Строение генома человека и других организмов

В данной статье мы рассмотрим строение геномов живых организмов, преимущественно человека, и опишем их основные черты. Но сначала дадим общее определение генома.

Строение генома человека

Рис. 1. Геном человека. Цифрами под хромосомами указаны их номера. X и Y — половые хромосомы, p — короткое плечо, q — длинное плечо хромосом

Геном — это совокупность генов и некодирующих последовательностей ДНК, которые входят в гаплоидный набор хромосом вида. Человеческий геном состоит от 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК (рис. 1).

Исследовательский интерес представляет не столько размер генома, сколько число функциональных генов и соотношение между генами и остальным геномом. Оказывается, гены, т. е. кодирующие участки ДНК, на которых транскрибируется РНК, составляют только часть всей молекулы ДНК, причём у человека крайне незначительную — всего 2 %. Остальные 98 % ДНК (общая длина молекулы которой у человека, кстати, в каждой клетке составляет чуть более 1,8 м) — это псевдогены, остатки геномов вирусов и бесконечные повторы различных последовательностей нуклеотидов, роль которых, по-видимому, регуляторная и защитная.

Защитная функция объясняется следующим. Если вспомнить, что индуцированная (например, облучением) мутация — это вероят­ностный процесс, связанный с попаданием гамма-кванта или иной частицы прямо в молекулу ДНК, наличие подавляющей массы неко­дирующей ДНК, очевидно, защищает функционально важные гены от повреждения. Мутации в некодирующей ДНК, скорее всего, не ска­зываются на структуре белка, хотя могут иметь последствия в плане функционирования регуляторных участков или обеспечения стабиль­ности ДНК. То, что эти изменения не затрагивают непосредственно структуру транскрипта, всё же более важно, так как при этом не возника­ет грубого метаболического нарушения. Рассмотрим в связи с этим данные таблицы 1, в которой представлено соотношение между существенными генами и всем геномом у разных организмов.

Таблица 1. Некоторые параметы геномов различных организмов

Организмы Общий раз­мер генома (млн. пар ос­нований) Общее чис­ло генов (тысяч) Размеры од­ного гена (тысяч пар оснований) Существенные гены (%% от общего числа)
Бактерии

0,5 — 5

0,47 — 4,29 1 — 1,7 < 50 %
Дрожжи 12 6 2 < 20 %
Нематода 98 19 5 < 10 %
Человек > 3000 21 > 30 ?

Как видим, по мере увеличения размера генома, увеличивается общее число генов (впрочем, из этого правила также есть исключения — в клетках риса и кукурузы число генов превышает 45 и 50 тысяч), гены упакованы всё менее плотно, всё большую долю составляет некодирующая (интергенная) ДНК. Последний столбец таблицы 1 со­держит сведения о процентной доле генов, отключение которых при­водит к гибели организма. Существующие методы позволяют делать это, причём видно, что у бактерий, имеющих малое число генов, око­ло 50 % генов важны для выживания, в то время как у нематоды можно отключать до 90 % генов без явного смертельного вреда для организма. Таким образом, чем больше генов, тем меньшая часть из них является критически важной. Относительно человека можно пока только предполагать, что у нас таких генов ещё меньше, чем у нема­тоды. Это понятно, поскольку гены «выживания» — это гены, коди­рующие важнейшие ферменты, обеспечивающие магистральные метаболические пути. У всех живых организмов эти пути однотипны, поэтому во всех геномах есть некое «критическое число» генов. По сути, это то минимальное число генов, которое нужно каждой клетке для нормального обмена веществ. В то же время, по мере усложнения живых объектов появляются новые гены, отвечающие за более сложные функции. У человека таких генов намного больше, чем у нематод( и у дрожжей.

Для того чтобы лучше понять, почему геном устроен так, а не иначе, необходимо вспомнить, что транскрибируемая РНК на самом деле — это только молекулярная «заготовка». Дело в том, что гены всех млекопитающих, в том числе человека, состоят из кодирующих участков (экзонов) и бессмысленных, некодирующих участков (ин­тронов). В процессе транскрипции вначале образуется первичная РНК (она даже получила название пре-мРНК). Затем она проходит стадию созревания (процессинга), в ходе которого «ненужные» участки вырезаются, а смысловые — заново сшиваются, образуя зрелую молекулу. Этот процесс называется сплайсингом. По зрелой РНК уже можно понять, что же, собственно, представляет собой ген. С этой целью на матрице РНК с помощью обратной транскрипции можно синтезировать ДНК (она получила название кДНК), которая реально отражает структуру и нуклеотидную последовательность индивиду­ального гена уже без интронов. Таким путём и было установлено истинное число генов, поэтому оно постоянно уточняется.

В настоящее время считается, что структура генома такова. Если общий размер генома человека — 3200 Мb, то гены занимают всего 1200 Мb. Остальная часть приходится на так называемые псевдогены (нефункциональные гены,  инактивированные мутациями), различные фрагменты генов и интроны. А на экзоны функциональных генов (суммарная длина зрелых РНК) приходится ещё меньше — 48 Мb. Общая длина белок-кодирующих областей, как уже упоминалось выше, составляет только около 1,5-2 % от геномной ДНК человека. Это всего лишь в 10 раз больше длины генома бактерий. Нить ДНК, по современным дан­ным, представляет собой длиннейшие последовательности повторов, среди которых изредка вкраплены генные интроны, причём нитроны разных генов могут быть перемешаны между собой, а интроны одного и того же гена мо­гут быть пространственно сильно разобщены. Впрочем, возможно они оказы­ваются сближенными при пространственной укладке (суперспирализации) молекулы ДНК.

Большой интерес вызывают остальные 98 % нашей ДНК — дей­ствительно ли они выполняют только защитную роль? Молекулярные генетики даже назвали её «эгоистичной ДНК» или «мусором» (junk). Скорее всего, это преувеличение. В последнее время в «негенной» части генома выявлены сотни консервативных участков, остающихся неизменными у разных видов, от собаки или коровы до человека. Ес­ли эволюция сохраняет эти участки неизменными, значит это для че­го-то нужно, т. е. «эгоистичная» ДНК не существует только «сама для себя». В целом, несмотря на колоссальные технологические успехи, геном остаётся ещё во многом загадкой. Решение вопроса о роли не­генной ДНК — дело ближайшего будущего.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Составляющие гена, его устройство и функционирование

Определение геномики, её направления

Морфогенез человека и влияние на него генов

Генные и хромосомные болезни (синдромы) человека

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>