Геном людини за обсягом становить пару підстав. Що таке геном людини: розшифрування. Дволикий ген старіння

Скільки ж всього генів у людини?

Це найбільш цікаве питання, Заради якого власне і починалося повне секвенування геному людини. Після отримання основної інформації про структуру геному людини в першу чергу були проведені різні аналізи щодо пошуку генів та визначення їх числа. Однак завдання виявилося не простим. Це може здатися дивним для читача, але однозначної відповіді на питання досі немає.

Скільки ж всього генів у ДНК людини? Ще кілька років тому вважали, що їх близько 100 тис., потім вирішили, що не більше 80 тис. Наприкінці 1998 р. дійшли висновку, що в геномі людини не більше 50-60 тис. генів і їхня частка припадає близько 3 % загальної довжини ДНК.

Останні підрахунки загальної кількості генів у геномі людини проводили кілька міжнародних команд вчених. Вже згадувана компанія Celera провела власні дослідження, результати якого викладені в журналі Science в 2001 році. За її оцінками загальна кількість генів у геномі людини становить від 26 383 до 39 114. Середній розміргена оцінюється рівним приблизно 3000 п. зв. Якщо прийняти, що кількість генів у людини близько 30 тисяч і на кожен ген припадає приблизно 3 тис. п. н., то неважко підрахувати, що в кодуванні білків бере участь менше 1,5% ДНК хромосомної. Таким чином, генетичні інструкції щодо формування людської особистості займають менше 3 сантиметрів на двометровій молекулі ДНК. Дивує і мала кількість генів, що несуть ці інструкції, - їх всього в п'ять разів більше, ніж, наприклад, у такого, на наш погляд, абсолютно примітивного організму, як муха дрозофіла.

Друга команда дослідників з Національного інституту геномних досліджень США на чолі з Френсісом Коллінзом, підрахувавши число генів у людини незалежним способом і на основі своїх даних, отримала подібний результат - близько 32 000 генів міститься в геномі кожної клітини людини.

Різнобій в остаточні оцінки поки що вносять два інші колективи вчених. Доктор Вільям Хезелтайн (керівник фірми «Хьюмен Геном Сайєнс») продовжує наполягати, що в їхньому банку міститься приватизована інформація на 120 тис. генів. Цією інформацією він не збирається поки що ділитися зі світовою громадськістю. Фірма вклала гроші в патенти і збирається заробити на отриманій інформації, оскільки вона відноситься до генів найпоширеніших хвороб людини. Фірма «Інсайт» повідомила про те, що має в даний час каталог, що складається зі 140 тисяч ідентифікованих генів людини, і також наполягає на цій кількості загальної кількості генів у людини.

Очевидно, що поспіхом приватизована генетична інформація ще ретельно аналізуватиметься і перевірятиметься найближчими роками, поки точну кількість генів остаточно «канонізують». Справа в тому, що пристрій генів дуже різноманітний і до кінця ще не зрозумілі всі можливі варіанти. Ось ми прочитали послідовність нуклеотидів ДНК. Визначено, що вона може кодувати білок. Але чи один? Вище вже говорилося про те, як транскрипція та наступні модифікації РНК, а потім трансляція та модифікації поліпептидів, здатні забезпечити величезне різноманіття білків, що кодуються однією ділянкою ДНК. І зрозуміти це, виходячи тільки з нуклеотидної послідовності ДНК, дуже часто просто неможливо. Проте структура геному є єдиною базою для осмислення даних, одержуваних такими новими напрямами, народженими геномікою, як транскриптоміка (досліджує сукупність РНК-транскриптів організму), протеоміка (досліджує сукупність білків організму), метаболоміка (досліджує обмін речовин - метаболізм - в організмі ). Ці напрями покликані доповнити метод геномного секвенування, що лежить в основі структурної геноміки, дати можливість вийти за межі його роздільної здатності.

Вище вже також говорилося про альтернативний сплайсинг. Зараз добре відомо, що за рахунок цього процесу з одних і тих же генів можуть зчитуватися різні білки, які потім взаємодіють один з одним, утворюючи неповторну суміш, як з основних кольорів у живописі – жовтого, червоного та блакитного можна отримати міріади відтінків. Такий сплайсинг характерний щонайменше ніж половини генів людини. Вважається, що в середньому з одного гена людини за рахунок альтернативного сплайсингу може утворюватися три різні пептиди. Але деякі гени мають до 10 альтернативно сплайсованих екзонів, що дозволяє теоретично отримувати понад 1000 різних варіантів білків лише на одному гені. Насправді кількість різних білків, що кодуються одним геном, досягає 10. Крім того, існують ще й альтернативні промотори, альтернативні кодони ініціації трансляції, редагування РНК (перетворення Ц на У або А на аналог Г - інозин). Усе сказане поки що неможливо врахувати в оцінці загальної кількості генів в людини.

Але це не все. Крім генів, що кодують білки, є гени, кінцевим продуктом яких є РНК. Згадаймо про згадані гени-риборегулятори - вони не кодують білки, але виробляють функціонувальну в клітинах РНК. Отже, швидше за все остаточна оцінка числа генів у людини буде зроблена ще нескоро.

На сьогоднішній день вченим відомі функції лише близько восьми-десяти тисяч із них. А детальні відомості про механізми їх регулювання ще мізерніші. Тим не менш, наведені вище дані про будову та функціонування генів людини свідчать про те, що у людини, що панує в природі, на відміну від інших існуючих на нашій планеті організмів, дуже висока складність протеома- повного набору функціональних білків у клітині, яка забезпечується не просто за рахунок великого розміру геному або великої кількостігенів, а завдяки всіляким інноваціям, пов'язаним з функціонуванням генів та формуванням білків: більша кількість доменів-модулів, більш висока комбінаторика (перемішування) цих модулів у білках, активне використанняальтернативного сплайсингу та багато іншого, про що ми поговоримо далі.

Стаття на конкурс «біо/мол/текст»: Це цікаве питання, відповідь на яке мав дати проект «Геном людини», який завершився 2003 року. Після того, як вчені отримали основну інформацію про геном людини, вони спробували визначити число генів, але це завдання виявилося не таким простим. Мета цієї статті - підсумовувати та проаналізувати наукові дані щодо складання каталогу генів у людини.

Генеральний спонсор конкурсу - компанія «Діаем»: найбільший постачальник обладнання, реагентів та витратних матеріалів для біологічних досліджень та виробництв.

Спонсором призу глядацьких симпатій виступив медико-генетичний центр.

«Книжковий» спонсор конкурсу – «Альпіна нон-фікшн»

Як же мало відомо про гени! Перший раз я гостро відчула це, перебуваючи практично в лабораторії медичної генетики Харбінського медичного університету. Дослідницька група, де я проходила стажування, займалася вивченням онкогену Sei-1, який індукує утворення двохвилинних хромосом (DM), що сприяє розвитку онкогенезу. Однак механізм утворення онкогену Sei-1 залишається невідомим досі. Адже різні мутації генів є причиною виникнення та інших небезпечних захворювань людини, крім раку. Отже, у цій статті ми викладемо деякі міркування про те, чому ми все ще багато чого не знаємо про гени, а також сформулюємо нашу думку, скільки генів у людини.

Проект «Геном людини» та повний список генів

Виявлення повного спискуГенів необхідно для з'ясування молекулярних механізмів виникнення та розвитку раку, шизофренії, деменції, а також багатьох інших захворювань людини. Секвенування ДНК, виділеної із тканин хворих, дозволяє виявляти такі мутації, як нуклеотидні заміни, делеції та вставки, відповідальні за виникнення цих захворювань.

Власне, задля цього і затівався проект «Геном людини» ( Human genome project, HGP), який тривав з 1990 по 2003 рік. Його основним завданням було визначення нуклеотидної послідовності ДНК людини та локалізації 100 000 людських генів (як тоді вважали). Паралельно з цим планувалося вивчити ДНК набору модельних організмів, щоб отримати порівняльну інформацію, необхідну розуміння функціонування геному людини. Передбачалося, що інформація, отримана в результаті HGP, стане настільною книгою для біомедичної науки у XXI столітті. Цілями даних досліджень було отримання інформації про причини низки хвороб і, зрештою, розробка способів лікування більш ніж 4000 генетичних захворювань, які торкаються людства, включаючи багатофакторні, в яких генетична схильність відіграє важливу роль. Вважалося, що результати секвенування геному дозволять визначити локалізацію кожного гена та їхню загальну кількість. Однак події, що послідували за цим, довели протилежне: сьогодні існує кілька баз даних генів, які істотно відрізняються один від одного. Причому число генів, що кодують, збігається, а число генів інших типів розходиться.

Проект «Протеом людини»

У 2010 році з ініціативи Організації з вивчення протеома людини ( Human proteome organization , HUPO) було розпочато проект «Протеом людини» ( HPP), метою якого є створення повного списку білків виду Homo sapiens . Для цього, по-перше, передбачається ідентифікувати та охарактеризувати принаймні по одному білковому продукту білок-кодуючих генів, їх однонуклеотидні поліморфізми та варіанти сплайсингу, а також види посттрансляційної модифікації білків. По-друге, дані протеоміки, отримані в результаті реалізації HPP, сприяють, на додаток до геномних даних, вирішення різних біомедичних завдань та створення нових анотованих баз знань, таких як neXtProt .

В даний час neXtProtмістить інформацію про 17 487 білків, існування яких експериментально підтверджено, 1728 білків, підтверджених на рівні транскриптів, 515, визначених на підставі гомології, 76 передбачених і 571 невідомої природи. Особливий інтерес викликають білки, існування яких експериментально не доведено, хоча дані, що вони кодуються геномом, існують. Це так звані «втрачені» білки, які становлять приблизно 18% всіх білків, що кодуються. Для виявлення та характеристики таких білків створено ресурс MissingProteinPedia .

"Протеом людини" є продовженням проекту "Геном людини". Передбачається, що завдяки проекту з вивчення протеома ми дізнаємося точну кількість генів, що кодують білки, що згодом дозволить зрозуміти, скільки всього генів у людини.

Трохи про РНК

Проект «Геном людини» показав, що молекули РНК також важливі життя, як і ДНК. Усередині клітин є безліч РНК (рис. 2). Спочатку РНК поділяються на некодуючі РНК (НКРНК), які не транслюються в білки, та кодуючі РНК (мРНК), що служать матрицею для синтезу поліпептидних ланцюгів білка. Некодуючі РНК мають складнішу класифікацію. Вони бувають інфраструктурними та регуляторними. Інфраструктурні РНКпредставлені рибосомними РНК (рРНК) та транспортними РНК (тРНК). Молекули рРНК синтезуються в ядерці і становлять основу рибосоми, а також кодують білки субодиниць рибосоми. Після того, як рРНК повністю зібрані, вони переходять у цитоплазму, де як ключові регулятори трансляції, беруть участь у читанні коду мРНК. Послідовність з трьох азотистих основ мРНК вказує на включення певної амінокислоти в послідовність білка. Молекули тРНК приносять зазначені амінокислоти на рибосоми, де синтезується білок.

Додатково про РНК читайте у статтях «Біомолекули»: Про всіх РНК у світі, великих і малих», « Кодуючі некодуючі РНК» та « Влада кілець: всемогутні кільцеві РНК» .

Рисунок 2. Види РНК

Регуляторні НКРНКдуже широко представлені в організмі, класифікуються в залежності від розміру та виконують ряд важливих функцій (табл. 1).

Проблема термінології

Перш ніж відповісти на запитання: "Скільки у нас генів?", Треба зрозуміти, що ж таке ген?

Основна увага HGP була спрямована на білок-кодуючі гени. Однак, як було зазначено у початковій доповіді HGP у 2001 році, « тисячі генів людини продукують некодуючі РНК (НКРНК), які є їх кінцевим продуктом», хоча на той момент було відомо близько 706 генів НКРНК. У своїй нещодавній статті, опублікованій у журналі BMC BiologyСтівен Зальцберг ( Steven L. Salzberg) дає таке визначення гена:

Ген будь-яка ділянка хромосомної ДНК, яка транскрибується у функціональну молекулу РНК або спочатку транскрибується в РНК, а потім транслюється у функціональний білок.

Це визначення включає як гени РНК, що не кодують, так і білок-кодуючі гени, і дозволяє визначати всі варіанти альтернативного сплайсингу в одному локусі як варіанти одного і того ж гена. Це дозволяє виключити псевдогени- дисфункції залишки структурних генів, що втратили здатність кодувати білок.

Результати двох перших досліджень свідчили про наявність у людини 31 000 та 26 588 білок-кодуючих генів, а в 2004 з'явилася повна послідовність геному людини, і автори підрахували, що повний каталог налічує 24 000 білок-кодуючих генів. Каталог людських генів Ensemblвключає 22287 білок-кодуючих генів і 34214 транскриптів.

Секвенування нового покоління (NGS)

Поява високопродуктивних методів паралельного секвенування(у ході такого секвенування мільйони фрагментів ДНК з одного зразка секвенуються одночасно) або секвенування нового (наступного) покоління (next-generation sequencing, NGS) дозволило значно прискорити пошук функціональних ділянок геному. Біотехнологічні компанії розробили та комерціалізували різні платформи для NG-секвенування, що дозволяють секвенувати від 1 млн до десятків млрд коротких послідовностей (рідів, reads) довжиною 50-600 нуклеотидів кожна. До найбільш популярних платформ належать такі, як Illuminaі IonTorrent, що використовують ампліфікацію ДНК за допомогою ПЛР , а також платформи одномолекулярного секвенування, такі як Helicos Biosciences HeliScope, Pacific Biosciences SMRT (single molecule real-time sequencing), та нанопорового секвенування Oxford Nanopore, що здійснюють секвенування у реальному часі та дозволяють прочитувати значно довші риди – до 10–60 тис. нуклеотидів. Крім того, винахід секвенування РНК ( RNA-seq) у 2008 році, яке створювалося для кількісного визначення експресії генів, також сприяло виявленню послідовностей, що транскрибуються, як кодуючих, так і некодуючих РНК .

Завдяки NGS, бази даних днкРНК та інших генів РНК (таких як мікроРНК) різко зросли за десятиліття, і поточні каталоги генів людини тепер містять більше генів, що кодують РНК, ніж білки (табл. 2).

У ході секвенування РНК виявилося, що альтернативний сплайсинг, альтернативне ініціювання транскрипції та альтернативне переривання транскрипції відбуваються набагато частіше, ніж вважали, торкаючись до 95% людських генів. Отже, навіть якщо відомо місце розташування всіх генів, спочатку потрібно виявити всі ізоформи цих генів, а також визначити, чи виконують ці ізоформи якісь функції або вони просто є помилками сплайсингу.

Бази даних генів людини

Завдання зі складання каталогу всіх генів, як і раніше, не вирішено. Проблема полягає в тому, що за останні 15 років лише дві дослідні групи склали список домінантних генів: RefSeq , яка підтримується Національним центром біотехнологічної інформації ( NCBI) при Національних інститутах здоров'я ( NIH), і Ensembl/Gencode , яка підтримується Європейською молекулярно-біологічною лабораторією ( EMBL). Однак, незважаючи на великий прогрес, зараз у каталогах розрізняється кількість білок-колюючих генів, генів довгих РНК, що не кодують, псевдогенів, а також варіює кількість антисмислових РНК та інших некодуючих РНК (табл. 2). Каталоги ще доопрацьовуються: наприклад, минулого року сотні генів, що кодують білок, були додані або видалені зі списку Gencode. Ці суперечності пояснюють проблему створення повного каталогу людських генів.

У 2017 році була створена нова базаданих генів людини - CHESS . Примітно, що вона містить усі білок-кодуючі гени як Gencode, так і RefSeq, так що користувачам CHESSне потрібно вирішувати, якій базі даних вони віддають перевагу. Більшість генів може викликати більше помилок, але творці вважають, що більший набір виявиться корисним при дослідженні хвороб людини, які ще не віднесені до генетичних. Набір генів CHESSНині у версії 2.0 ще остаточний, і, безумовно, творці працюють з його удосконаленням.

Перекривання генних текстів

Принцип компактності запису інформації у ДНК проявляється ще одному. Важливий факт, виявлений спочатку при аналізі послідовностей генів у вірусів, полягає в тому, що в тому самому ділянці ДНК іноді може бути записана інформація про дві абсолютно різні РНК (і, відповідно, про різні білки). Таке трапляється і в геномі вищих організмів, включаючи людину. Як це здійснюється? Згадаймо, що записаний у ДНК текст явно не розбитий на слова (літери – нук-леотиди – йдуть у молекулі ДНК одна за одною). Але слова в цьому тексті є просто знаки пунктуації і розриви між словами приховані від ока і впізнаються клітиною після перекодування інформації з ДНК в РНК. Для наочності наведемо широко відомий приклад такого тексту:

НАПОЛЕОНКОСИЛТРАВУПОЛЯКИПЕЛІСОЛОВ'ЯМИ.

Залежно від розбивки цього тексту на слова виходить дві пропозиції з різним значенням:

НА ПОЛІ ВІН КОСИВ ТРАВУ ПОЛЯ КІПЕЛІ

СОЛОВЯМИ

Наполеон косил траву поляки співали

СОЛОВЯМИ.

Теоретично на двох ланцюгах ДНК з урахуванням того, що код триплетний, можна записати 6 різних текстів: три на одному ланцюгу і три на іншому. Це може бути досягнуто за рахунок зсуву точки початку зчитування інформації, що називають зсувом рамки зчитування (початок зчитування можливо з будь-якого з 3 різних рядом нуклеотидів, що лежать) (див. рис. 21). Таке явище отримало назву перекривання генів. Вперше він був виявлений у вірусів. І тут було зрозуміло, навіщо це знадобилося. Вірусні геноми зазвичай дуже малі. Перекриття генів диктувалося необхідністю якомога компактніше розмістити інформацію на одне

Мал. 21.Схематичне зображення перекриття двох ДНК текстів, записаних на одній ділянці ДНК. Білок А утворюється на мРНК, яка транслюється з одних кодонів, а білок Б утворюється на мРНК, що читається (транслюється) зі зсувом в один нуклеотид. В результаті кодони (вони розділені пробілами) абсолютно різні, і, відповідно, при трансляції мРНК утворюються абсолютно різні білки дуже коротких молекулах ДНК. Великий геном людини теоретично дозволяє уникнути такого перекриття. Однак і в геномі людини, хоч і відносно рідко, перекриття генів також є.

Який може бути сенс у збереженні цього феномена у геномі людини? Поки що не все ясно, але деякі моменти вже прояснюються. Наприклад, у ряді випадків виявили зчитування РНК із різних ланцюгів однієї ділянки ДНК. Це призводить до утворення таких РНК, які з комплементарності можуть взаємодіяти один з одним у клітині, утворюючи в результаті двониткові РНК. А в дво-нитковому вигляді мРНК не здатна до такого важливого процесу, як трансляція. Такий реальний механізм специфічного регулювання (інактивації) експресії генів людини, кількість яких, за останніми оцінками, становить ~1600.

Не всі гени кодують білки

Насамперед, слід зазначити, що крім генів, що кодують білки, в геномі є ще гени, на яких синтезується РНК, які не є мРНК (тобто не кодують білок), але виконують ряд самостійних важливих функцій у клітинах. В результаті виходить ситуація, що традиційне звичне визначення гена треба розширювати, включивши до нього гени, що кодують білки, і гени, що не кодують білки, але кодують функціонально значущі РНК.

Давно вже відомо, що крім мРНК на ДНК синтезуються різноманітні допоміжні РНК, які самі не транслюються (тобто вони не кодують білки), але беруть участь у різних клітинних процесах. Насамперед це РНК «домашнього господарства» – рибосомні РНК (рРНК), транспортні РНК (тРНК) та ін, які беруть участь безпосередньо в синтезі білка на мРНК. Ці РНК кодуються ділянками, які також називаються генами, і становлять основну масу РНК у клітинах. рРНК входять до складу рибосом, будучи важливим компонентом їхньої структурної організації. У людини є два основних типи рРНК розміром близько 1900 нуклеотидів і більше 5000 нуклеотидів у малій і великій субчастинках відповідно. Ще одні некодуючі білок РНК – тРНК, які забезпечують апарат трансляції, підтягуючи до рибосом різних амінокислоти, що вступають в реакцію один з одним. У геномі людини гени, що кодують рРНК та тРНК, представлені численними копіями. Так, у секвенованій ДНК людини виявлено близько 500 генів, що кодують тРНК. Генів для рРНК у геномі людини виявлено близько 200 копій, які розташовані на 5 різних хромосомах (13, 14, 15, 21 і 22).

Вивчення властивостей РНК призвело до того, що уявлення про винятковість білків у каталізі біохімічних реакцій настав кінець. З'ясувалося, що в природі є види РНК, які, подібно до білків, мають високоспецифічну каталітичну активність.

Дуже важливим стало виявлення в геномі людини безлічі інших генів, що також виробляють РНК, але не здатні кодувати білок. Поступово з'ясувалося, що деякі з таких, що не кодують білки РНК, беруть участь у найважливіших процесах, що відбуваються в клітині: регуляції транскрипції ДНК, сплайсингу і трансляції мРНК, модулюванні функцій білків та їх просторового розподілу в клітині. Тому їх назвали риборегуляторами.І прикладів таких риборегуляторів вже зараз можна навести чимало. Так, встановлено, що ділянка гена, що не кодує білок, H19має відношення до ряду процесів, що протікають у клітинах, і, зокрема, до їхнього злоякісного переродження. Інший РНК-кодуючий ген контролює роботу білок-кодуючий гена HFE,залученого до метаболізму заліза і пов'язаного зі спадковим захворюванням на хемохроматоз. В останньому випадку РНК-продукт кодується тим самим геном, який він регулює, але його освіта здійснюється на іншій нитки ДНК. В результаті так званий антисмисловий (комплементарний) РНК-продукт здатний взаємодіяти з мРНК, утворюючи гібриди, які не можуть транслюватися в рибосомах з утворенням білка. Ще один цікавий ген - ген РНК-активатора рецептора стероїду. Він забезпечує активність стероїдних рецепторів за рахунок утворення комплексу із цим білком.

У клітинах людини, як і в інших організмів, виявлено короткі двониткові РНК (мікроРНК), окремі з яких, мабуть, можуть брати участь у регуляції експресії генів через механізм, названий РНК-інтерференцією.Цей механізм вперше було виявлено 1998 року в нижчих організмів. Різні мікроРНК у клітинах хробака C. elegansвиявилися в стані «приглушувати» роботу строго певних генів шляхом впливу на процес синтезу білків, що кодуються ними. Цілком імовірно, і в людини мікроРНК грають подібну роль.

Таким чином, ми бачимо, що продукти генів, що кодують тільки РНК, втручаються в різні клітинні процеси, використовуючи при цьому різні механізми. Гени риборегуляторів складають, мабуть, помітну частину геному людини. Приблизні оцінки свідчать про величину значно більше, ніж частка белок–кодирующих нуклеотидних послідовностей. Сам факт існування таких генів, нездатних кодувати білок, але які реально виявляють себе у виробництві, що функціонують у клітинах РНК, ставить велике питання перед дослідниками геному. І насамперед, що слід після цього вважати власне геном?

Ген у гені (генна матрьошка)

Зрідка виявляються варіанти, коли всередині одного гена повністю міститься інший, менший за розмірами ген. Така собі своєрідна «матрешка», побудована з генів. Така організація генів дуже рідкісна. Так, у хромосомі 22 є лише 2 такі випадки. Найчастіше білок-кодуючий ген розташовується в інтроні іншого білок-кодуючого гена. Але трапляються й інші варіанти. Як приклад можна навести ситуацію, що має місце для мі-тохондріального гена однієї з рибосомних РНК. Ген, що кодує цю рРНК, забезпечує нею рибосоми мітохондрій як структурного компонента(тобто не кодує білок). Однак разом з тим невелика ділянка, розташована всередині цього гена, кодує короткий білок (поліпептид), який отримав назву гуманін (від англ. human – людина), який бере участь у процесі програмованої клітинної загибелі. Тобто в РНК-кодуючим гені може міститися білок-кодуючий ген. Інший варіант-вже згадуваний ген H19. Тут, навпаки, ген, що кодує білок, містить усередині своєї кодуючої частини інший більш короткий ген, що кодує тільки РНК, яка бере участь у регуляції цього гена.

Генні сімейства

Як люди мають сім'ї, і у генів нерідко існують сімейства. Сімейством генів називають набір із двох або більше генів, чиї екзони споріднені між собою, тобто схожі (хоча і не ідентичні) за нуклеотидною послідовністю. У геномі людини присутні близько півтори тисячі таких сімейств генів. Причому лише близько сотні з них специфічні для людини та інших хребетних тварин, тоді як переважна більшість генних сімейств є і в людини, і в хробака.

Різні члени одного сімейства генів виникали в еволюції з одного гена-попередника (умовно - від одного прапрапрадіда, як і в людській популяції). Процес, в результаті якого з'являлися копії, отримав назву дуплікації,тобто подвоєння. Такі дуплікації у деяких випадках відбуваються неодноразово, а багаторазово. Тепер стало ясно, що дуплікації відіграють важливу роль в еволюції. Підраховано, що у геномі людини у сумі дупліковано близько 3,6% нуклеотидних послідовностей розміром 1000 і більше п. зв.

Різні копії одного сімейства генів можуть розташовуватися в геномі поруч і слідувати одна за одною (це називають тандемною дуплікацією). Розглянемо кілька прикладів. Так, гени, що кодують рибосомну РНК (рРНК) і білки гістони, розташовані в геномі людини у вигляді кластерів, побудованих з тих самих послідовностей, що йдуть один за одним (рис. 22).

Мал. 22.Будова ділянки геному людини, що складається з множини генів, що кодують рибосомні РНК. Потовщені лінії - ділянки, що транскрибуються

Такі «грона» однакових генів зазвичай потрібні організму для того, щоб напрацьовувати велику кількість певного продукту. Дійсно, рРНК становить за масою основну частину всієї клітинної РНК, входячи до складу таких важливих «машин» клітини, як рибосоми. Величезна маса гістонів потрібна клітині для пакування гігантських молекул ДНК і щільного укладання їх у хромосоми. У всіх таких випадках говорять про велику «дозу» гена в геномі, яка зрештою і забезпечує клітину великою кількістюпродукту.

Однак у більшості інших випадків «копії» генів, що виникають в результаті дуплікації, поступово зазнають змін (мутацій), що призводить до виникнення певних відмінностей між ними, хоча формальна спорідненість при цьому зберігається. Такий процес було названо дивергенцією,т. е. розбіжністю. Дивергенцію зазвичай виражає у відсотках відмінностей між двома спорідненими послідовностями нуклеотидів у ДНК або амінокислотними послідовностями в білках.

Однак навіть після того, як різні «копії» генів однієї родини стають не зовсім схожими одна на одну, вони найчастіше виконують подібну функцію. Вони залишаються дуже дружною родиною! Але експресуються різні члени одного такого сімейства зазвичай у різний часабо в різних типахклітин. Так, у геномі людини виявлено тридцять генів, що кодують споріднені фактори росту клітин шкіри (фібробластів). А ось у нижчих організмів число таких генів істотно менше (у дрозофіли та хробака їх всього 2). Інший приклад – гени, що кодують кератини – білки зовнішнього шару шкіри та її похідних (волосся, нігті). Їх у людини 111 штук! Але це не межа. Геном людини, як не дивно, має близько 1000 копій генів-рецепторів нюху.

Гени сімейства, що дивергували в ході еволюції людини, іноді виявляються розкиданими в різних місцях на одній або навіть різних хромосомах. При цьому ген може бути подвоєний цілком, а може відбуватися подвоєння невеликого набору його екзонів або навіть лише одного з його екзонів.

Як і в сім'ї не без виродків, так і в родинах генів зустрічаються іноді такі члени, які не турбують себе ніякою роботою. Порушення їх здатності функціонувати у клітині зазвичай пов'язані з накопиченням друкарських помилок у тому ДНКовому тексті. Такі гени-дармоїди отримали назву "псевдогенів".Перед їхньою назвою ставлять грецьку букву ψ. Не зовсім ясно, навіщо геному потрібні такі гени, чому він зберіг їх в еволюції, не позбувся їх. Але факт залишається фактом. За наявними оцінками, у геномі людини є близько 20000 таких, подібних до вимерлих реліктів, псевдогенів. Зокрема, у величезній родині генів-рецепторів нюху, що складається приблизно з 1000 генів, близько 60% є псевдогенами. Вважається, що потужна втрата функціональних генів відбулася протягом останніх 10 млрд. років, і це з зниженням ролі нюху в людини проти іншими хребетними організмами. Тут, мабуть, діє принцип відмирання через невживання. Встановлено, що є принаймні два механізми, що призводять до утворення псевдогенів. Один із них полягає у подвоєнні вже існуючого гена (дуплікація), а потім додаткова копія накопичує мутації, які перешкоджають його роботі. Інший механізм пов'язаний з процесом сплайсингу та зворотної транскрипції. На сформованій мРНК синтезується її ДНК-копія, яка надалі вбудовується в геном. Такі псевдогени містять ні інтрони, ні промоторні ділянки. Крім того, у них згодом накопичуються численні мутації, що не дозволяють цим генам забезпечувати синтез нормального білка.

Все вищесказане можна проілюструвати з прикладу сімейства генів, що кодують білки крові людини (рис. 23). У людини є два сімейства глобінових генів (альфа та бета). Ці родини розташовані на різних хромосомах. Кожне сімейство складається з кількох членів, є тут псевдогени. Нормальні гени глобінових сімейств експресуються у клітинах крові різних стадіях розвитку людини. Одні у ембріонів (ξ, ε), інші у плода (G γ , А γ , a1), а треті – у дорослого організму (α2, δ, β). Функція у всіх глобінових генів однакова – синтез глобінів, які беруть участь у перенесенні кисню клітинами крові. І місце їхньої роботи одне – клітини крові еритроцити. Відрізняються вони лише тим, що входять у різний час, у результаті виконують ту саму роль, але в різних стадіях розвитку організму.

Мал. 23.Будова двох локусів геному, що складаються із кластерів споріднених глобінових генів людини. Гени, що експресуються, вказані стрілками (напрямок транскрипції), мовчі гени (псевдогени) – квадратиками

Організація кластерів глобінових генів у людини абсолютно однакова з організацією цих генів у горили та павіана. Це вказує на те, що така організація повністю сформувалася ще від 20 до 40 млн років тому і з того часу не змінювалася. Аналіз мутацій у міжгенних областях дозволив зробити висновок про еволюцію не окремих генів, зібраних у такий кластер, а кластера як єдиного цілого суперген.

Інакше поводяться численні гени сімейства актинів, які кодують скорочувальні білки клітини. Ці гени експрес-суються майже весь час, і їх експресія відбувається як у м'язових клітинах, так і в багатьох інших нем'язових. При цьому функція актинів скрізь однакова.

Нові пропозиції із фрагментів старих текстів

Екзон-інтронна організація генів сприяє ще одному механізму виникнення нових генів - створенню нових ДНК текстів з фрагментів старих. Це здійснюється в результаті «тасування» вже передіснуючих екзонів, що може призводити до появи їх нового поєднання і нових білків з новими функціями. Найчастіше це відбувається за рахунок процесу приєднання нових екзонів до старих. Приклад цього може бути випадок, представлений на рис. 24.

Мал. 24.Приклад формування нових генів за рахунок різного поєднання вже існуючих екзонів. Зображено чотири різні білки, що складаються з подібних блоків-доменів (позначені різними символами), які кодуються різними екзонами

У процесі еволюції із загального попередника утворилися гени дрозофіли trx та ген людини alr.Ген людини hrxвиник у результаті приєднання до гена trxчотирьох нових екзонів. Це призводить до появи в білку, що кодується цим геном, чотирьох нових функціональних доменів, що суттєво змінює його властивості порівняно з попередником. Така ситуація взагалі характерна для всіх вищих організмів, але у людини вона зустрічається в 2-5 разів частіше, ніж, наприклад, у дрозофіли або черв'яка.

Після отримання всіх цих нових численних відомостей про особливості організації та еволюції генів у людини (подібним чином і в інших вищих організмів) стало ясно, що дати суворе визначення того, що ж таке являє собою ген, досить складно. Але навіть якби таке визначення сьогодні було, його, як і всяке інше, не варто було б вважати непорушним. Недаремно говорив Спіноза: «Всяке визначення є обмеження». Проте загалом базове уявлення про ген залишилося чинним. Ген – це фізична (певна ділянка ДНК) та функціональна (кодує білок або РНК) одиниця спадковості.

Скільки ж всього генів у людини?

Це найцікавіше питання, заради якого власне і починалося повне секвенування геному людини. Після отримання основної інформації про структуру геному людини в першу чергу були проведені різні аналізи щодо пошуку генів та визначення їх числа. Однак завдання виявилося не простим. Це може здатися дивним для читача, але однозначної відповіді на питання досі немає.

Скільки ж всього генів у ДНК людини? Ще кілька років тому вважали, що їх близько 100 тис., потім вирішили, що не більше 80 тис. Наприкінці 1998 дійшли висновку, що в геномі людини не більше 50-60 тис. генів і на їхню частку припадає близько 3 % загальної довжини ДНК.

Останні підрахунки загальної кількості генів у геномі людини проводили кілька міжнародних команд вчених. Вже згадувана компанія Celera провела власні дослідження, результати якого викладені в журналі Science в 2001 році. За її оцінками загальна кількість генів у геномі людини становить від 26 383 до 39 114. Середній розмір гена оцінюється рівним приблизно 3000 п. н. Якщо прийняти, що кількість генів у людини близько 30 тисяч генів і на кожен ген припадає приблизно 3 тис. п. н., то неважко підрахувати, що в кодуванні білків бере участь менше ніж 1,5% хромосомної ДНК. Таким чином, генетичні інструкції щодо формування людської особистості займають менше 3 сантиметрів на двометровій молекулі ДНК. Дивує і мала кількість генів, які несуть ці інструкції, – їх всього в п'ять разів більше, ніж, наприклад, у такого на наш погляд цілком примітивного організму, як муха дрозофіла.

Друга команда дослідників з Національного інституту геномних досліджень США на чолі з Френсісом Коллінзом, підрахувавши число генів у людини незалежним способом і на основі своїх даних, отримала подібний результат – близько 32000 генів міститься в геномі кожної клітини людини.

Різнобій в остаточні оцінки поки що вносять два інші колективи вчених. Доктор Вільям Хезелтайн (керівник фірми «Хьюмен Геном Сайєнс») продовжує наполягати, що в їхньому банку міститься приватизована інформація на 120 тис. генів. Цією інформацією він не збирається поки що ділитися зі світовою громадськістю. Фірма вклала гроші в патенти і збирається заробити на отриманій інформації, оскільки вона відноситься до генів найпоширеніших хвороб людини. Фірма «Інсайт» повідомила про те, що має в даний час каталог, що складається зі 140 тисяч ідентифікованих генів людини, і також наполягає на цій кількості загальної кількості генів у людини.

Очевидно, що поспіхом приватизована генетична інформація ще ретельно аналізуватиметься і перевірятиметься найближчими роками, поки точну кількість генів остаточно «канонізують». Справа в тому, що пристрій генів дуже різноманітний і до кінця ще не зрозумілі всі можливі варіанти. Ось ми прочитали послідовність нуклеотидів ДНК. Визначено, що вона може кодувати білок. Але чи один? Вище вже говорилося про те, як транскрипція та наступні модифікації РНК, а потім трансляція та модифікації поліпептидів, здатні забезпечити величезне різноманіття білків, що кодуються однією ділянкою ДНК. І зрозуміти це, виходячи тільки з нуклеотидної послідовності ДНК, дуже часто просто неможливо. Проте структура геному є єдиною базою для осмислення даних, одержуваних такими новими напрямами, народженими геномікою, як транскриптоміка (досліджує сукупність РНК-транскриптів організму), протеоміка (досліджує сукупність білків організму), метаболоміка (досліджує обмін речовин - метаболізм - в організмі ). Ці напрями покликані доповнити метод геномного секвенування, що лежить в основі структурної геноміки, дати можливість вийти за межі його роздільної здатності.

Вище вже також говорилося про альтернативний сплайсинг. Зараз добре відомо, що за рахунок цього процесу з одних і тих же генів можуть зчитуватися різні білки, які потім взаємодіють один з одним, утворюючи неповторну суміш, як з основних кольорів у живописі – жовтого, червоного та блакитного можна отримати міріади відтінків. Такий сплайсинг характерний щонайменше ніж половини генів людини. Вважається, що в середньому з одного гена людини за рахунок альтернативного сплайсингу може утворюватися три різні пептиди. Але деякі гени мають до 10 альтернативно сплайсованих екзонів, що дозволяє теоретично отримувати понад 1000 різних варіантів білків лише на одному гені. Насправді кількість різних білків, що кодуються одним геном, досягає 10. Крім того, існують ще й альтернативні промотори, альтернативні кодони ініціації трансляції, редагування РНК (перетворення Ц на У або А на аналог Г – інозин). Усе сказане поки що неможливо врахувати в оцінці загальної кількості генів в людини.

Але це не все. Крім генів, що кодують білки, є гени, кінцевим продуктом яких є РНК. Згадаймо про згадані гени-риборегулятори - вони не кодують білки, але виробляють функціонує в клітинах РНК. Отже, швидше за все остаточна оцінка числа генів у людини буде зроблена ще нескоро.

На сьогоднішній день вченим відомі функції лише близько восьми-десяти тисяч з них. А детальні відомості про механізми їх регулювання ще мізерніші. Тим не менш, наведені вище дані про будову та функціонування генів людини свідчать про те, що у людини, що панує в природі, на відміну від інших існуючих на нашій планеті організмів, дуже висока складність протеома- повного набору функціональних білків у клітині, яка забезпечується не просто за рахунок великого розміру геному або великої кількості генів, а завдяки всіляким інноваціям, пов'язаним з функціонуванням генів та формуванням білків: більша кількість доменів-модулів, більш висока комбінаторика (перемішування) цих модулів у білках, активне використання альтернативного сплайсингу та багато іншого, про що ми поговоримо далі.

У клітинах тіла 46 хромосом. Носіями одиниць спадковості є структури клітинного ядра- Хромосоми.
Хромосоми легко можуть спостерігатися в клітинах, що діляться. У клітинах тіла міститься диплоїдний набір хромосом – кожна хромосома має аналогічну сестринську хромосому. У статевих клітинах міститься гаплоїдний набір хромосом.
У клітинах тіла людини 46 хромосом.
Існує два типи клітинного поділу – мітоз та мейоз. Перший уражає розподілу соматичних клітин, другий відбувається за умов утворення статевих клітин.
При мітозі хромосоми подвоюються і потім розходяться дочірніми клітинами. В результаті утворюються дві клітини, абсолютно ідентичні батьківській.
При мейозі хромосоми подвоюються один раз, але потім йдуть два цикли клітинних поділів. При першому розподілі гомологічні хромосоми випадково розходяться по різних клітинах. Другий поділ мейозу нагадує мітоз. В результаті мейозу утворюється чотири дочірні клітини з гаплоїдним набором хромосом.
Процес рекомбінації хромосом при редукційному розподілі відповідає рекомбінації менделівських одиниць спадковості.
Одиниці спадковості називаються генами та розташовуються лінійно в хромосомах. Гени, що у одній хромосомі, називаються зчепленими.
Зчеплені гени можуть рекомбінувати завдяки процесу кросинговеру, при якому відбувається обмін ділянками між гомологічними хромосомами.
Процеси рекомбінації, що відбуваються в мейозі, лежать в основі генетичної мінливості та призводять до генетичної унікальності індивідів.
Вчені з Інституту Сангера фонду Велкам Траст у Кембриджі розшифрували ще одну хромосому людини, яка стала найбільшою, картованою на даний момент. Хромосома 20 стала третьою за рахунком. Вона містить інформацію про ряд захворювань, починаючи від ожиріння та екземи і закінчуючи недоумством та катарактою.

До складу хромосоми входить 727, 32 з яких пов'язані з розвитком генетичних захворювань, включаючи хворобу Крейтцфельда-Якоба, тяжкі порушення імунної системи, хвороби серця, діабет. Шістдесят мільйонів нуклеотидів, що входять до складу хромосоми, становлять близько двох відсотків всього генетичного коду людини.

Доктор Панос Делоукас, який очолював групу вчених, зазначив, що хромосома містить додаткову ділянку ДНК, що містить принаймні один ген. Подібна ділянка знаходиться у 37 відсотків людей європейської раси. Вченим не відомо, чи функціонує цей ген у людей і за що він відповідає.

Вченими також виявлено, що у двадцятій хромосомі зустрічається понад 30 тисяч варіантів розташування нуклеотидів, що забезпечує різноманітність будови ДНК. Знання варіацій, на думку вчених, допоможе, наприклад, пояснити, чому деякі люди мають схильність до розвитку раку чи цукрового діабету.

Кожна хромосома людини представлена ​​двома спіралеподібними ланцюжками молекул ДНК, поєднаних між собою нуклеотидами. У ДНК міститься чотири нуклеотиди: аденін, тимін, гуанін та цитозин. Послідовність розташування нуклеотидів у молекулах ДНК визначає генетичний код організму.

Люди 99, 9 відсотків генів однакові, і саме розбіжність у будові 0, 1 відсотка генів робить людей унікальними.

Корисно

Проект із розшифрування геному людини– міжнародний науково-дослідний проект, головною метою якого було визначити послідовність нуклеотидів, які складають ДНК та ідентифікувати 20–25 тис. Проект став кульмінацією кількох років роботи підтриманої міністерством енергетики США, зокрема семінарів, що проводилися у 1984-му та 1986-му роках, і діями міністерства енергетики. Звіт 1987 року чітко вказує: «Остаточною метою даного починання є розуміння людського геному» і «знання людського геному так само необхідно для прогресу медицини та інших наук про здоров'я, як знання анатомії було необхідне досягнення її нинішнього стану». Пошуки технологій, які підходять для вирішення запропонованого завдання, розпочиналися ще в другій половині 80-х років. У 1998 році, американський дослідник Крейг Вентер і його фірма Celera Genomics запустили аналогічне дослідження, фінансоване приватним капіталом. На початку 1990-х, коли п

Порівняння десятків тисяч людських геномів показало, що абсолютно необхідних генів налічується 3230.

У біології є поняття мінімального геному – мінімального набору генів, без яких організм не виживе. Звичайно, до цього поняття є безліч питань. Наприклад, про який саме організм йдеться? Можна взяти одноклітинну бактерію, а можна дуже багатоклітинної людини – за способом життя вони настільки різні, що і набір необхідних генів у них, очевидно, теж буде різним.

Х-хромосома людини під електронним мікроскопом (Фото Dr. Gopal Murti/Visuals Unlimited/Corbis.)

Людські хромосоми на момент клітинного поділу. (Фото Lester V. Bergman/CORBIS.)

Знову ж таки, є пункт «образу життя». За яких умов мінімальний геном буде достатнім? Та ж бактерія може потрапити у виключно сприятливе живильне середовище, з ідеальними показниками температури, вмісту солей, поживних речовин і т. д., а може, навпаки, перейти на голодний пайок, та ще й випробувати на собі підвищення солоності чи кислотності. І набір необхідних виживання генів у обох випадках буде різний. Тому при обговоренні мінімального геному часто обмовляються, що йдеться саме про сприятливі умови життя.

Взагалі думка про те, що одні гени потрібніші за інші, виникла порівняно давно: так, ще в 1996 Аркадій Мушегян і Євген Кунін оцінили мінімальний необхідний геном для бактеріальної клітини в 256 генів; 2004 року іншими дослідниками був запропонований набір у 204 гени. Мінімальний геном будували на порівняльному аналізі кількох бактеріальних геномів; якщо ж говорити про конкретний організм, то тут неминуче доводиться згадати про бактерію Mycoplasma genitalium, збуднику захворювань сечостатевої системи людини - у неї налічується всього 517 генів, з яких 482 кодують білки; життєво важливих з них 382. Геном мікоплазми деякий час вважався найменшим, поки не було прочитано ДНК ще кількох мікроорганізмів, які можуть існувати лише у вигляді симбіонтів усередині клітин господаря. Поки що чемпіоном тут є бактерія Carsonella, Яка мешкає в клітинах листоблошок - її геном містить всього 182 гени з білковою інформацією.

Бактерії бактеріями, а якщо спробувати оцінити мінімальну кількість генів у людини? Саме це спробувала зробити дослідницька група під керівництвом Деніела Макартура ( Daniel MacArthur) з Інституту Броуда. Відокремити важливі гени від неважливих можна, якщо припустити, що важливі гени будуть у різних людейповністю або майже повністю схожі один на одного. Відомо, що в генах можуть проскакувати невеликі зміни в послідовностях, якими одна особина відрізняється від іншої; такі зміни можуть взагалі не позначатися на роботі білка, що кодується геном, або позначатися незначно. Але у разі важливих генів їх модифікації з дуже великою ймовірністю погано відіб'ються на організмі, і він навряд чи виживе. Щодо неважливих генів, то вони можуть у певних умовах дозволити собі працювати не дуже добре, не наражаючи наше життя на небезпеку.

І ось дослідники взялися порівняти між собою гени 60 тисяч осіб (варто уточнити, що порівнювали лише екзони, тобто ті ділянки генів, які несуть інформацію про послідовність амінокислот у білках). У сумі вдалося виявити 10 млн відмінностей.

З іншого боку, для кожного гена оцінювали теоретичну кількість варіантів, які він отримав, якби вони виникали в ньому випадково і так і залишалися. Результат теоретичної прикидки порівнювали з тим, що отримали під час порівняльного аналізуреальних послідовностей ДНК (взятих, нагадаємо, у 60 тис. чоловік). Як і очікувалося, якісь гени легко «ставилися» до варіацій у своїй послідовності, інші ж, навпаки, намагалися їх позбутися. Порахувавши гени, у яких змін не було або майже не було, автори роботи отримали цифру 3230 – саме стільки людських генів не можуть дозволити собі жодних, навіть найменших змін у функціонуванні. Тобто можна сказати, що ці 3230 і є життєво необхідний генетичний набір людини. (Нагадаємо, що всього ж людський геном налічує, за різними оцінками, від 20 до 25 тис. генів.)

Очевидно, модифікації в послідовностях таких генів відразу ж призводять до якихось важких розладів або ще під час ембріонального розвитку, так що людина навіть не встигає з'явитися на світ, або вже після народження, у дитинстві чи ранній юності (людина вмирає, не встигши народити дітей). Дійсно, для 20% з описаних 3230 відомо, що вони пов'язані з різними захворюваннями, проте функцію більшості інших генів ще потрібно з'ясувати. Отримані результати можна використовувати з медичною метою: очевидно, що пошук генетичних причин тих чи інших захворювань найкраще починати саме з «мінімального генетичного набору».

Нові дані поки що існують як препринт, статті з ними поки немає. Можливо, що на момент офіційної публікації, після всіх зауважень рецензентів, кількість генів якось зміниться. Втім, воно може змінитися і так: хто знає, раптом якщо ми візьмемо ще більший набір послідовностей для аналізу, то список необхідних генів збільшиться? Не забуватимемо і про те, що наш геном, як і будь-який інший, складається не тільки з послідовностей, що кодують (тобто тих, що безпосередньо несуть інформацію про білки) – в ДНК існує маса регуляторних ділянок, промоторів, енхансерів, інсуляторів, ділянок, кодують регуляторні РНК, і серед них, безумовно, є життєво важливими.

До речі, одне із завдань визначення мінімального геному – створення організму буквально з нуля. Іншими словами, чи можемо ми, знаючи генетичний набір мінімального геному, створити живу бактеріальну клітину, яка нехай і вимагає для себе виключно сприятливих умов? З бактеріями, між іншим, це вже намагаються зробити; що ж, колись справа дійде і до людини.