Предисловие ..................................................... 5

Введение: "Трудность заключается не в порождении новых идей,
а в избавлении от старых" (John Maynard Kegnes, английский
экономист) ..................................................... 13

Рассуждение о молекулярной биологии и ее роли в познании
жизни .......................................................... 13

Установлены структуры множества геномов. Ну и что? ............. 17

  Что такое функции, о которых мы говорим?
  Что такое функциональная геномика? ........................... 19

  Разные уровни функциональности: Геном рассказывает
  о биохимии - не о фенотипе
  ("Genome speaks biochemistry - not phenotype") ............... 20

Сложность большинства фенотипов ................................ 23

Лабиринты молекулярных данных без нитей Ариадны - ловушка
для исследователей механизмов жизнедеятельности ................ 26

Эволюционно-популяционный сравнительный анализ геномов может
частично помочь выйти из функционального тупика ................ 27

  Новая синтетическая биология необходима для выхода из
  ловушки. Этюд оптимизма ...................................... 29

И все же мы никогда не поймем до конца, почему Эйнштейн
отличался от Гитлера и почему даже идентичные близнецы
различны. Генетический шум вносит непредсказуемость
в индивидуальность. Это принцип неопределенности в биологии .... 33

Недостижимость фундаментальных целей не означает
невозможности решения практических, в частности, медицинских,
проблем ........................................................ 34

Неслучайные цитаты ............................................. 35

Литература ..................................................... 37


Глава 1
Что есть жизнь? 350-летний путь исследований, надежд,
находок, разочарований и новых надежд .......................... 40

Мы стоим на плечах гигантов. Историческая справка
с некоторыми комментариями ..................................... 40

Краткий очерк истории геномики в России ........................ 71

Неслучайные цитаты ............................................. 73

Литература ..................................................... 74


Глава 2
Пятиминутный "напоминательный" экскурс в структуру генов и их
регуляторных элементов у эукариотических организмов ............ 76

Асимметричность синтеза РНК. Смысловые и антисмысловые РНК ..... 77

  Пространственная организация транскрипции и
  посттранскрипционных процессов эукариотических генов ......... 78

Обобщенная структура эукариотического гена и его регуляторной
системы ........................................................ 78

  Как правило, эукариотический ген содержит 5'- и 3'-
  нетранслируемые области и мозаику экзонов и интронов ......... 79

  После транскрипции полученная РНК подвергается многим
  преобразованиям - процессингу ................................ 80

  Регуляторная система эукариотического гена содержит
  множество последовательностей. Регуляция осуществляется за
  счет их взаимодействия с многочисленными регуляторными
  белками ...................................................... 83

  Гены домохозяйки и тканеспецифичные гены ..................... 87

  Структуры, определяющие эпигенетический контроль экспрессии
  генов. CpG островки .......................................... 88

  Вариабельность структур, контролирующих экспрессию, и
  комбинаторный принцип организации контрольных элементов ...... 89

  Контроль экспрессии может осуществляться почти на всех ее
  стадиях ...................................................... 91

Вместо заключения. Что такое ген? .............................. 92

Неслучайные цитаты ............................................. 94

Литература ..................................................... 94


Глава 3
Замечательная структура порождает замечательные методы
исследования ................................................... 96

Договоримся о номенклатуре ..................................... 96

Несколько вводных слов ......................................... 97

Листая старые страницы ......................................... 98

Процессы диссоциации и реассоциации ДНК в двух словах и
нескольких картинках ........................................... 98

Ренатурация может происходить не только в растворе, но и
на твердой поверхности. ДНК может образовывать
комплементарные двухцепочечные молекулы с РНК ................. 102

  ДНК-микроэррэи .............................................. 103

  Саузерн-блот гибридизация ................................... 103

  В качестве пробы при Саузерн-блот гибридизации может
  использоваться не только РНК, но и комплементарная ей ДНК.
  Создание библиотек кДНК, адекватных наборам мРНК в разных
  типах клеток ................................................ 108

Библиотеки кДНК ............................................... 110

Как метить ДНК? ............................................... 113

  В различных организмах существует множество ферментов.
  Некоторые из них мы используем для исследований генома и
  для введения меток в ДНК и РНК .............................. 114

  Используя ДНК-полимеразу I, можно метить ДНК с помощью так
  называемой ник-трансляции ................................... 115

  Фрагмент Кленова - ДНК-полимеразы I E.coli.
  Случайное затравливание ..................................... 116

  Полимеразная цепная реакция, ПЦР (Polymerase chain
  reaction, PCR). Размножение и мечение ДНК ................... 117

  Концевая деоксинуклеотидилтрансфераза, не зависящая от
  матрицы ДНК-полимеразы. К 3'-концу ДНК или
  олигонуклеотида добавляется меченый полинуклеотидный
  "хвост" ..................................................... 119

  Метка может вводиться при синтезе первой цепи кДНК .......... 120

  ДНК-зависимые РНК-полимеразы могут использоваться для
  синтеза меченой РНК ......................................... 120

Гибридизация - средство исследования эволюции ................. 122

Неслучайные цитаты ............................................ 123

Литература .................................................... 124


Глава 4
Физическое картирование геномов: положение геномных
достопримечательностей можно определять в физических
единицах длины ................................................ 125

Введение. Геномы картируют, чтобы находить гены и другие
функциональные элементы. Два стратегических вида карт:
физическая и генетическая ..................................... 125

Материализованная физическая карта генома человека. Геном
разбит на кусочки, и каждый кусочек с известным положением
в геноме клонирован и положен в отдельную лунку
микротитровальной чашки ....................................... 126

  Расщепление ДНК на крупные перекрывающиеся блоки и
  их "увековечивание" ......................................... 126

  Возможность определения перекрываний без анализа
  последовательности нуклеотидных звеньев ..................... 130

Цитогенетическая карта генома: разнообразная окраска
хромосом позволяет отличать их друг от друга.
Хромосомы человека отличаются от хромосом обезьян и
нормальные хромосомы - от очень больных ....................... 133

  Хромосомы полосаты, каждая по-своему. Идиограммы хромосом ... 133

  FISH не рыба, а способ картирования. Выуживание информации
  с помощью гибридизации с хромосомами ........................ 137

  Множественные рыбы и небо ................................... 140

Объединение (интегрирование) карты клонов и цитогенетической
карты приводит к метрической карте хромосом ................... 140

Новая идеология физического картирования - отслеживание
коротких секвенированных последовательностей генома,
ярлыков или STS. С помощью STS, удается просле живать
участки, их содержащие, где бы они не оказались ............... 142

Парасексуальная генетика позволяет получать гибридные
клетки, содержащие хромосомы из разных видов и осуществлять
картирование. Карта радиационных гибридов ..................... 145

Карты генов в геноме - это вовсе не генетические карты ........ 150

  Поиск экспрессированных последовательностей. Снова ярлыки,
  на этот раз экспрессирующиеся и секвенированные - EST ....... 151

  Пара слов о Норзерн гибридизации ............................ 155

Заключение. Что дальше? ....................................... 155

Неслучайные цитаты ............................................ 155

Литература .................................................... 156


Глава 5
Охота за избранными генами, которые мы выбираем, потому что
их болезни - это наши болезни. Часть 1 ........................ 158

Мы изучаем себя через наши болезни, пытаясь понять, как
работает организм в норме, отраженной в кривом зеркале
патологий ..................................................... 158

Мимолетное знакомство с несколькими генетическими понятиями.
Генотип и фенотип ............................................. 160

  Двоякая трактовка генотипа .................................. 160

  Полиморфизм локуса или гена - это набор его разных аллелей,
  встречающихся в популяции организмов данного вида ........... 162

  Фенотип - это любые проявления генотипа. Признак - это
  отдельный компонент (домен, модуль) фенотипа ................ 164

  Геномы, транскриптомы и протеомы в связи с генотипом и
  фенотипом ................................................... 166

  Генетика имеет дело с наследованием генов и признаков ....... 166

  Почему нас поражают болезни, зависящие от генов, и почему
  их так много? ............................................... 170

Болезнь королевских домов Европы .............................. 170

Два слова о мужской хромосоме - Y ............................. 172

Один на 3000-4000 новорожденных мальчиков страдает тяжелым
наследственным заболеванием - мышечной дистрофией Дюшенна.
Поиск гена, который связан с этой болезнью .................... 174

  Вместо введения - прочтем статью о мышечной дистрофии ....... 174

  Начинаем охоту за геном, связанным с мышечной дистрофией
  Дюшенна ..................................................... 174

  Продолжение охоты за геном мышечной дистрофии.
  Вступают в силу методы физического картирования ............. 176

  Номенклатурное отступление.
  Система обозначений генов человека .......................... 177

  Продолжение продолжения охоты за геном DMD .................. 179

  Найден кандидат на роль гена DMD. Но он ли это? ............. 181

  Если это ген, то он должен транскрибироваться ............... 182

  Эпилог с продолжением ....................................... 184

Неслучайные цитаты ............................................ 185

Литература .................................................... 185


Глава 6
Охота за избранными генами, которые мы выбираем, потому что
их болезни - это наши болезни. Часть 2 ........................ 187

Вместо введения - фрагмент истории генетического
картирования .................................................. 187

Группы крови как полиморфные маркеры, которые помогают
отслеживать гены .............................................. 189

  Трехминутный экскурс в генетику групп крови АВО ............. 189

  Группы крови и наследование синдрома Тернера-Кизера.
  Знакомимся с понятия ми: сцепленность, гаплотип,
  рекомбинация и генетическое расстояние ...................... 189

  Пара слов о рекомбинациях. Сцепленность признаков ........... 193

  Генетическое и физическое расстояние между аллелями.
  Частота рекомбинаций и сцепление ............................ 197

  Слияние гамет и рекомбинации приводят к тому,
  что при значительном сходстве, потомки отличаются
  от родителей непредсказуемо ................................. 199

  Мера надежности экспериментального определения
  сцепленности ................................................ 199

Полиморфизм генома выступает как источник генетических
маркеров, которые называют молекулярно-генетическими
маркерами, МГМ. Генетические маркеры помогают ловить гены,
сцепленные с ними ............................................. 200

  Классический пример. Серповидно-клеточная анемия и
  полиморфизм длин рестриктных фрагментов ..................... 202

  Номенклатура молекулярно-генетических маркеров (МГМ) ........ 207

  Клонирование генов болезни Хантингтона с использованием
  полиморфизма длин рестриктных фрагментов как
  молекулярно-генетических маркеров ........................... 207

  ПДРФ - достоинства и недостатки ............................. 210

  Твоя ли мать? ............................................... 211

  Мини- и микросателлиты ...................................... 213

  Полиморфизм МГМ позволяет обнаруживать наследственные
  связи, осуществлять геномную дактилоскопию и устанавливать
  индивидуальность ............................................ 215

  Саузерн - хорошо, а ПЦР лучше ............................... 217

  Мононуклеотидный полиморфизм
  (single nucleotide polymorphism, SNP) ....................... 219

  Сцепим SNP с признаком "волосатое ухо" ...................... 224

Неслучайные цитаты ............................................ 227

Литература .................................................... 228


Глава 7
От генетического картирования генов - к генетическому
картированию геномов .......................................... 231

Готовые коллекции клеток из семей, содержащих многочисленное
потомство, помогают исследователям в картировании генома и
идентификации генов ........................................... 233

Имея генетическую карту генома, можно перейти от случайного
поиска генов к систематическому их отлавливанию ............... 234

Чтобы улучшить точность картирования, мы отключаемся от
анализа семей и переключаемся на исследования популяций.
Неравновесное сцепление и ассоциативное картирование .......... 235

  Что такое равновесное и неравновесное сцепление ............. 237

  Наличие неравновесных сцеплений в популяции зависит
  от ее истории ............................................... 239

  Сцепление - это ассоциации аллелей в пределах семьи.
  Неравновесное сцепление - это ассоциации аллелей в разных
  семьях и в популяции в целом ................................ 242

  Различие в скоростях рекомбинаций приводит к тому,
  что в геномах существуют достаточно консервативные блоки
  гаплотипов, разделенные вариабельными участками,
  где рекомбинации происходят с высокой частотой .............. 244

  Слишком много SNP потребовалось бы для полногеномного
  сканирования в поиске генов ................................. 245

  Неравновесное сцепление и блоки гаплотипов .................. 247

  Не все ассоциации в популяции вызваны неравновесным
  сцеплением .................................................. 253

Интегрированные карты геномов: объединение информации
физических и генетических карт ................................ 254

  Возможность интеграции физических и генетических карт ....... 254

  В интегрированной системе карт легко переходить от
  абстрактных маркеров на генетической карте к их физическим
  носителям на физической карте и, выделяя эти физические
  носители, исследовать структуры генов и геномов ............. 256

Идентификация гена синдрома хрупкости Х-хромосомы с помощью
МГМ. Встречаемся с динамическими мутациями.
Разрешение парадоксов ......................................... 257

  Парадокс Шермана в закономерностях наследования слабоумия,
  связанного с хрупкостью Х-хромосомы ......................... 257

  Цитогенетический дефект указывает на положение гена,
  анализ сцеплений дает возможность его локализовать.
  Использование библиотек генов - выделить клоны, содержащие
  подозреваемый ген ........................................... 258

  CpG островок указывает на положение гена. У больных он
  метилирован, а у здоровых нет ............................... 260

  Фрагмент Х-хромосомы, содержащий ген, найден.
  Он удлиняется из поколения в поколение у больных.
  Мутация, вызывающая болезнь, ведет себя динамично ........... 261

  Странное поведение гена FMR-1 - основа странного
  наследования болезни ........................................ 262

Позиционное и функциональное клонирование генов ............... 266

  Анализ кандидатных генов .................................... 268

Неслучайные цитаты ............................................ 269

Литература .................................................... 271


Глава 8
Рутинные методы, спасительные надежды и чрезвычайные
сложности интегрированных мультидисциплинарных подходов
к проблеме жизнедеятельности .................................. 273

Что такое биоинформатика - взгляд "user'a" .................... 274

Разные определения биоинформатики ............................. 275

Для чего используют биоинформатику ............................ 279

От последовательности к высокопроизводительному анализу
данных ........................................................ 281

Базы данных ................................................... 282

  Использование баз данных .................................... 284

Попытки интегрирования баз данных ............................. 285

  Роль онтологии .............................................. 287

  Проблема глобальных универсальных идентификаторов ........... 288

От функций молекул к более сложным функциям ................... 289

Мы должны быть просвещенными User'aми ......................... 291

Системная биология. Накапливаются данные - меняются
концепции. Необходимо все время иметь в виду, что мы
работаем с биологическими системами, а не с отдельными
молекулами .................................................... 292

От биологии, описывающей экспериментальные данные, -
к биологии, основанной на законах и принципах ................. 297

Системная или интегративная биология .......................... 297

In silico (компьютерные) модели живых клеток .................. 300

Сегодня мы имеем весьма детальное представление о том,
как устроена клетка, но это представление статичное ........... 301

Попытки массированного параллельного анализа компонентов
клетки на транскрипционном или белковом уровне in vitro ....... 301

Национальные институты здоровья США (NIH) призывают
исследовать клетку изнутри .................................... 303

Упремся в фенотип? ............................................ 306

Неслучайные цитаты ............................................ 308

Литература .................................................... 311


Глава 9
Секвенирование геномов. Полногеномные сиквенсы -
Грааль генетики или периодическая система биологии? ........... 313

Неизбежность, необходимость и недостаточность секвенирования
полных геномов ................................................ 313

 Стратегия и тактика секвенирования ........................... 317

Клон за клоном шот-ган секвенирование ......................... 318

  Собственно секвенирование: сравнение длин получаемых из
  фрагментов нуклеиновой кислоты специфически
  терминированных олигонуклеотидов ............................ 319

  Клонирование в универсальные секвенирующие векторы
  позволяет использовать для секвенса всех клонированных
  фрагментов один и тот же праймер ............................ 319

  Секвенирование субклонированных фрагментов по принципу
  специфического обрыва синтеза ДНК-копии ..................... 320

  Шот-ган секвенирование, восстановление структур вставок
  в ВАС и полногеномная сборка крупных секвенированных
  клонов ...................................................... 323

  Полногеномное шот-ган секвенирование ........................ 324

  Взаимодействие с компьютерами - основа успеха геномного
  секвенирования .............................................. 324

  Что это значит "законченная последовательность генома?" ..... 326

Дешифровка криптических текстов генома. Аннотация генома ...... 327

  Аннотации на нуклеотидном уровне. Мосты между
  последовательностями геномов и их физическими и
  генетическими картами ....................................... 330

  Где гены и чем они регулируются? ............................ 330

  Где в геноме некодирующие регуляторные РНК и
  цис-действующие регуляторные последовательности? ............ 337

  Аннотации на уровне белков .................................. 337

  Аннотации на уровне биологических процессов,
  которые программирует геном ................................. 338

Взгляд на структуру генома человека с высоты птичьего
полета: геномный "ландшафт" крупным планом .................... 339

Геном - это мозаика участков с разными G+C составами .......... 340

Геном обеднен по содержанию динуклеотида CpG, но есть CpG
богатые "островки". Они часто встречаются вместе с генами ..... 341

Обратная связь между длиной хромосомы и частотой
рекомбинации на единицу длины ................................. 342

Геном человека обильно начинен повторяющимися
последовательностями разного типа. Парадокс С ................. 343

  Виды повторов ............................................... 343

  Повторы - это не бессмысленный мусор, но хранилище
  информации об эволюции и источник факторов, влияющих на
  функционирование генома ..................................... 344

  Классы мобильных элементов .................................. 344

  Транспозоны как созидательная сила эволюции ................. 347

  Простые повторы последовательностей (SSR).
  Микро- и минисателлиты ...................................... 348

Геном различен у индивидуумов не только с точки зрения
мононуклеотидных замен.
Существуют гораздо более крупные различия ..................... 348

  Сегментные дупликации в человеческом геноме встречаются
  часто ....................................................... 348

  Некоторые люди имеют больше генов, чем другие ............... 350

Но что же с генами в геноме, последовательность которого
завершена, по крайней мере, в эухроматической части? .......... 351

  Гены, кодирующие белки. Один ген - много белков ............. 351

  Сравнение интрон-экзонной структуры генов человека,
  дрозофилы и нематоды ........................................ 352

  Альтернативный сплайсинг .................................... 352

На пути к исчерпывающему указателю генов человека ............. 353

  Ранние оценки числа генов человека .......................... 354

В геноме человека значительно меньше генов, чем ожидалось,
и всего в два раза больше, чем у червяка. Парадокс N .......... 354

  Множество генов программируют синтез только некодирующих
  РНК ......................................................... 355

  Серые дыры вселенной генома ................................. 356

Прогнозы прошлого и реалии сегодняшние
(выдержка из моего старого обзора) ............................ 356

Два слова о будущем ........................................... 358

Вместо заключения: выдержки из интервью Д. Уотсона журналу
"BioEssays", 21, 175-182(1999) ................................ 359

Неслучайные цитаты ............................................ 360

Литература .................................................... 364


Глава 10
Познать самого себя - кто поможет? Единое геномно-
информационное поле ........................................... 366

Общие принципы организации и функционирования биологических
систем ........................................................ 366

Насколько данные по последовательности геномов информативны
с точки зрения понимания механизмов основных биологических
принципов? .................................................... 367

Человек - главная цель познания в молекулярной генетике ....... 367

Модельные организмы ........................................... 372

Бактерии: модели, друзья и враги .............................. 373

  Земля - планета бактерий .................................... 373

  Человек - это гибрид человека и бактерий .................... 373

  "Рабочая лошадь" генетики - Escherichia coli и другие ....... 374

  Последовательности бактериальных геномов .................... 375

Saccharomyces sapiens - дрожжи премудрые ...................... 381

  Геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae ...................... 382

  Множество дрожжей дают почву для множества размышлений ...... 386

Его величество червь
(The Worm - нематода Caenorhabditis elegans) .................. 386

  Жизненный цикл нематоды Caenorhabditis elegans .............. 388

  Развитие С. elegans ......................................... 388

  Геном нематоды С. elegans ................................... 389

  Два червяка лучше, чем один ................................. 390

Королева генетики - Дрозофила (Drosophila melanogaster) ....... 392

  Дрозофила - научный интегратор .............................. 392

  Томас Хант Морган и его ученики сделали дрозофилу "отцом"
  и "матерью" современной генетики ............................ 393

  Дело Моргана живет. Дрозофила не расстается
  с современными генетиками ................................... 395

  Жизненный цикл дрозофилы .................................... 396

  Геном дрозофилы ............................................. 397

  Дрозофила помогает понять механизмы развития организмов ..... 397

  Монстры среди насекомых помогают найти гены, участвующие
  в развитии .................................................. 397

  Дрозофила дает уроки, как развиваются организмы и какие
  гены участвуют в развитии ................................... 399

  Программа развития или генетическая программа развития?
  Давайте отказываться от генетического детерминизма
  (геноцентризма) ............................................. 402

  Дрозофила приобретает более близких родственников для
  сравнительного анализа ...................................... 404

Африканская шпорцевая лягушка Xenopus laevis .................. 405

Рыба-зебра - конкурент лабораторной мыши ...................... 406

Рыба фугу - не модельный объект, но модельный геном ........... 407

Мышь - наш родственник по предку, жившему всего около
85 миллионов лет назад ........................................ 410

  Что общего между нами и мышью?
  Только ли то, что мы и мыши любим сыр? ...................... 412

Наш друг - собака ............................................. 414

Кошка, которая гуляет сама по себе ............................ 414

Крыса ......................................................... 415

Приматы ....................................................... 415

Наш ближайший родственник - шимпанзе .......................... 416

  Извечный вопрос - что делает нас людьми? .................... 419

Единое геномно-информационное поле ............................ 421

Сравнение геномов в попытке понять, чем отличается бактерии
от дрожжей, а дрожжи от многоклеточных эукариот ............... 423

  Чтобы стать эукариотом, нужно изобрести больше генов,
  чем для того, чтобы стать затем многоклеточным .............. 424

  Гены многоклеточности ....................................... 425

  Различия между геномами млекопитающих и секвенированными
  эукариотическими геномами беспозвоночных .................... 425

Консервативность геномов ...................................... 426

  Консервативность структуры и функциональности белков ........ 426

  Консервативность регуляторных элементов ..................... 427

  Консервативность крупных сегментов генома относительно
  содержания и порядка следования генов ....................... 427

Парадоксы геномного поля ...................................... 429

  Старый парадокс С ........................................... 429

  Количество генов, кодирующих белки, не прямо связано
  со сложностью организма (парадокс N) ........................ 429

  Скорость морфологической эволюции непропорциональна
  скорости эволюции геномов ................................... 431

Мы все произошли от общего предка ............................. 431

Минимальное содержание генов, необходимое
для жизнедеятельности ......................................... 432

Происхождение эукариот (Doolittle, 1998) ...................... 433

Другие перспективы геномно-информационного поля ............... 433

Неслучайные цитаты ............................................ 434

Литература .................................................... 436

Словарь - некоторые термины ................................... 441

Приложение .................................................... 484

Список сокращений ............................................. 515