Термин патогенетика (pathogenetics) – широко употребляемый в медико-биологических науках,однако главным образом за рубежом. Он означает изучение наследственных механизмов развития патологических признаков, исследование путей превращения «аномального» генома в фенотип болезни. Если предметом исследования является генетика болезней животных, то такая область исследований называется ветеринарная патогенетика, человека – медицинская патогенетика. Для другого биологического объекта – растений, продолжая данную логическую линию, возможно, подошел бы термин фитопатогенетика. Ближе всего к этой области исследований стоят труды создателя одного из разделов («генетического иммунитета») – фитопатологии – Н.И. Вавилова.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в период с 1992 г. по 2005 г. существенно снизилась доля смертности от инфекционных и паразитарных болезней (примерно на 15–20 %). При этом смертность от сердечно-сосудистых и онкологических болезней значительно увеличилась. Несомненно, причиной снижения инфекционных и паразитарных болезней является расширение вакцинации в развивающихся и развитых странах. Причиной же повышения смертности от сердечно-сосудистых и онкологических болезней является увеличение продолжительности жизни: люди стали просто «доживать» до возраста, когда эти заболевания начинают превалировать. Что касается роста других причин смертности, то в значительной степени это является побочным (и печальным) следствием развития нашей цивилизации: рост числа автомобильных аварий, аварий на производстве, несчастных случаев.

Согласно прогнозу журнала «Nature» (Abbott, 2004) генетическое разнообразие лабораторных млекопитающих, прежде всего мышей, достигнет к 2030 г. 300 тыс. генотипов. Столь бурный рост обусловлен развитием молекулярно-генетических и биоинформационных технологий, которые, с одной стороны, формируют запрос на разнообразие лабораторных животных, а с другой, обеспечивают генно-инженерное конструирование организмов с заданными генетическими свойствами. Причиной растущего запроса служит накопление сведений о генетическом вкладе в развитие многих заболеваний. Уже сегодня известно более 2 млн генетических полиморфизмов, которые определяют наследственную предрасположенность людей к различным болезням, в том числе формирующимся в результате сочетания факторов – генотип человека и неадекватные генотипу условия климата, производственной, бытовой и социальной среды. Этот внушительный список полиморфизмов постоянно пополняется, чему способствуют совершенствование и удешевление методов прочтения геномов (секвенирование), а также развитие информационных технологий, обеспечивающих накопление и переработку гигантских баз данных.

Вклад генетического разнообразия лабораторных животных в развитие фундаментальных и прикладных биомедицинских исследований наглядно иллюстрирует динамика публикаций, которая только для работ, основанных на изучении трансгенных мышей, выросла с единичных статей в конце 1980-х годов до 13–14 тыс. публикаций в год в 2010–2012 гг.

Таким образом, создание, сохранение, разведение и изучение различных генетических линий лабораторных животных становятся заметными компонентами современной биологии, которая требует подготовки специалистов, обладающих мультидисциплинарными знаниями в таких областях биологии, как генетика (в том числе генная инженерия) и селекция, иммунофизиология, этология, специализированные зоотехния и ветеринария, биоинформатика. В США, странах ЕС, Японии и Китае эту задачу решает специализация студентов в области наук о лабораторных животных (Laboratory Animal Sciences). К сожалению, в нашей стране нет не только адекватного русского аналога понятию Laboratory Animal Sciences, но и направленной подготовки специалистов в этой быстро развивающейся сфере научно-практической деятельности.

Ниже дан общий обзор современного состояния и трендов в области создания и научного использования рукотворного биоразнообразия основных видов лабораторных млекопитающих – мышей и крыс.

В настоящей статье будут рассмотрены некоторые аспекты организации структуры генома млекопитающих,изменения в геномах животных, связанные с естественным и искусственным отбором;  будут приведены примеры, полезные для понимания процессов одомашнивания или эволюционного происхождения животных.

В марте 2000 г. было сделано заявление, которое произвело огромное впечатление даже на людей, далеких от биологии: геном человека секвенирован! Комментируя его, Бил Клинтон сказал, что это событие для человечества имеет значение большее, чем изобретение колеса, и он горд, что это произошло во время его нахождения на посту президента США. Секвенирование генома человека, несомненно, является огромным успехом современной биологии, но следует отметить, что секвенирование генома не означает его расшифровку. Сегодня геном человека и ряда других видов уже представлен в базах данных в виде последовательностей нуклеотидов, но оказалось, что можно и читать, и писать, понимая лишь небольшую часть написанного. В тексте «геном человека» мы понимаем отдельные «слова», а иногда и целые фразы. Однако выяснение правил языка, определяющих разбиение текста на абзацы, главы и отдельные тома, представляет собой отдельную задачу, которая, похоже, оказалась более сложной, чем простое секвенирование: «чтение–записывание» в длинные цепочки символов A, T, G, C.

Некоторые проблемы обусловлены тем, что в реальной жизни геном является трех - или даже, учитывая время, четырехмерным, а записали его пока лишь в одномерном варианте, потеряв не только информацию, связанную с его пространственной организацией, но и оставив на будущее изучение самих принципов этой организации. Возможно, ситуация является еще более сложной. В ДНК записаны не только наследственная информация в виде последовательности нуклеотидов, необходимая для построения белков, но и программа ее реализации: когда и в каких клетках будет считываться информация с различных участков ДНК. Уже сейчас известно множество механизмов и систем кодирования, используемых для управления работой генов не только последовательности нуклеотидов в определенных участках генома. К таким механизмам относятся метилирование ДНК и модификации гистонов, доменная организация хромосомы и другие особенности генома, которые определяют различия между индивидуальными клетками, возникающие в ходе их дифференцировки в клетки различных тканей. То есть генетический код, определяющий аминокислотную последовательность белков через последовательность нуклеотидов, является только одним из существующих кодов.

В настоящей статье мы рассмотрим только одну из проблем – пространственную организацию генома. Более того, для упрощения решения этой задачи ограничимся рассмотрением генома соматических клеток млекопитающих, что позволит оставить за рамками настоящей статьи такие особые варианты организации генома, как политенные хромосомы, хромосомы типа ламповых щеток, а также специфическую реорганизацию генома в мейозе.

После того как была установлена и доказана генетическая роль ДНК, определения гена менялись несколько раз. Первоначальное определение «один ген – один признак» оказалось слишком расплывчатым и в общем случае неверным, так как за развитие одного признака могут отвечать несколько генов, а один ген может оказывать влияние на развитие нескольких разных признаков. Определение «один ген – один фермент» также оказалось неточным, так как очень многие ферменты – субъединичные белки и поэтому являются продуктом нескольких разных генов. А после нахождения нетранслируемых генов, таких как гены транспортных или рибосомных РНК, а также открытия альтернативного сплайсинга матричных РНК определение «один ген – одна полипептидная цепь» также устарело. Для бактерий возможно определение «ген – участок ДНК, кодирующий первичную структуру одной полипептидной цепи или одной rРНК, или одной tРНК, или одной sРНК». Для эукариот ген можно определить как участок ДНК, по которому образуется функциональная молекула РНК (m, r, t, s). Прe-mРНК может подвергаться альтер-нативному сплайсингу и редактированию, благодаря чему возможно образование нескольких разных полипептидных цепей, закодированных в одном гене.

С тех пор как появилось знаменитое утверждение Рудольфа Вирхова: «Omnis cellula e cellula» прошло уже более 150 лет. Мы много знаем о механизмах клеточного деления, но остается еще немало вопросов, требующих дальнейшего изучения. В настоящей статье будут кратко рассмотрены процессы клеточного цикла, включающие митоз, т. е. митотического цикла.

Объектами изучения митотического цикла являются самые разные организмы, прежде всего те, генетика которых хорошо изучена: дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Schyzosaccharomyces pombe, плесневый гриб Aspergillus nidulans, плодовая мушка Drosophila melanogaster. Многие важные данные получены в экспериментах с оплодотворенными ооцитами морского ежа Arbacia punctulata и лягушки Xenopus laevis, а также на клетках млекопитающих in vitro. В последнее время активно используют мышей, у которых выключены те или иные гены. Данные, полученные на разных модельных системах, дополняют друг друга и демонстрируют, несмотря на некоторые различия, существенное сходство основных процессов митотического цикла и высокую гомологию многих участвующих в них белков.

С момента переоткрытия менделевских законов, т. е. законов наследования ядерных, хромосомных наследственных факторов, прошло 9 лет до того, как было открыто другое явление – детерминация признаков организма факторами, локализованными не в ядре, а в цитоплазме.

Честь этого открытия принадлежит Карлу Корренсу (1864–1933) (одному из первоткрывателей законов Менделя) и Эрвину Бауру (1875–1933). Эти исследователи, работая с пестролистными растениями, одновременно, в 1909 г., опубликовали статьи с описанием необычного, неменделевского, наследования изучаемых признаков. К.Корренс в своей работе описал однородительскую передачу признака, которая впоследствии оказалась очень распространенным явлением, характерным для цитоплазматической наследственности. Корренс, однако, неправильно с современной точки зрения интерпретировал наблюдаемое им явление и честь открытия собственно пластидной наследственности принадлежит Э. Бауру.

Митохондриальная наследственность была открыта еще через 40 лет. Французский генетик российского происхождения Борис Эфрусси (1901–1979), работая с дрожжами, описал в 1949 г. неменделевское наследование признака «мелкая колония», являющегося результатом неспособности мутантных клеток к дыханию. Поскольку клеточное дыхание есть функция, обеспечиваемая митохондриями, именно эти клеточные органеллы были признаны генетическим детерминантом изученного Б. Эфрусси признака.

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae и одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii явились главными объектами для изучения цитоплазматической наследственности. Позднее к ним добавились млекопитающие – человек и мышь – и некоторые высшие растения.

Разнообразие жизни на Земле захватывает дух. Кадры подводной съемки кораллового рифа поражают воображение разнообразием форм, цветов и размеров животных. Еще больше удивляет то, что каждое из этих причудливых созданий возникает из одной единственной клетки – зиготы. Причем у зиготы морского ежа нет длинных иголок, а у зиготы большой белой акулы нет ужасной пасти, полной зубов. Эти признаки возникают позже в результате развития организма. Почему зигота морского ежа в конце концов превращается в шар с иголками, а зигота белой акулы – в самого опасного хищника морей? Как развивающийся эмбрион решает, с какой стороны у него будет голова, а с какой хвост? Где хранится план будущего организма? Все это вопросы, которыми занимается генетика развития. Одно из самых впечатляющих достижений генетики развития – это осознание того факта, что несмотря на огромное разнообразие форм животных генетические механизмы морфогенеза являются довольно консервативными.

Генетика и физиология, какова взаимосвязь двух предметов, двух наук? Возможно, генетик скажет, что генетика предваряет физиологию, ибо гены детерминируют все физиологические системы. Но ведь и геном формируется в процессе отбора фенотипов, а фенотип – это физиология, но… физиология детерминирована генами. Похоже на сказку «про белого бычка». Однако кольцо разомкнется, если принять во внимание, что отнюдь не все в физиологии предопределено генами и что не только генетическая изменчивость является предметом наследования; что существует эпигенетическая изменчивость, связанная с физиологическими процессами, и что имеется множество других «что», о чем ниже.

Генетическая инженерия – новое направление в деятельности человека, позволяющее целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных гетерологических систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека. С помощью генетической инженерии становится возможным изменять структуру генов, создавать новые, в том числе и гибридные, гены. Применение генно-инженерных методов существенно расширило возможности модификации геномов и внутри растительного царства, поскольку позволило переносить гены между таксономически удаленными видами растений, относящимися, например, к классам однодольных и двудольных.

В настоящее время четко прослеживаются три аспекта использования трансгенных растений: 1) изучение фундаментальных проблем функционирования генов у растений; 2) трансгенные растения – биореакторы фармацевтически ценных белков; 3) улучшение качества и хозяйственно ценных признаков важных сельскохозяйственных культур и декоративных растений.

Биотехнология как наука о практическом применении знаний о биологических процессах и достижениях биологии находится в постоянном развитии. В историческом смысле биотехнология возникла тогда, когда дрожжи и бактерии впервые стали использовать для производства продуктов (хлебопечение, пивоварение, виноделие, производство лекарств и т. д.).

В современном понимании биотехнология – это совокупность технологий и методов, использующих живые организмы (или их части) и биологические процессы для производства или модификации различных продуктов, улучшения свойств экономически ценных видов растений и животных, а также микроорганизмов, способных оказывать определенное воздействие на окружающую среду.

Термин «биотехнология» введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания крупномасштабного получения свинины (конечный продукт) с использованием дешевой сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для животных (биотрансформация). В более широком понимании этот термин стали использовать в 70-е годы XX столетия.

К отраслям народного хозяйства, потребности которых обеспечивает биотехнология, относятся: медицина, сельское, лесное, рыбное хозяйства, пищевая промышленность, производство химических веществ, материаловедение, экология, электронное машиностроение, энергетика и т. д. В качестве биологических систем в биотехнологии используют микробиологические системы, соматические клетки млекопитающих, культуры изолированных клеток, органы и ткани растений.

Классическая генетика, начиная с опытов Менделя и его последователей, занималась изучением закономерностей наследования наблюдаемых признаков (фенотипов) живых организмов. Опираясь на анализ и количественный учет фенотипических классов потомства, полученного от скрещивания особей с разными признаками, Альфред Стёртевант еще в 1913 г. составил первую генетическую карту. Лишь спустя 15 лет был впервые выявлен «трансформирующий фактор», идентифицированный впоследствии как ДНК (эксперимент Фредерика Гриффита в 1928 г.). Еще позже была расшифрована структура ДНК (1953), разгадан генетический код (1966), секвенирован первый геном (1977), появились возможности манипуляции с ДНК и конструирования трансгенных организмов.

В 80-х годах XX в. эти возможности открыли новый путь исследований – анализировать не фенотип и его генетический контроль, а саму последовательность ДНК и эффекты ее мутирования. Такой подход стали называть «обратной» генетикой, а традиционный путь исследования от фенотипа к генотипу – «прямой» генетикой.

«Прямая» и «обратная» генетика дополняют друг друга в исследовании закономерностей формирования фенотипа на основе генотипа. Хотя на этом пути был достигнут значительный прогресс, до сих пор для большинства фенотипов генетический контроль полностью не расшифрован, не понятен характер действия генов при формировании признаков. Сложную генетическую детерминацию имеют фенотипы, измеряемые количественно: рост, вес, другие антропометрические характеристики, физиологические и психологические показатели, а также предрасположенность к таким распространенным заболеваниям человека, как диабет, ишемическая болезнь сердца, гипертония, различные формы рака и т. д. Вызовом современной генетики стало исследование генетического контроля таких фенотипов, контролируемых большим числом генов малого эффекта наряду с факторами внешней среды.

Формирование геномики как общепринятого научного направления приходится на первые годы XXI в. – время завершения проекта «Геном человека». Как и собственно классическая генетика, геномика занимается изучением структуры, функций и механизмов работы генов. Однако, если генетика интересуется отдельными генами (или наборами таких генов), вовлеченными в регуляцию конкретного биологического процесса, то геномика направлена на анализ структуры генома как целого и занимается изучением всей совокупности происходящих процессов и обеспечивающих их механизмов. Поэтому само возникновение геномики как отрасли научного знания было вызвано возможностью получения огромных объемов данных о нуклеотидных последовательностях и необходимостью быстрого и качественного анализа получаемой информации.

Протеомика – наука, изучающая белковый состав биологических объектов, а также модификации и структурно-функциональные свойства белковых молекул (Арчаков, 2000). Протеомный анализ направлен на одновременное изучение многих индивидуальных белков, совокупность которых составляет определенную систему, что характеризует исследуемый объект в целом. После расшифровки генома человека и геномов многих других организмов появились исчерпывающие базы данных о структуре всех белков человека и многих других организмов, а также о молекулярной массе их протеолитических фрагментов, полученных в стандартных условиях, что позволяет идентифицировать белки. Развитие протеомики обусловлено использованием высокотехнологичных методов, позволяющих определить количество того или иного белка в образце, идентифицировать белок, его первичную структуру и посттрансляционные модификации (Conrotto, Souchelnytskyi, 2008).

В настоящее время большая часть работ в протеомике выполняется с использованием таких методов, как 2-D PAGE (двумерный гель-электрофорез в полиакриламиде), ВЭЖХ (высоэффективная жидкостная хроматография) и масс-спектрометрия.

Первые попытки применения теории систем к биологии относятся к 30-м годам XX в. Так, в 1932 г. Уолтер Кэнон, декан факультета физиологии Гарвардского университета, в своей книге «Мудрость тела» («The wisdom of the body») описал термином «гомеостаз» способность организмов поддерживать большое число физиологических величин на постоянном уровне, несмотря на непрерывные изменения условий внешней среды. В 1943 г. американский математик Норберт Винер вместе с соавторами предположил, что отрицательные обратные связи могут играть центральную роль в поддержании стабильности живых систем, связав, тем самым, концепции контроля и оптимума с динамикой биологических систем.

В последние годы интерес к системному подходу в биологии был вызван прорывом в технологиях секвенирования и, как результат, расшифровке геномов, траскриптомов и протеомов человека и других организмов. Наличие мощных вычислительных ресурсов (суперкомпьютеров) и скоростных Интернет-соединений также значительно облегчило доступ к огромным массивам молекулярно-биологических данных и обеспечило возможность их анализа, что в значительной степени стало основанием для современной системной биологии. Об активном развитии этой области биологии в последнее время говорит следующий факт: количество статей, представленных PubMed и содержащих фразу «systems biology», увеличилось со 140 в 2003 г. до более 10 000 в 2013 г.

Появление высокопроизводительных экспериментальных технологий секвенирования привело к бурному росту объема данных о структуре генома, распределении регуляторных районов генов в геноме, особенностях их взаимодействия.

Статья представляет обзор технологий, связанных с иммунопреципитацией хроматина: ChIP-PET, ChIP-seq, ChIA-PET. Описаны компьютерные методы анализа сайтов связывания транскрипционных факторов и структуры регуляторных районов в масштабе генома. Показаны подходы к решению задач, возникающих при аннотации геномных данных, определении сайтов связывания транскрипционных факторов и регуляторных районов.