СЛ.2 ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. 2. 3. 4. Геном человека. Иерархические уровни организации. Современные представления о структурно-функциональной организации генов человека. Структурно-функциональная гетерогенность гена: экзон-интронная организация, регуляторные последовательности СЛ.3 Геном – полная генетическая система клетки (совокупность всей ДНК клетки), определяющая характер онтогенетического развития организма и наследственную передачу в ряду поколений всех его структурных и функциональных признаков. Этот термин был впервые введен Г. Винклером в 1920 г. В целом, понятия геном и ДНК в значительной степени тождественны, так как основные принципы организации и функционирования генома целиком определяются свойствами ДНК. Однако понятие геном является более общим и может быть применимо к таксономической группе, виду, отдельной особи, отдельной клетке многоклеточного организма, микроорганизму или вирусу. СЛ.4. ГЕНОМИКА Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Методы геномики направлены на расшифровку новых закономерностей биологических систем и процессов. Геномика человека является основой молекулярной медицины и имеет важнейшее значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных болезней. СЛ.5 Для медицины первостепенное значение имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов, поскольку они проливают свет на природу инфекционного процесса и создание лекарств, направленных на специфические мишени бактерий. Сл.6 Геномика, несмотря на её «молодой возраст», подразделяется на несколько почти самостоятельных направлений: структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику. Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет границы и строение генов, межгенных участков и других структур-структурных генетических элементов (промоторов, энхансеров и т.д.), т.е. составляет генетические, физические и транскриптные карты организма. Функциональная геномика. Исследования в области функциональной геномики направлены на идентификацию функций каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Очевидно, это будет осуществляться путём изучения белковых ансамблей в разных клетках. Эту область ,исследований называют протеомикой. Протеомика занимается изучением структуры и функции каждого белка; анализом белкового состава клетки; определением молекулярных основ функционирования отдельной клетки, являющегося результатом координированной работы многих сотен белков, и исследованием формирования фенотипического признака организма, являющегося результатом координированной работы миллиардов клеток. Сл.7 Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их строения и функционирования. Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. Эволюционный подход к изучению генома человека позволяет проследить за длительностью формирования комплексов генов, отдельных хромосом, стабильностью его частей, недавно обнаруженными элементами «непостоянства» генома, процессом расообразования. эволюцией наследственной патологии. Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов и т.д.). Сл. 8 Наибольшие усилия ученых многих стран мира, работающих в области геномики, были направлены на решение международного проекта «Геном человека». Значительный прогресс в этой области связан с реализацией идеи, предложенной Дж. С. Вентером, заняться поиском и анализом экспрессирующихся последовательностей ДНК, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве своеобразных «ярлыков» или маркеров определенных участков генома. Другой независимый и не менее плодотворный подход, был использован в работе группы, возглавляемой Фр. Коллинзом. Д-р Фрэнсис Коллинз – Директор Международного Проекта Геном Человека (с апреля 1993 г.). Он основан на первоочередной идентификации генов наследственных болезней человека. СЛ.9 Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Частной компанией Celera Corporation, был запущен аналогичный параллельный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения. Это один из самых дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории цивилизации. Если в 1990 г. на него было потрачено около 60 млн долларов в целом, то в 1998 г. одно только правительство США израсходовало 253 млн долларов, а частные компании – и того больше. Геном человека секвенировали в 2003 г‚ т.е. к пятидесятилетнему юбилею открытия двойной спирали ДНК (1953г.)‚ а планировалось к 2005 г. В 1989 г. и в США, и в СССР начинают функционировать научные программы по молекулярному изучению генома человека. В 1999 г. возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO‚ Human Genome Project), вице-президентом которой несколько лет был академик А.Д. Мирзабеков. • В 1989 г в СССР по решению правительства было открыто финансирование и организован Научный совет по программе "Геном человека" под руководством А.А. Баева. • Головное учреждение программы - Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН. В России по проекту работает около 100 групп. Все хромосомы человека поделены между странамиучастницами, и России для исследования достались 3-, 13- и 19-я хромосомы. Российская программа развивалась по ряду направлений: медицинская геномика‚ функциональная геномика и биоинформатика. • Сейчас в базах данных находится несколько миллиардов нуклеотидных пар человеческого генома и геномов других живых организмов. В этом море информации еще нужно разобраться, описать, понять, что следует за чем, где начало гена, где его конец, где регуляторные участки. Не определить, а предсказать. Расшифровать нуклеотидную последовательность - это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген, значит понять, как буквы складываются в слова. Вероятность правильного предсказания сегодня достигает 85%. Геном человека, равно также как и геном любого другого вида животных, состоит из двух геномов – сложного ядерного генома и менее сложно организованного генома митохондрий. 2. Иерархические уровни организации. Организация генома каждого эукариотического вида представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, кодонов, доменов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внехромосомной и внеядерной ДНК. В эволюционном преобразовании генома каждый из этих иерархических уровней мог вести себя совершенно дискретно (изменяясь, комбинируясь с другими и т.д.). Общее количество ДНК в соматической клетке составляет 6.4 х10^9 пар нуклеотидов, следовательно, гаплоидный набор состоит из 3,2х1109пар нуклеотидов. Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (95%). Внехромосомная часть генома человека — ДНК митохондрий (5%). Совсем небольнебольшое количество составляют отдельные кольцевые молекулы ДНК в ядре и цитоплазме. Ядерный геном человека содержит огромный объем генетической информации – около 3000 мегабаз (Мб), – часть из которой кодирует первичную структуру белков, синтезируемых на свободных цитоплазматических или мембраносвязанных рибосомах. Митохондриальный геном имеет относительно небольшой размер – около 16,6 килобаз (Кб), – и кодирует все митохондриальные рибосомальные и транспортные РНК, а так же часть белков, которые необходимы для нормального функционирования митохондрий. Наиболее общие представления о геноме человека могут быть получены с помощью анализа кинетики реассоциации молекул ДНК. Динамика плавления геномной ДНК обнаруживает присутствие, по крайней мере, трех различающихся по химической сложности фракций. Быстро ренатурирующая фракция ДНК (около 10%) состоит из относительно коротких высокоповторяющихся последовательностей. В промежуточную фракцию (около 30%) входит множество умеренно повторяющихся ДНК – более протяженных, но представленных меньшим числом копий. Наконец медленно ренатурирующая фракция (около 60%) объединяет в себе уникальные последовательности ДНК, которые встречаются в геноме не более двух раз. Более детальный анализ геномной ДНК, проведенный с помощью методов генетического и физического картирования, показал, что лишь около 30% ядерного генома организовано в гены и геноподобные последовательности, остальные же 70% составляют внегенную (или экстрагенную) ДНК. В свою очередь последняя примерно на 80% состоит из уникальной и низкоповторяющейся ДНК и на 20% – из умеренно- и высокоповторяющихся последовательностей. Фракция умеренно- и высокоповторяющейся ДНК включает тандемные или кластеризованные повторы и диспергированные генетические элементы. Что касается генов и геноподобной ДНК, то эта фракция лишь на 10% является кодирующей, а остальные 90% состоят из псевдогенов, генных фрагментов, интронов и других геноподобных нетранслируемых последовательностей. Следовательно, из всего объема геномной ДНК только 3% несет информацию о первичной структуре клеточных белков, рибосомальных, транспортных и других видах РНК, а 97% такой информации не содержит. Закономерно возникает вопрос: зачем клетке такое огромное количество "избыточной" ДНК, не несущей ни- какой информационной нагрузки? Окончательного ответа на этот вопрос пока не существует, хотя и высказано ряд предположений. 3. Современные представления о структурнофункциональной организации генов человека. Структурно-функциональная организация ядерного генома человека • Структура генома человека (по данным секвенирования на 2001 г.) Международный консорциум определил 31 780 белок-кодирующих генов, а фирма Целера Геномикс обнаружила 39 114 таких генов. • Показано, что типичный ген человека состоит примерно из 28000 н.п. и имеет 8 экзонов, его кодирующая последовательность 1340 н.п., этот ген кодирует 447 аминокислот. • Самым большим геном, найденным в геноме человека, является ген мышечного белка дистрофина (2,4 • 106 н. п.). Фибриллярный белок титин, ответственный за пассивную эластичность скелетных мышц, состоит из 27 000 аминокислотных остатков. Его ген содержит 234 экзона. Это наибольшее количество экзонов, пока найденное в белок-кодирующих генах человека. • Структура и организация генов человека много сложнее, чем структура генов других эукариот. Очень часто они прерываются большими интронами, 35 % генов человека могут считываться с разных рамок, а 40 % РНК подвергаются альтернативному сплайсингу. Таким образом, одна последовательность ДНК может кодировать более одного вида мРНК. • По сравнению с геномами других эукариотических организмов у человека большее распространение получили гены, участвующие в обеспечении иммунной защиты; в развитии нервной системы (нейротрофические факторы, факторы роста нервов), сигнальных молекул, миелиновых белков, потенциал-управляемых ионных каналов и синаптических рецепторных белков; в построении цитоскелета и движении везикул, обеспечении внутри- и межклеточной сигнализации, поддержании гомеостаза. • У человека значительно большее количество генов участвует в транскрипции и трансляции. Из 2000 таких генов 900 относятся к семейству белков, содержащих «цинковые пальцы». В целом на долю генов, кодирующих белки, приходится 2 % генома; на области, кодирующие РНК, — около 20% генома, повторяющиеся последовательности занимают более 50 % генома, причем значительная часть этой ДНК возникла за счет обратной транскрипции РНК.
