Компьютерный анализ генетических текстов - Александров А.А.
ISBN 5-02-004691-4
Скачать (прямая ссылка):
ВВЕДЕНИЕ
Разработка методов клонирозания и определения последовательности оснований (секвенирования) нуклеиновых кислот положило начало новому этапу развития молекулярной биологии. Знание первичной структуры участков генома, выполняющих определенные функции, дало возможность эффективно применить для их исследования целый арсенал новых методов генной инжснерли. Зти методы (направленный мутагенез, рекомбинация in vitro и др.) позволяют модифицировать участки нуклеотидных последовательностей и исследовать их функции на молекулярном уровне. С их помощью комбинируются участки генетического материала и создаются геномы с совершенно новыми функциями. С другой стороны, эпоха массового секвенирования нуклеотидных последовательностей по-новому ставит две кардинальные проблемы биологии: проблему структура-функция и проблему молекулярной эволюции.
Секвенирование нуклеиновых кислот е настоящее время стало рутинным методом молекулярной биологии. Несомненно, в ближайшем будущем появятся еще более совершенные автоматические секвенаторы, что приведет к. резкому увеличению числа расшифрованных последовательностей. В настоящее время расшифровано около 100 тыс. фрагментов различных геномов, а также ряд целых геномов небольшого размера (в сумме около 35 млн нуклеотидов). Однако, с биологической точки зрения, это совсем немного. Все расшифрованные последовательности составляют примерно 10 книг по 1000 страниц или суммарную длину генома пяти бактерий, а геном человека, например, составит несколько тысяч таких книг.
Благодаря знанию генетического кода мы имеем возможность определять участки нуклеотидных последовательностей, кодирующих потенциальные белки. Этот источник и сегодня, спустя 10 лет после расшифровки первого целого генома (бактериофаг ФХ174), дает нам основную информацию о функциональном строении нуклеотидной последовательности. В то же время, несмотря на то, что известны сотни последовательностей различных функциональных сигналов нуклеиновых кислот, наши представления о принципах их организаций весьма ограничены. Это обусловлено трудностями экспериментального исследования регуляторных участков и сложностью их строения.
До начала эпохи массового секвенирования многим исследователям казалось, что функциональные участки будут закодированы однозначными последовательностями, скорее всего изменяющими локальные фи-
зические свойства молекулы нуклеиновой кислоты. В действительности оказалось, что это не так. Лишь участки действия некоторых ферментов имеют одинаковое строение, и их легко найти на расшифрованной последовательности - таковы некоторые сайты действия рестриктаз II типа. Участки, которые узнают на ДНК белки-регуляторы работы генов, не столь однозначны. Их иоиск - уже более сложная задача. Сайты начала и окончания работы РНК-полимераз, участки начала трансляции РНК, участки сплайсинга имеют весьма сложное строение. Они состоят из нескольких характерных блоков, находящихся ка варьирующих расстояниях, часто включают элементы зторичьой структуры, что сильно затрудняет их поиск на последовательностях.
Выявление и анализ закодированных в последовательностях функциональных сигналов требует применения современных методов информатики - качественных баз данных с современными средствами управления, новейших методов распознавания образов, статистических исследований, применения специальных алгоритмов для преодоления возникающих вычислительных трудностей.
В настоящее время исследование функциональных свойств расшифрованных последовательностей нуклеиновых кислот - это новый раздел
молекулярной биологии, граничащий с информатикой, с одной стороны, и молекулярной биофизикой - с другой. Можно с уверенностью ска зать, что в настоящее время анализ последовательности биополимера позволяет извлечь лишь очень небольшую долю закодированной в ней информации. В конечном счете точное выявление функциональных особенностей в последовательностях нуклеиновых кислот будет возможно только после детального исследования соответствующих реакций, осуществляемых нуклеиновобелковыми комплексами.
Таким образом, прогресс в предсказании функциональной структуры расшифрованных участков генома непосредственно зависит от уровня
наших молекулярно-биологических представлений. На современно!/, этапе развития молекулярной биологии и программ анализа возможны лишь вероятностные предсказания функциональной структуры на основании знания последовательности. Однако, так как секвенирование стано-
вится наиболее простым методом анализа структуры генетического материала, возрастает также и ценность теоретического предсказания его функциональной структуры. Возможности теоретических методов анализа структур биополимеров только начинают открываться.
Специальные компьютерные программы позволяют повысить эффективность проведения генно-инженерных разработок путем анализа карт рестрикции ДНК и анализа кодируемых белковых продуктов, оптимизации синтеза фрагментов ДНК различными методами, выбора оптимальных зондов для выделения индивидуальных генов и т.д. Неожиданно полезной оказалась методика сравнения вновь расшифрованных последовательностей со всеми последовательностями банка. При этом были отк-
