Геном человека

Геном человека
1988 – начало финансирования программы «Геном человека»
Руководитель – ДЖ. Уотсон
Вскоре образовалась Международная организация по изучению
генома человека – Human Genome Organization, HUGO,
Руководитель Френсис Коллинз
Коммерческая организация - Celera Genomics,
руководитель Крейг Вентер
Дж. Уотсона, Ф. Коллинза и К. Вентера называют рыцарями
двойной спирали
Кому принадлежат гены – тому принадлежит 21 столение.
Джереми Рифкин
Ф. Коллинз назвал текст генома человека языком Бога
ПРОГРАММА «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»
Начата в 1998 году
К 2000 году геном человека был прочтен с точностью в
10 раз ниже необходимой ( не более 1 ошибки на 10 000
нуклеотидов)
Коммерческая фирма Селера выполнила проект за 9
месяцев 10 дней и сообщила об этом накануне конгресса
в Ванкувере, где были представлены данные
выполнения программы Международным сообществом
ученых
Прочитана последовательность нуклеотидов,
собранных у человека в 25 томов – 22 аутосомы,
Х- иY-хромосомы и М-хромосома
В геноме человека 3,5 млрд пар нуклеотидов
С-парадокс – у человека ДНК в геноме столько же, сколько
у гороха и кукурузы, но в 5 раз меньше, чем у репчатого
лука и в 20 раз меньше, чем у сосны
Лягушки, жабы и тритоны – чемпионы по содержанию ДНК
в геноме, у них ДНК приблизительно в 25 раз больше, чем
у любого из видов млекопитающих
У С.Elegans 1 тыс клеток и 40 тыс генов, у человека 10
в 14 степени клеток и 25 тыс генов
Экономичность в использовании генов достигается
альтернативным сплайсингом
Пример- альтернативный сплайсинг в гене Bcl-x
дает две формы белка. Bcl-x L запускает апоптоз, а
Bcl-x S ингибирует
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА
31 780 генов по данным Международного проекта
39 114 генов по данным коммерческой орг. Селера
120 000 –Вильям Хозелтайм
140 000 фирма Инсайт
Протеом человека содержит более 250 000 белков
Геном сложных организмов содержит больше генов
ферментов и белков, участвующих в посттрансляционной
модификации белков
Геном можно разделить на 2 составляющие
1. Конститутивный геном, - набор структурных генов,
для разных систем универсальный. Это уникальные
последовательности ДНК, в том числе фланкирующие
структурные гены
2. Факультативный – повторяющиеся последовательности,
подвижные элементы, характеризующиеся непостоянством
состава и положения
СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Кодирующая часть ДНК – менее 10%
Гены кодирующие белки – 2 %
Гены кодирующие РНК – 20%
Некодирующая ДНК – уникальные последовательности,
фланкирующие структурные гены, повторяющиеся
последовательности, транспозоны и ДНК, функция которой
не идентифицирована, интроны
Протеом человека составляет 250 000 белков
Подготовлен список 923 генов, вызывающих моногенные
наследственные заболевания или повышающих вероятность
развития заболевания
ДНК человека и шимпанзе идентичны на 99 %
У человека 30000-40000 генов
Ср. Длина гена 27000 п.н.
Такой усредненный ген содержит 9 экзонов, 8 интронов
по 3400п.н.
Самые короткие гены содержат приблизительно 20 п.н.
(гены эндорфинов)
Самый большой ген – ген дистрофина – 2,4 млн п.н.
Получается, что в кодировании принимает участие
менее 1,5 % ДНК, т.е. 3 см из 2 м
Повторяющиеся последовательности в ДНК
Общее число 5 млн, 50% генома
Обращенные повторы или палиндромы
( уж редко рукою окурок держу)
Простые тандемные повторы – сателлиты, в геноме
человека 6 видов таких повторов
1. 42 п.н. – на 7 разных хромосомах
2. 5 п.н. – на 4 разных хромосомах
3. 5 п.н. – на 20 разных хромосомах
4. 171 п.н. –α-сателлиты
5. 68 п.н. –β-сателлиты
6. 220 п.н. – γ-сателлиты
Микросателлиты – 1.2.3. – повторы, занимающие
0,5 % генома
Мегасателлиты – 2500-5000 п.н., повторяются 50 – 400 ра
Диспергированные повторы – постоянной прописки
не имеют, могут менять положение
LINE – дл. диспергированные повторы кодируют 2
белка, обеспечивающих перемещение
Alu – короткие по 300 п.н. диспергированные повторы,
в геноме их около 1 млн. Могут находиться в генах.
Так, в гене 8 фактора при гемофилии есть Alu-повтор
В геноме человека обнаружено 223 гена, продукты
которых похожи на белки бактерий. Предполагают, что
это результат горизонтального переноса генов
1% человеческого генома представлен эндогенными
ретровирусами
Усложнение генома человека произошло не за счет
увеличения числа генов, а за счет усложнения механизмов
регуляции, альтернативного сплайсинга, редактирования
РНК идр. Механизмов, приводящих к увеличению
численности и разнообразия протеома
Геном прокариот и эукариот
Сателлитная ДНК
1%
МГЭ и
умеренные
повторы
10%
20%
50%
Гены – 90%
Гены – 30%
Экзоны – 1.5%
Прокариота (E.coli )
Эукариота (человек)
Структура генома человека
HUMAN GENOME
Ядерный геном
~3,000 Mb
25-30 000 генов
30%
Гены и родств
последоват-ти
Митохондриальный геном
16.6 kb
37 генов
70%
межгенная ДНК
Уникальны или несколько копий
10%
Кодирующая
ДНК
Псевдогены
Два р-РНК
гена
22 т-РНК
гена
70%
13 генов
белков
30%
90%
Некодирующая
ДНК
Генные
фрагменты
Интроны,
регулят.
сайты
Умеренно
повторены
Мобильные
элементы
Высоко
повторенные
Тандемные
повторы и
другие
Структура генома человека
Экзоны – 1.5%
Мобильные
элементы > 50%
Мультигенные семейства
• Гены, имеющие общее происхождение и
сходные, хотя не одинаковые функции.
• Часто располагаются кластерами, хотя
могут быть рассеяны по геному.
Кластер из 5 генов α-субъединицы в хромосоме 16
Интроны
Экзоны
Кластер из 7 генов β-субъединицы в хромосоме 11
Псевдогены
• Число уже открытых псевдогенов ~
20,000
• Два типа – процессированные 70%
непроцессированные 30%
• Процессированные псевдогены
являются копией зрелой м-РНК гена – у
них отсутствуют интроны и часто есть
полиА-хвост
Torrents et al. Genome Res. 2003 13: 2559-67.
Синтенныегруппы в хромосомах
мыши и человека
ТРАНСПОЗОНЫ
Названия отражают их главное свойство – у них нет
постоянной прописки в геноме – бродяга, цыган, Бигль,
Магеллан, блоха, турист, Улисс и т.д.
Транспозоны вездесущи – они есть у бактерий и у эукариот
Перемещение транспозонов происходит 2 способами
1. Путем вырезания с одного места и встраивания в
другое
2. Путем образования копии, которая внедряется на
новое место. При этом мобильные элементы
размножаются
Мобильные элементы делятся на 2 группы
Транспозоны
1-й способ перемещения
ретротранспозоны
2-ой способ перемещения
Для перемещения ретротранспозонов необходим фермент
интеграза, разрезающий ДНК перед вставкой и элемент L1,
в человеческом геноме он составляет 20% от всей ДНК
Транспозоны могут содержать инсуляторы
Эффекты перемещения транспозонов
1. Инсерционный мутагенез – у дрозофилы 80% мутаций
связано с перемещением моб. Элементов
2. Изменение экспрессии генов за счет наличия в
транспозонах регулирующих элементов
3. Хромосомные аберрации ( инверсии, делеции)
4. Могут изменить границы гена, внедряясь в петлю ДНК и
имитируя эффект инсулятора
Отличие мобильных элементов
от обычных генов
• 1948 – Барбара МакКлинток, МЭ у кукурузы
• 1976 – Г.П. Георгиев, Д. Хогнесс, МЭ у
дрозофилы
• представлены в геноме одной копией
Гены
Мобильные
элементы
• имеют постоянное место
в определенной хромосоме
• число копий у разных особей – разное,
от 0 до десятков и сотен
• могут менять свое место, перемещаясь
в новые локусы той же хромосомы или
других
FISH hobo на политенные хромосомы слюнных желез
линий Uc-1 и flr3 Drosophila melanogaster
Uc1-66-#5
flr3
Л.П. Захаренко
Строение мобильного
элемента
Мобильный элемент
Гены белков транспозиции
ДНК
хромосомы
Инвертированные или прямые повторы
В повторах и самом элементе часто содержатся регуляторные элементы –
промоторы, энхансеры транскрипции.
Кроме того, могут быть уникальные гены, захваченные при перемещениях
Мобильные элементы в геноме
человека
Длина
Ретро
транспозоны
Число
копий
%
генома
Роль мобильных элементов в
геноме
• Вызывают мутации – встраиваясь в ген или
его регуляторную часть.
В отличие от обычных мутаций, транспозиции
происходят гораздо чаще, особенно в
неблагоприятных условиях среды.
• Большинство МГЭ содержат регуляторные
сайты – энхансеры и сайленсеры. Их
встраивание рядом с генами – быстрый
способ изменения характера транскрипции
генов.
• Могут играть роль в видообразовании – часто
Мобильные элементы в геномах эукариот:
человека, дрозофилы и нематоды
Количество МГЭ в эухроматине человека гораздо больше, чем у
мухи и нематоды.
Есть ли у сателлитной ДНК
какие-либо функции?
• Наиболее вероятная – упаковка
хромосом, организация их в
целостную структуру
• Обеспечение конъюгации и
рекомбинации в мейозе.
• Защита от соматических мутаций?
• Роль в видообразовании?
• Неизвестные
Геном мыши Mus musculus2002
Мышь Mus musculus
• Геном мыши на 14% меньше
человеческого
• Генов ~ 22 тыс.
• 99% из них имеют гомологов у
человека
• Средняя гомология генов с
человеческими по аминокисл.
последовательности – 78%
– мышь – крыса
97%
Nature 420, 520-562 (5.12.2002).
• Гомология генов человека и мыши выше в
экзонах, чем в интронах  как и ожидалось,
экзоны находятся под большим давлением
отбора.
Геном шимпанзе
Nature. Vol 437 №1 September 2005
Initial sequence of the chimpanzee genome and
comparison with the human genome
2005
Человек – шимпанзе
• Генов, абсолютно идентичных – 29%
• В остальных – в среднем 2 а.к. на ген
изменено.
• Наиболее быстро эволюционировали
гены
– иммунной системы
– репродуктивной сферы
– обоняния
– белков-регуляторов транскрипции
• Последнее подтверждает старую гипотезу
о том, что эволюция высших организмов
Полиморфизм ДНК
человека