ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, СТРУКТУРА ГЕНОВ.
Раздел 2.1. Определение генома и его основных элемен- тов.
Термин геном используется для обозначения полной гене- тической системы клетки, определяющей характер онтогенети- ческого развития организма и наследственную передачу в ряду поколений всех его структурных и функциональных признаков.
Понятие генома может быть применено к таксономической груп- пе, виду, отдельной особи, клетке, микроорганизму или ви- русу. Так, можно говорить о структуре генома эукариот и про- кариот, сравнивать геномы разных видов, изучать особенности строения генома у конкретных индивидуумов или следить за из- менениями, происходящими в геноме специфических клеток в процессе их онтогенетической дифференцировки. Часто геном определяется как генетическая информация, заключенная в мо- лекулах ДНК одной клетки. Однако, такие факты, как отсутствие связи между количеством ДНК в расчете на гаплоид- ный геном и таксономическим статусом видов, а также много- численные примеры существования огромных различий в содержа- нии ДНК между близкородственными видами (так называемый
"С-парадокс") свидетельствуют о том, что далеко не все участки ДНК связаны с информационными функциями. Понятия ге- нома и ДНК в значительной степени тождественны, так как основные принципы организации и функционирования генома це- ликом определяются свойствами ДНК. Присущие этим молекулам потенциальные возможности практически неограниченного струк- турного разнообразия определяют все многообразие мира живых существ, как на уровне межвидовых, так и индивидуальных раз- личий в пределах одного вида (Баев и др.,1990; Ратнер,1985).
Процесс эволюции и дифференцировки отдельных видов, как правило, сопровождался накоплением изменений в структуре ге- нома. Это касается, прежде всего, таких параметров, как ло- кализация и характер упаковки ДНК в клетках; количество ДНК, приходящееся на гаплоидный геном; типы, соотношение и функ- ции кодирующих и некодирующих нуклеотидных последователь- ностей; регуляция экспрессии генов; межпопуляционная вариа- бильность и филогенетический консерватизм первичной структу- ры генома. В пределах одного вида основные параметры генома достаточно постоянны, а внутривидовое разнообразие обеспечи- вается за счет мутационной изменчивости, то есть выпадения, вставки или замены нуклеотидов на сравнительно небольших участках ДНК. Чаще всего такие изменения касаются не- экспрессируемых элементов генома (интронов, псевдогенов, межгенных спэйсерных участков ДНК и т.д.).
Геномы эукариот, по-существу, можно рассматривать как мультигеномные симбиотческие конструкции, состоящие из обли- гатных и факультативных элементов (Golubovsky, 1995). Основу облигатных элементов составляют структурные локусы, коли- чество и расположение которых в геноме достаточно постоянно.
Присутствие в хромосомах некоторых видов повторяющихся ДНК, амплифицированных участков, ретровирусных последователь- ностей, псевдогенов, также как наличие в клетке эписом, рет- ротранскриптов, ампликонов, дополнительных B-хромосом и раз- личных цитосимбионтов (вирусов, бактерий, простейших) явля- ется не строго обязательным, их количество и положение может значительно варьировать, то есть эти элементы являются фа- культативными. В то же время участие факультативных элемен- тов в наследственной передаче признаков, в формировании му- тационной изменчивости и в эволюционных преобразованиях ви- дов несомненно доказано. Кроме того, существует непрерывный переход от одних состояний к другим за счет инсерции экстрахромосомных ДНК в хромосомы и выстраивания транспозо- ноподобных мобильных элементов из хромосом. Следовательно, несмотря на значительные отличия факультативных последова- тельностей от облигатных по характеру основных информацион- ных процессов (репликации, транскрипции, трансляции и сегре- гации), они также должны рассматриваться, как важнейшие эле- менты генома.
Остановимся теперь более детально на основных принципах организации генома человека. В каждой диплоидной клетке с 46 хромосомами содержится около 6 пикограмм ДНК, а общая длина гаплоидного набора из 23 хромосом составляет 3.5 * 10!9 пар нуклеотидов (Kao, 1985). Этого количества ДНК достаточно для кодирования нескольких миллионов генов. Однако, по многим независимым оценкам истиное число структурных генов нахо- дится в пределах от 50 000 до 100 000. В разделе 2.4 изложе- ны современные подходы, используемые для подсчета общего ко- личества генов, из которых следует, что наиболее вероятная оценка их числа составляет около 80 000. Сопоставляя это значение со средними размерами гена и соотношением между ве- личиной их экзонных и интронных областей, можно заклю- чить,что кодирующие последовательности ДНК занимают не более
10-15% всего генома (McKusick, Ruddle, 1977). Таким образом, основная часть молекул ДНК не несет информации об амино- кислотной последовательности белков, составляющих основу лю- бого живого организма, и не кодирует структуру рибосомаль- ных, транспортных, ядерных и других типов РНК. Функции этой
"избыточной" (junk) ДНК не ясны, хотя ее структура изучена достаточно подробно. Предполагается, что эта ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге
РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомо- логичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально иного генетического кода с неизвестной функцией.
Наиболее общая характеристика генома может быть получена с помощью анализа кинетики реассоциации молекул ДНК. Динами- ка плавления геномной ДНК обнаруживает присутствие по край- ней мере трех различающихся по химической сложности фракций
(Льюин, 1987; Газарян, Тарантул, 1983). Быстро ренатурирую- щая фракция ДНК состоит из относительно коротких высокопов- торяющихся последовательностей; в промежуточную фракцию вхо- дит множество умеренно повторяющихся ДНК - более протяжен- ных, но представленных меньшим числом копий; медленно рена- турирующая фракция объединяет в себе уникальные последова- тельности ДНК, встречающиеся в геноме не более 1-2 раз.
С помощью молекулярного анализа проведена идентификация основных классов повторяющихся последовательностей ДНК, составляющих более 35% всего генома человека и включающих сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низко- копийные повторы, а также мини- и микросателлитные последо- вательности ДНК. Классификация этих типов повторов достаточ- но условна и основана, главным образом, на двух характе- ристиках: длине повторяющихся коровых единиц, которая может варьировать от 1-2 до более, чем 2000 п.о., и числе их ко- пий, также меняющихся в очень широких пределах - от десятка до миллиона на гаплоидный геном. Не менее важными характе- ристиками различных классов повторяющихся ДНК являются нук- леотидная последовательность "коровых" единиц повтора, спе- цифичность их организации, хромосомная локализация, внутри- и межвидовая стабильность, а также возможные функции этих типов ДНК.
Раздел 2.2. Повторяющиеся последовательности ДНК.
Сателлитная ДНК это класс высокоповторяющихся последо- вательностей, составляющих около 10% всего генома человека
(Kao, 1985). При центрифугировании геномной ДНК в градиенте плотности CsCl эти последовательности образуют четыре от- дельных сателлитных пика с различными средними значениями плавучей плотности. Методом гибридизации in situ показано присутствие сателлитной ДНК преимущественно в центромерных, теломерных и гетерохроматиновых районах большинства хро- мосом, при этом характер гибридизации сходен для всех четы- рех групп и не зависит от принадлежности ДНК-зондов к се- мействам повторов, образующих различные сателлитные пики. В каждой из этих групп, однако, присутствует небольшое коли- чество последовательностей, имеющих специфическую хромосом- ную локализацию. Так например, около 40% длинного плеча Y хромосомы составляет семейство последовательностей, тандемно повторяющихся более 3000 раз и не найденных в других хро- мосомах.
Выделяют три основных типа сателлитной ДНК: (1) короткие
- от 2 до 20 п.о., стабильные тандемные повторы с кратностью в несколько десятков тысяч раз, которые иногда перемежаются с неповторяющимися последовательностями; (2) кластеры более протяженных повторов, слегка различающихся по нуклеотидной последовательности; (3) сложные, достигающие нескольких со- тен пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности раз- личной степени гомологии (Газарян,Тарантул,1983). К послед- нему типу относятся альфа-сателлитные или альфоидные ДНК, среди которых найдено много хромосом-специфических последо- вательностей. Размеры повтрояющихся "коровых" единиц альфо- идной ДНК составляют около 170-200 п.о. В геноме человека и других приматов эти мономеры организованы в кластеры по 20 и более "коровых" единиц. После расщепления рестриктазой BamHI в альфоидной ДНК выявляется серия фрагментов, длиной около 2
000 п.о., в составе которых обнаруживаются альфоидные после- довательности, специфичные для гетерохроматиновых районов разных хромосом человека (1, 3, 4, 5, 9, 6, 7, 11, 17, 19,
Х). В некоторых случаях эти повторы гомологичны двум разным хромосомам (9 и 15, 13 и 21, 18 и Х) ( Willard,Waye, 1987).
Хромосом-специфические последовательности сателлитной альфо- идной ДНК нашли широкое применение в молекулярной цитогене- тике в качестве ДНК-зондов, удобных для маркирования индиви- дуальных хромосом в метафазных и интерфазных клетках челове- ка (Юров, 1987). Предполагается, что сателлитные ДНК играют важную роль в поддержании структур хромосом и, возможно, в их спаривании в процессе мейоза (Charlesworth et al., 1994).
Особое место среди сателлитных ДНК занимают микро- и минисателлитные последовательности, представляющие собой многочисленную группу рассеянных по всему геному относитель- но коротких тандемных повторов. Микросателлиты - это класс динуклеотидных повторов. Размер повторяющихся единиц в ми- нисателитных последовательностях может меняться от 3 - 4 до
10 - 15 нуклеотидов. Отличительной особенностью микро- и ми- нисателлитов является наличие среди них большого количества участков, вариабильных по числу копий в кластере.
Инвертированные или обращенные повторы составляют до 5% генома. Они состоят из двух тождественных копий длиной около
300 п.о., ориентированных в противоположных направлениях на одной нити ДНК и лежащих на расстоянии от нуля до десятка тысяч пар нуклеотидов друг от друга (в среднем - 1,6 кб).
Около 1/3 обращенных повторов не разделены промежуточными последовательностями и носят название палиндромов. Среднее расстояние между двумя различными парами инвертированных повторов около 12 кб, и их распределение по геному носит случайный характер. Комплементарные пары легко ассоциируют при отжиге, образуя шпилечные структуры с дуплексной ножкой и однонитевой петлей, длина которой соответствует расстоянию между парой обращенных повторов. Вследствие этого оказыва- ются приблеженными достаточно удаленные друг от друга участ- ки ДНК, что важно для работы ряда ферментов, обеспечивающих процессы репликации и транскрипции. Важно отметить и то, что однонитевой участок ДНК, образующий петлю, становится доступным для действя нуклеазы S1, специфически разрушающей однонитевую ДНК.
Группа умеренно повторяющихся последовательностей очень гетерогенна по длине и числу копий и составляет около 20% генома человека. Как правило, они распределены дисперсно по всем хромосомам, причем относительно короткие последователь- ности ДНК до 500 п.о., так называемые короткие диспергиро- ванные повторы - Sine, повторяются более 100 000 раз, в среднем, через каждые 2.2 кб. Число копий более длинных диспергированных последовательностей - Line, не превышает 10
000. Умеренные повторы найдены во всех структурных компонен- тах генома за исключением кодирующих областей генов. Два главных семейства умеренных повторов, Alu и Kpn1, занимают, по крайней мере, 10% генома и практически столько же занято несколькими сотнями других семейств повторов этого класса.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49
