нужно поставить, чтобы проверить это?

Задание 17

Установите соответствие между учёными и их открытиями. Учёные: А) Э. Файер и К. Мелло; Б) О. Симомура; В) Э. Шарпантье и Дж. Даудна; Г) М. Капекки, О. Смитис, М. Эванс. Открытия: 1) зелёный флуоресцентный белок; 2) нокаут генов у мышей; 3) РНК-интерференция; 4) редактирование генома системой CRISPR/Cas9.

Задание 18

Почему изменение гена с помощью CRISPR/Cas9 в стволовых клетках крови больного не передаётся его детям, а изменение в зиготе — передаётся?

Задание 19 (олимпиадное)

У дрожжей выключили по очереди все 6000 генов. Без 1100 из них клетки не росли на богатой питательной среде. Учёные утверждают, что «остальные 4900 генов не нужны дрожжам». 1) Найдите ошибку в рассуждении. 2) Предложите два объяснения, почему выключение многих генов не меняет рост на богатой среде. 3) Как можно выявить функции таких генов?

Задание 20 (олимпиадное)

При секвенировании РНК клеток печени получено 30 миллионов прочтений. На ген альбумина (длина мРНК около 2000 нуклеотидов) пришлось 600 000 прочтений, на ген фермента K (длина мРНК 1000 нуклеотидов) — 3000 прочтений. 1) Во сколько раз число молекул мРНК альбумина больше, чем мРНК фермента K? 2) Почему нельзя просто сравнить 600 000 и 3000? 3) Почему по этим данным нельзя точно сказать, во сколько раз больше в клетке белка альбумина?

Литература

1. International Human Genome Sequencing Consortium (Lander E. S., Linton L. M., Birren B. et al.). Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. 2001. Vol. 409. P. 860–921.
2. Nurk S., Koren S., Rhie A. et al. The complete sequence of a human genome // Science. 2022. Vol. 376. P. 44–53.
3. The ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome // Nature. 2012. Vol. 489. P. 57–74.
4. DeRisi J. L., Iyer V. R., Brown P. O. Exploring the metabolic and genetic control of gene expression on a genomic scale // Science. 1997. Vol. 278. P. 680–686.
5. Uhlén M., Fagerberg L., Hallström B. M. et al. Tissue-based map of the human proteome // Science. 2015. Vol. 347. Art. 1260419.
6. Schena M., Shalon D., Davis R. W., Brown P. O. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray // Science. 1995. Vol. 270. P. 467–470.
7. Mortazavi A., Williams B. A., McCue K. et al. Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq // Nature Methods. 2008. Vol. 5. P. 621–628.
8. Capecchi M. R. Altering the genome by homologous recombination // Science. 1989. Vol. 244. P. 1288–1292.
9. Napoli C., Lemieux C., Jorgensen R. Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans // Plant Cell. 1990. Vol. 2. P. 279–289.
10. Fire A., Xu S., Montgomery M. K. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. Vol. 391. P. 806–811.
11. Jinek M., Chylinski K., Fonfara I. et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. Vol. 337. P. 816–821.
12. Wang T., Birsoy K., Hughes N. W. et al. Identification and characterization of essential genes in the human genome // Science. 2015. Vol. 350. P. 1096–1101.
13. Giaever G., Chu A. M., Ni L. et al. Functional profiling of the Saccharomyces cerevisiae genome // Nature. 2002. Vol. 418. P. 387–391.
14. Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G. et al. Green fluorescent protein as a marker for gene expression // Science. 1994. Vol. 263. P. 802–805.
15. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.