Организация, свойства и функции генов человека

25.03.2015
Организация,
свойства и
функции
генов
человека
A museum visitor views a digital representation of the human genome
in New York City in 2001
Программа
Геном человека
1
25.03.2015
Геном человека
Ядерный геном
Митохондр.геном
3.3млрд пн, 26000
пар генов
16 600пн, 37 генов
25%
75%
Гены и связанные с ними
последоват.
Внегенная
ДНК
60%
10%
40%
90%
Экзоны
Некодирующие
участки
Псевдогены
Фрагменты
генов
Уникальные
последов.
Умеренно и высоко
повтор.последоват.
Тандемы
и кластеры
Интроны,
нетранслир.
послед.
Разбросанные
повторы
портал Gene Wiki
Каскад информации
ДНК
• Геном
РНК
• Транскриптом
Белки
• Протеином
Аминокисл.
Липиды
Углеводы
АИФ и др.
• Метаболом
Нервная система
Мышечная система
…
• Феном
2
25.03.2015
Будущее геномики
(по Фрэнсису Коллинзу, 2003)
• Геномика и биология
• Геномика и здоровье
• Геномика и общество
Современная концепция рассматривает ген с
разных точек зрения:
-Физической
-Функциональной
-Генетической
Ген с физической точки зрения – это участок
хромосомы, содержащий последовательности
нуклеотидов
3
25.03.2015
Ген с функциональной точки зрения - это
информационная единица, предназначенная для
регулируемого синтеза РНК
Ген с генетической точки зрения - это единица
наследственности, определяющая признак организма
Ген – это участок ДНК, который содержит
информацию о синтезе:
-
одной полипептидной цепи;
-
нескольких родственных полипептидных цепей;
-
молекулы РНК (тРНК, рРНК).
Ген является структурной и
функциональной единицей
наследственности и изменчивости
4
25.03.2015
Организация структурных генов
человека:
- проксимальные регуляторные последовательности:
промотор
enhancer, silencer
- дистальные регуляторные последовательности:
терминатор
сайт полиаденилирования
- центральная часть гена:
экзоны
интроны
Границы генов
• Функциональные
границы
–
регуляторные
последовательности
и
дистальные элементы, ограничивающие
ген с обоих концов.
Гены отделены друг от друга спейсерами,
содержащими в своем составе большое
количество
повторяющихся
последовательностей
ДНК
и
нетранскрибируемые
уникальные
последовательности.
Размеры генов человека
• Разнообразны и определяются как размерами
кодирующей части, так и количеством и величиной
интронов и регуляторных последовательностей.
• У человека различают: малые, средние, большие,
гигантские и супергигантские гены.
Длина, kb
% от общего количества
До 10
23,3
10-25
35,6
25-50
20,2
51-100
13,0
101-500
6,7
Более 500
1,2
5
25.03.2015
Классификация генов человека по размеру
Категория и первичный продукт
Размер,
тыс. п.н.
мРНК, тыс. Число интронов
п.н.
Малые
α-глобин
В-глобин
Инсулин
Паратиреоидный гормон
0,8
1,6
1,7
4,2
0,5
0,6
0,4
1,0
2
2
2
2
Средние
Альбумин
ФакторIX сверт.крови
Каталаза
25
34
34
2,1
2,8
1,6
14
7
12
Большие
Фенилаланингидроксилаза
90
2,4
12
Гигантские
ФакторVIII сверт.крови
Тиреоглобулин
186
300
9
8,7
26
36
Супергигантские
Дистрофин
2400
16
60
Самый маленький из известных генов – МСС-7 (21п.н.)
Самый большой – ген дистрофина (2,2 млн п.н.)
Ген дистрофина содержит 8 промоторов, которые
осуществляют транскрипцию в разных тканях и
разные периоды онтогенеза.
Различают два изоморфных типа дистрофина:
1.Полноразмерный – это полифункциональный белок,
который участвует в формировании нервномышечного синапса и поддержании целостности
мембраны мышечного волокна при его сокращении.
2. Аподистрофины – меньших размеров, их функции
пока недостаточно ясны.
Тип
дистрофина
Полноразмерный
Размер
мРНК
Локализация
промотора
Экспрессия
Мышечный
14
Мозговой
Мозговой
14
14
5‘ UTR
область
1-й интрон
1-й интрон
Сердечные и
скелетные мышцы
Кора и
гипоталамус
Клетки Пуркинье
63
56
Кроме мышц
Периферические
нервы
Кроме мышц
Эмбриональные
нейроны
Сетчатка глаза
Аподистрофин 1Dp71
(укороченный) 2Dp116
3Dp40
Dp140
Dp260
4,5-4,8
5,5
2,2
7,5
44
6
25.03.2015
Классификация генов человека
• по конечному продукту : белок-колирующие (II класса)
РНК-кодирующие (I и III кл.)
• по характеру экспрессии: гены «домашнего хозяйства» (1/5 генома)
тканеспецифические гены (4/5 генома)
• по времени экспрессии: гены раннего развития
гены полового созревания
гены взрослого организма
• по количеству копий: однокопийные
многокопийные
• по степени активности: гиперактивные
гипоактивные
нормоактивные
аморфные (неактивные)
Мультигенные семейства
• Образованы функционально и структурно родственными
генами, представленными большим количеством копий.
• Гены одного семейства могут располагаться на одной или
на разных хромосомах.
• Примеры семейств: гены гистонов, тубулина, актина.
• В геноме человека есть супергены (суперсемейства) –
очень большие кластеры из сотен генов.
• Примеры суперсемейств:
- HLA, контролирующий антигены несовместимости; гены
расположены в коротком плече хромосомы 6;
- комплекс мультигенов, контролирующих синтез тяжелых
и легких цепей иммуноглобулинов ; расположены в
разных хромосомах.
Функции генов
• Хранение генетической информации о синтезе
определенных белков и формировании
определенных признаков (морфологических,
биохимических, физиологических, психологических)
• Реализация генетической информации обусловлена транскрипцией и трансляцией и
обеспечивает молекулярный субстрат любого
признака.
• Передача генетической информации –
обусловлена репликацией и обеспечивает
преемственность между поколениями.
7
25.03.2015
Свойства генов
• Дискретность действия – развитие различных
признаков контролируется разными генами.
• Специфичность – ген обусловливает развитие
определенного признака.
• Дозированность – ген обусловливает развитие
признака до определенного количественного
предела (дозы).
• Стабильность – при отсутствии мутаций ген
передается в ряду поколений в неизменном виде.
• Мутабильность - способность гена изменяться.
• Аллельное состояние - существование гена в
виде двух или более (полиаллелизм)
альтернативных вариантов-аллелей.
• Пенетрантность – частота проявления признака
у носителей гена, обусловливающего данный
признак.
• Экспрессивность – степень выраженности
одного и того же признака у разных носителей
данного гена.
• Плейотропность действия – явления, когда
один ген определяет несколько признаков.
Уровни экспрессии гена
• Молекулярный
- синтезе полипептида – первичного генопродукта
• Клеточный
- конформация и образование функционального белка
• Органный (организменный)
- развитие признака на уровне органа, организма
8
25.03.2015
Ген
I
Полипептид
Нормальный гемоглобин Hb A
Нормальная
оксигенация тканей,
органов
II
Мутантный гемоглобин Hb S
III
Недостаточная
оксигенация
тканей, анемия
Ген Rh
Локус – 1p34.3-36.1
Функция – детерминация групп крови Rh
Уровни экспресии гена Rh:
I – молекулярный – синтез белка Rh
II – клеточный – наличие Ag D (Rh) на поверхности
эритроцитов
III – организменный– группы крови Rh
Ген PAH
• Локус– 12q.24.1
• Функция – Кодирует фермент, ответственный за:
Fen → Tyr
• Мутация гена является причиной фенилкетонурии
• Уровни экспресии гена PAH:
• I – молекулярный– синтез аланин-гидроксилазы
• II – клеточный – метаболизм Fen în Tyr → синтез
меланина, синтез нейромедиаторов
• III – организменный – нормальная пигментация,
нормальная работа ЦНС
9
25.03.2015
Ген FBN1
• Локус - 15q21.1
• Функция – кодирует синтез фибрилина 1
• Мутация гена является причиной синдрома
Марфана
• Уровни экспресии гена FBN 1:
• I – молекулярный– синтез фибрилина 1
• II – клеточный – формирование внеклеточного
матрикса
• III – организменный – нормальная структура и
прочность соединительной ткани
Последствия мутации гена FBN1
 На молекулярном уровне – аномальный фибрилин 1
 На клеточном уровне – нарушения внеклеточного
матрикса
 На организменном уровне - нарушения в соединительной
ткани с изменениями во многих системах:
Опорно-двигательной
Сердечно-сосудистой
Строение глаза
Арахнодактилия
Аневризм
аорты
10
25.03.2015
ГЕН CDH1
КАДЕРИН 1,E-КАДЕРИН
Локус 16q22.1;
Функция кодирует синтез кадерина1;
Мутация гена приводит к развитию
рака молочной железы и рака желудка;
УРОВНИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА
• I-молекулярный - синтез кадерина 1;
• II-клеточный - обеспечение передачи
межклеточных сигналов; контроль
клеточного передвижения; супрессор предотвращение метастазирования;
• III-организменный - нормальное
функционирование всех тканей организма
Ген HTT
• Локус 4p16.3
• Функция
кодирует синтез
белка гентингтина
• Мутация гена
является
причиной болезни
Гентингтона
11
25.03.2015
Уровни экспрессии
гена
I - синтез белка гентингтина;
II- возможное участие во внутриклеточных химической
сигнализации и транспорте веществ, защита клеток
от апоптоза и угнетения химического сигнала;
нормальное пренатальное развитие плода
III - нормальное функционирование НС;
Ген экспрессируется во многих тканях организма, но
наибольшая активность наблюдается в тканях
головного мозга(полосатое тело)
Ген WRN
• Локус:8p12-p11.2;
I-кодирует синтез геликазо-подобного
белка;
II- разделяет двойную спираль ДНК,
обеспечивая репликацию;
– реинициирует блокированные
репликационные вилки.
III- поддерживает геномную
стабильность?
-обеспечивает нормальное клеточное
деление;
Ген и среда
• Признаки
человека
являются
результатом
взаимодействия наследственности и среды.
• Гены по их зависимости от среды можно условно
разделить на две группы:
1) независимые и мало зависимые гены (например,АВО)
2) зависимые (пластичные) – их проявление и степень этого
проявления зависят от условий среды (например, HbS – у
гетерозигот: в обычных условиях они здоровы, а при
подъеме в горы наблюдается анемия).
12
25.03.2015
• Некоторые гены, молчащие обычно, проявляются
в присутствии раннее не существующих факторов
среды. Это так называемые ”“экологические
варианты“ генов.
• Например, атипичный ген холинэстеразы
проявляется лишь при использовании при
наркозе миорелаксанта дитилина, вызывая
остановку дыхания на 1 час, вместо 1-2мин.).
Chromosome
No of genes
Length, Mb
1
3186
247
2
2093
243
3
1638
200
4
1300
191
5
1448
181
6
1843
171
7
1722
159
8
1162
146
Chromosome
No of genes
Length, Mb
9
1394
140
10
1259
135
11
2000
134
12
1505
132
13
511
114
14
1420
106
15
1143
100
16
1270
89
Chromosome
No of genes
Length, Mb
17
1650
79
18
480
76
19
1861
64
20
824
62
21
386
47
22
812
50
X
1528
155
Y
344
58
13
25.03.2015
Гены
Аллельные
Неаллельные
Отцовская
хромосома
Материнская
хромосома
Гомологичные хромосомы
Аллельные гены
•
•
•
•
Занимают один и тот же локус в гомологичных хромосомах.
Имеют биаллельную экспрессию.
Определяют моногенные признаки.
Могут быть доминантными(А) или рецессивными (а); в
фенотипе преимущественно проявляется доминантный
аллель.
• Организм получает от каждого родителя по одному
аллельному гену из пары
• Сочетания разных вариантов аллелей обеспечивает
генотипическое и фенотипическое разнообразие
индивидуумов.
Цитологические основы наследования
аллельных генов
14
25.03.2015
Неаллельные гены
• Занимают разные локусы в гомологичных
или в разных хромосомах.
• Определяют обычно разные признаки, но могут
контролировать один признак (полигенное наследование).
• Неаллельные гены разных хромосом наследуются
независимо, основой чего является случайное
расхождение негомологичных хромосом в анафазе I
мейоза.
• Неаллельные гены одной хромосомы наследуютcя
сцеплено.
• Неаллельные гены взаимодействуют друг с другом, что
влияет на фенотипическое проявление признаков.
Цитологические основы наследования
неаллельных генов
независимое наследование
сцепленное наследование
Сцепление генов
• Это явление совместного наследования неаллельных
генов, расположенных в одной хромосоме.
• Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют
одну группу сцепления.
• Группы сцепления аутосом парные и представлены
отцовским и материнским вариантами.
• У человека в соматической клетке: мужчин - 25 групп
сцепления ( 22 аутосом + X + Y + мит.ДНК), женщин – 24
группы сцепления (22 + Х + мит.ДНК).
15
25.03.2015
Генетическая карта фрагмента
хромосомы 9
Сцепление может быть полным и неполным
• Полное сцепление наблюдается для близко
расположенных генов, которые образуют
гаплотип.
• Неполное сцепление является результатом
кроссинговера.
• Чем дальше расположены друг от друга гены на
хромосоме, тем выше частота кроссинговер и
гены слабее сцеплены.
• Гены, расположенные в отдаленных локусах
хромосомы, наследуются независимо, как гены
негомологичных хромосом.
Примеры сцепленных генов у человека:
• Гены Rh-фактора и эллиптоцитоза - в хр.1
• Гены АВО и пигментной ксеродермы – в хр.9
• Гены групп крови Lu, секреторных групп Se,
и миопатии – в хр.19
• Гены групп крови МN, Ss, - в хр. 4
• Гены гемофилии (А) и групп крови Xg –
в хр. Х
• Гены гемофилии (В) и дальтонизма - в хр. Х
16
25.03.2015
Примеры сцепления нормальных и патологических генов
Эффект положения
• Набор и расположение генов каждой хромосомы является
результатом эволюции генома и у всех людей одинаков.
• Если ген перенести из одной хромосомы в другую или
гены одной хромосомы переставить местами, то
активность генов в новом окружении может меняться.
Возвращение гена на прежнее место восстанавливает его
активность.
• При переносе гена в гетерохроматиновый участок или
близко к нему наблюдается его инактивация.
Генетические карты человека
Генетические карты определяют хромосомную принадлежность и
взаимное расположение различных компонентов генома
относительно друг друга.
Различают:
- карты сцепления – отражают расположение генов относительно
друг друга на основе частоты кроссинговера,
расстояние между генами измеряется в сМ,
- цитологические карты – схемы расположения хромосом в
бэндах,
- физические карты – схема расположения нуклеотидных
последовательностей ДНК.
Сопоставление различных видов карт позволяет получить
интегральную карту генома человека.
17
25.03.2015
Принципы и методы картирования
• Генетическое картирование:
- определение взаимного расположения генов по частоте
рекомбинации между ними
• Физическое картирование:
- определение расположения фрагментов генома вдоль
хромосом относительно друг друга на основе физикохимических методов
• Ассоциативное картирование:
- анализ неравновесного сцепления путем сравнения
больших групп пациентов с определенной болезнью и
контрольной группой здоровых людей с целью выявления
аллелей, находящихся в тесном соседстве с “локусом
болезни″
Методы, используемые в картировании генов
человека
• Генетические:
- анализ частоты кроссинговера в информативных семьях,
• Цитологические:
- анализ хромосомных перестроек,
- дифференциальная окраска хромосом,
• Молекулярно-биологические:
- соматическая гибридизация,
- ПДРФ-анализ,
- гибридизация in situ,
- пульсирующий электрофорез,
- клонирование in vivo и in vitro,
- Нозерн-блот гибридизация,
- Секвенирование ДНК,
18
25.03.2015
Схема картирования гена
• Определение группы сцепления
• Выявление соответсвия между генетическими группами
сцепления и цитогенетически идентифицируемыми
хромосомами и их фрагментами
• Определение физической области (последовательности
ДНК), включающей искомый ген
• Клонирование набора фрагментов, перекрывающих
исследуемую область
• Выделение клона, соответствующего гену
• Секвенирование и идентификация самого гена.
Значение генетических карт человека в
медицине
• понимание механизмов генетических болезней;
• оптимизация методов диагностики;
• увеличение эффективности генетических
консультаций;
• разработка новых методов лечения.
19
25.03.2015
Thank you
20