Лекция 2. Генный уровень организации наследственного материала
Согласно современному представлению, ген — единица генетического материала, которая передается по наследству от родителей к потомству и может быть обнаружена в эксперименте по ее способности мутировать в различные состояния, рекомбинировать с другими такими же единицами и функционировать, наделяя организм какими-либо конкретными свойствами.
Совокупность генов в организме называется геномом.
ПРОГРАММА ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА (окончена в 2003 году)
ПГЧ — наиболее яркое достижение науки 20-21 веков. Выполнение данной программы — самое великое открытие на пороге 21 века. На впечатляющие и конкретные результаты стремительного прогресса в секвенировании (определение первичной последовательности ДНК) генома человека 17.11.1999 указал президент США Билл Клинтон.
Расшифровка первичной структуры ДНК человека – итог многолетней работы в сообществе ученых, объединенных программой. Вдохновитель и инициатор программы – Джеймс Уотсон. С 1996 года по 3003 г программой руководил Френсис Колинз.
Разделы программы выполнены в ведущих научных центрах Великобритании, Франции и Японии. В развитии отечественной программы большая роль принадлежала биохимику Баеву. 200г. Ванкувер (Канада) Крейг Вентер впервые сообщил о завершении сиквенса (результат секвенирования) генома человека.
Секвенирование 1/3 генома человека было завершено в 2001 г., а всего генома – в 2003.
В настоящее время в мире секвенируется до 10 млн полинуклеотидных оснований. Размер генома человека 3 млн, средний размер 1 гена – 30 тыс полинуклеотидных оснований.
Ген (в геноме человека) — единица транскрипции, которая может быть транслирована в 1 или несколько аминокислотных последовательностей, дает возможность сделать более точные подсчеты количества генов у человека ≈60-70 тыс, из ни «гены домашнего хозяйства» - 14 тыс, транскрибируемая часть генома – 20 тыс.
В настоящее время картировано более 30 тыс фрагментов экспрессирующих генов, идентифицировано 11 тыс, из которых 6 тыс картировано на хромосомах. Идентифицированы, клонированы и исследуются гены практически всех наиболее частых (ок. 330) и 170 генов более редких наследственных болезней.
Одновременное секвенирование многих небольших отрезков ДНК с последующей компьютерной обработкой данных позволило трижды просеквенировать геном одного человека.
На геномных картах четко локализованы и просеквенированы более 50 тыс. котортких фрагментов ДНК, наличие которых открывает широкие возможности для картирования новых генов, в т.ч. генов, ответственных за мультифакториальные заболевания (сердечно-сосудистые, нервно-психич, опухоли и т.д.)
Геномы всех людей (искл. Однояйцевые близнецы) различны. Выражены популяционно-этнические, индивидуальные различия геномов, как в их смысловой части (экзон), так и в некодируемых частях (интрон), обусловленные различными мутациями, приводящим к генетическому полиморфизму. Есть основания предполагать, что компьютерный анализ геномов позволит создать периодическую систему геномов.
Основная задача
Секвенирование всего генома – определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.
Ген (1909 г В. Иогансен) – элементарная материальная единица
30е годы (Н. В. Тимофеев-Ресовский и Дельбрук) определили площадь гена окраски глаз у дрозофилы.
1935 г. Н. В. Тимофеев-Ресовский, Цеммер, Дельбрук. Дана трактовка гена с позиции квантовой механики (основа для определения структуры ДНК)
1944 г. Эйвери, Макклиот, Маккарти: установлено, что «веществом гена служит ДНК» (в 1927 г. предложено Кольцовым)
Опыт Тимофеева-Ресовского определил площадь окраски глаз у дрозофилы. красные и белые глаза, воздействовал радиацией. попадал на участок гена – глаза красные, нет – белые.
50е г. Дж. Бидл !!Нобелевская премия!! И Эд. Татум под термином «ген» стали принимать фрагмент ДНК, ответственный за синтез одного белка (1 ген – 1 энзим(фермент)). Так в генетике ген – картируемый на хромосоме локус, ответственный за тот или иной фенотипический признак.
Инге – Вечтомов 1998 г.
В молекулярной биологии ген – ассоциированный фрагмент ДНК, соответствующий определенной единице транскрипции (Берг, Сингер 1998 г.)
Классификация генов:
· РНК-кодирующие гены:
· тРНК, рРНК, мяРНК (малоядерная)
· Регуляторная РНК
· Протеин – кодирующие гены
· Гены «домашнего хозяйства»
· Гены терминальной дифференцировки
· Транскрипционные факторы SRY (ген самцовости, определяет мужской пол)
· Митохондриальные гены
РНК-кодирующие гены:
Либо определяют синтез РНК, необходимый для обеспечения процессов сплайсинга, синтеза рибосом и процессов трансляции.
РНК-кодирующие гены дают информацию для синтеза молекул РНК (тРНК, рРНК, иРНК), обладающих регуляторным действием, т.е. влияющих на функции других генов. Например, РНК для выключения или инактивации одной Х-хромосом у женщин.
Протеин-кодирующие гены:
Гены, кодирующие белки по своей структуре и функциям разделенные на «гены домашнего хозяйства», или гены жизнеобеспечения клетки.
Имеются гены специфических функций, т.е. гены терминальной дифференцировки, они кодируют белки, характерные для дифференцируемой ткани и определяющие ее основные функции (гемоглобин, мышечные белки и т.д.)
В последнее время выделяют гены особых ядерных белков, названных транскрипционными факторами. Имея небольшие размеры эти гены характеризуются высококонсервативными последовательностями, белковые продукты которых способны соединяться с регуляторными областями ДНК многих структурных генов, вызывая репрессию или активацию (SRY). Синдром Морриса: на вид женщина, с одной стороны – яичник, с другой – яичко.
Митохондриальные гены:
≈95% ДНК находятся в ядре каждой клетки организма; 5% сосредоточены в митохондриях (≈1000 митохондрий на 1 клетку). Двумембранный органоид, отвечает за дыхание и энергетические процессы.
Митохондриальная ДНК передается ребенку по материнской линии (интеллект, внешность, биоэнергетическая активность). В оплодотворенных и делящихся яйцеклетках число митохондрий увеличивается и количество мДНК значительно выше. мДНК — двуцепочечные кольцевые молекулы меньшего размера по сравнению с яДНК. Особенность мДНК — отсутствие связей с гистонами (Альцгеймер, Паркинсон, миопатия, молочно-кислый ацитоз).
Гены, кодирующие яРНК:
Малые яРНК помогают удалять интроны из проматричной РНК. Этот процесс осуществляется таким образом, что следующие друг за другом экзоны никогда физически не разобщаются, они соединяются между собой с помощью молекул малых яРНК.
Правильный диагноз — половина лечения
Знание структуры генома человека дает возможность безошибочно ставить диагноз многих тяжелых заболеваний. При этом врачу не обязательно видеть пациента, нужно лишь прочитать определенный участок его ДНК, выделенный из нескольких клеток человеческого тела. Согласно статистике в РФ рождается около 60 тысяч детей с ВПР (внутренними пороками развития).
На сегодняшний день в Японии все новорожденные проходят тест на 11 генетических заболеваний, в США — 7, в РФ — 2 (фенилкетонурия, гипотериоз(недостаток йода)).
Генетический анализ помогает распознать заболевания, даже когда плод в утробе матери. Многие родители могут пройти тестирование (молекулярный анализ ДНК). Этот анализ позволяет предсказать, будет ли плод страдать тем или иным наследственным заболеванием.
Сверхранняя диагностика рождения здорового ребенка в семье больных болезнью Альцгеймера. В искусственных условиях оплодотворили яйцеклетку. В 15 зиготах провели проверку. В большинстве зигот обнаружили смертельную комбинацию генов, 1 зигота здорова. Ее «использовала» мать, родив здорового ребенка.
Первым практическим результатом реализации ПГЧ стало появление принципиальных подходов к диагностике и лечению моногенных заболеваний.
Генная диагностика ненаследственных заболеваний, злокачественных новообразований. Выявлено более 10 генов (наз. прогностическими молекулярными (генными) маркерами) экспрессия или гиперэкспрессия которых служит неблагоприятным признаком развития рака молочной железы. В развитых странах используется микрочип (меньше ручных часов), способный определить само начало опухоли.
Генетический полиморфизм
Вариабельность – разнообразие геномов человека.
Л. Кавалли-Сфорц – организовали программу.
Ген. Полиморфизм — наличие на молекулярном уровне небольших отклонений в нуклеотидных последовательностях, позволяющие особи выживать.
Механизмы:
· Молекулярный уровень - ДНК изменяется в экзонах структурных генов (5-10% генома)
· Чаще затрагивает интроны (90-95%)
· Каждый родительский геном в зиготе несет много изменений первичной структуры нуклеотидов.
Виды:
· Качественный (однонуклеатидные замены. Встречаются через 300-400 нуклеотидов)
· Количественный (вариации числа тандемных повторов 1,2,3,4… нуклеотидов в интронах. ЦАГ – глутаминовая кислота(экзон-искл.) менее 1% (в отличие от мутаций), не подвергается естественному отбору, не может предрасполагать или препятствовать появлению заболевания)
Генетический груз
Арефьев, Лисовенко 1995 г — часть наследственной изменчивости популяции, определяющая появление менее приспособленных особей, попадающих по действие естественного отбора.
В РФ ≈5,5% (1% - моногенные, 3-4% мультифакториальные заболевания)