IV. Геномный уровень организации генетического материала Организация генома

ГЕНОМ - полный состав ДНК диплоидного набора хромосом ядер со­матических клеток, т.е. совокупность всех генов и межгенных участков. Таким образом, геном-полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида.

Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Геномика подразделяется на структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную и медицинскую.

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных организмов. В частности, вопросы диагностики наследственных болез­ней, генотерапии, вирулентности болезнетворных микроорганизмов.

Общее количество ДНК в хромосомах ядра соматической клетки че­ловека составляет 6,4 х 10⁹ пар нуклеотидов - это 95% всей ДНК клетки. Внехромосомный геном клетки - митохондриальный, это 0,5% от всей ДНК клетки. Кроме того, небольшое количество ДНК составляют кольцевые молекулы (150 - 20000 пар нуклеотидов) в ядре и цитоплазме. Природа их у чело­века пока неясна.

Кодирующая часть ДНК составляет 3-5% (по другим данным 1-2%), назначение неинформативной части ДНК - неизвестно. В кодирующей части ДНК различают как уникальные гены, т.е. представленные только одной копией, так и избыточные гены, имеющие до 10⁴ копий,- это гены для т-РНК, р- РНК, гистоновых белков. Эти копии расположены рядом друг с другом (тандемно) и разделены идентичными спейсерами.

Любые изменения в структуре ДНК- ведут к генетическому полимор­физму. Главная форма генетического полиморфизма – однонуклеотидный по­лиморфизм, т.е. различие в ДНК разных людей соответствует одной паре нуклеотидов на каждые 1000-2000 нуклеотидов. Таким образом, два человека на 99,9% идентичны по нуклеотидным последовательностям и только 0,1% различий по одному нуклеотиду создает огромные индивидуальные фенотипические вариации. В каждом гене (50-100 тысяч пар нуклеотидов) можно ожидать от 25 до 100 мутаций, которые надо правильно интерпретировать то ли как нормальную вариацию, то ли как этиологический фактор наследственной патологии.

Предполагают, что различия по одному основанию между определен­ными отрезками геномов лежат не только в основе генных болезней/ миссенс-мутации/, но и в основе чувствительности к возбудителям или защиты от них, в основе приспособительных реакций и в то же время наследственного предрасположения к мулътифакториальным болезням.

Гены и генетический код

Ген - это информационная структура, состоящая из нуклеотидов ДНК (а у вирусов и РНК), неделимая в функциональном отношении, способная к неограниченной репликации и направляющая развитие и функционирование организма, обеспечивая в том числе и транскрипцию других генов.

Обширная многолетняя (1990-2000 гг.) программа "Геном человека", заключающаяся в последовательном секвенировании участков генома чело­века, установила, что генотип человека - это всего лишь 30000 генов. Сотни генов получены человеком, вероятно, в результате горизонтальной передачи, начиная от бактерий, – у человека и бактерий одинаковы более 600 генов; геном мышей и человека совпадает на 90%; шимпанзе и человека - различается на 1% нуклеотидных последовательностей.

В геноме каждый ген может быть представлен несколькими формами – аллелями: в гаплоидном геноме - одним аллелем (любым), в диплоидном – двумя (доминантным и рецессивным), в генофонде популяции – несколькими (более, чем двумя). Если у гетерозигот оба аллеля одинаково активны и каждый участвует в синтезе 50% продукта, считается, что оба имеют равные дозы. Однако, дозы гена могут быть и разные. В крови у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии содержится 65% нормального гемоглобина и 35% аномального (НЬS).Молекулярный механизм разных доз аллельных генов до сих пор неясен.

В зависимости от выполняемой функции различают гены: структурные – транскрибируются во все виды РНК; регуляторные – регулируют процесс транскрипции; модуляторы – изменяют активность структурных генов.

Согласно хромосомной теории, каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус. Однако, существуют прыгающие или блуждающие гены, которые называются транспозоны (мобильные элементы геномов). У прокариот плазмиды способны переносить генетическую информацию между бактериями, частично или целиком встраиваясь в геном клетки-хозяина. К таким плазмидам относятся факторы F (от английского fertility-плодовитость) и гены устойчивости к лекарственным препаратам в плазмидах R.

Но если интеграция плазмиды F в геном клетки-хозяина происходит в определенных местах генома, то гены устойчивости могут встраиваться во многие места хромосомы - такие гены и называются транспозонами. Впервые явление транспозиции было описано у эукариот много лет назад Барбарой Мак-Клинток, проводившей генетические исследования на кукурузе. Сейчас известно несколько систем блуждающих контролирующих элементов эукариот. В частности, контролирующие системы у кукурузы, которые отличаются по своему воздействию на структурные гены, влияя на экспрессию генов, контролирующих окраску семян кукурузы (транспозиция регуляторных элементов осуществляется автономно); транспозоны Drosophila melanogaster, встраивающиеся в Х-хромосому и вызывающие делеции в соседних генах, что приводит к изменению цвета глаз у плодовой мушки; описаны транспозирующие элементы дрожжей.

Транспозоны про - и эукариот, по-видимому, не могут существовать вне генома. Неизвестно существует ли взаимосвязь между транспозонами разных видов и сохраняются ли функции транспозиции при перемещении мобильных элементов из одного вида в другие.

Присутствие транспозонов в геноме может индуцировать перестройки, обуславливает высокую частоту обмена генетической информацией. Эти элементы способствуют быстрому распространению генов в популяции, управляют процессами дифференцировки, ускоряют эволюцию про - и эукариот. Перемещение определенных последовательностей из одного специфического сайта в другой имеет регуляторный эффект. В случае иммуно - глобулиновых генов в результате рекомбинации меняется содержание генома, создаются активные гены в соответствующих соматических клетках.

В нуклеотидной последовательности структурных генов, транскрибируемых в и-РНК, должно быть достаточно кодирующих единиц, чтобы зашифровать 20 аминокислот. Генетический код триплетен, поэтому кодирующих единиц более, чем достаточно - их 64. Последовательность из трех нуклеотидов (триплет) соответствующая одной аминокислоте, называется кодоном, их 61. Три триплета из 64 (УАГ, УАА, УГА) это кодоны-терминаторы, которые располагаются в окончании структурного гена и и-РНК, они транскрибируются, но никогда не транслируются - на них синтез белка останавливается.

Так как кодирующих единиц больше, чем кодируемых, то почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов (кроме триптофана и метионина). Эта особенность или свойство триплетного кода называется избыточностью или вырожденность кода.

При этом генетический код универсален, т.е. любая аминокислота в любой форме жизни зашифрована одинаково; генетический код специфичен, т.е. каждый триплет кодирует только свою аминокислоту. В пределах одной рамки считывания, что означает транскрипцию информации об одном полипептиде, генетический код неперекрываем - каждый нуклеотид входит в состав только своего триплета.

Ген, как единица функции (с этой позиции он называется цистрон), неделим. Однако, в нем выделяют разные составляющие: структурная составляющая - нуклеотид; информационная - триплет (кодон); кроме того, в гене различают единицы мутации (мутон) и единицы рекомбинации (рекон), соответствующие любой паре комплементарных нуклеотидов.

В 1977 г. было обнаружено, что гены эукариот состоят из последовательностей ДНК двух типов: экзонов - информативных участков и интронов – неинформативных. Транскрибируется весь ген, но транслируется только его экзонная часть. У эукариот в процессе биосинтеза белка между транскрипцией и трансляцией происходит ряд событий, которые объединяются термином процессинг. Во время процессинга происходит преобразование проинформационной РНК (первичного транскрипта) в информационную: специфические ферменты (рестриктазы) вырезают интронные участки, оставшиеся экзоны сшиваются другими ферментами (лигазами) – это событие называется сплай­сингом; в передней части (5'-конец) про-и-РНК формируется группа нуклео­тидов, получивших название "колпачок" и предназначенных для узнавания рибо­сомой и-РНК; в хвостовой части (З'-конец) про-и-РНК формируется полиадениновый "хвост" (100-200 адениновых нуклеотидов), назначение которого пока что неизвестно.

После всех этих событий формируется и-РНК, готовая к трансляции.

Благодаря экзонно-интронной структуре гена у эукариот в пределах одной полинуклеотидной последовательности структурного гена может быть закодирована информация не об одной молекуле белка, а более. Извлекается эта разная информация из одного гена в результате альтернативного сплайсинга, когда некоторые участки про-и-РНК в одном случае ведут себя как экзоны, а при другом типе сплайсинга оказываются интронами.

Ген, являясь единицей функции, сам входит в состав единицы транс­крипции, которой после открытия Жакоба и Моно (1961) является оперон. Точнее, единицей транскрипции является последовательность нуклеотидов в опероне от промотора до терминатора включительно. Осуществление транскрипции называется экспрессией гена или его генетической активностью.

Таким образом, современное состояние теории гена включает следую­щие положения:

1.Ген - материальная единица хранения и передачи наследственной информации, является частью молекулы ДНК или у вирусов РНК.

2.Ген в хромосоме занимает определенный локус. Существуют гены с непостоянной локализацией - транспозоны.

З.Гены делятся на структурные, регуляторные, гены модуляторы.

4.Структурно-функциональной единицей гена является триплет.

5.Триплеты в гене расположены колинеарно аминокислотам в белке.

6.Гены эукариот имеют интронно-экзонную природу.

7.Единицей транскрипции в геноме является оперон.

8.Гены способны к рекомбинации (как межгенной так и внутригенной) и мутации.

9.Не всякое повреждение гена ведет к мутации, т.к. гены способны к

репарации.

10. Дискретные единицы - гены формируют целостную систему

взаимодействующих генов – генотип.