Геном человека

Геномные изменения

Все клетки организма происходят из одной клетки, поэтому ожидается, что они будут иметь идентичные геномы; однако в некоторых случаях возникают различия. Как процесс копирования ДНК во время деления клеток, так и воздействие мутагенов окружающей среды могут приводить к мутациям в соматических клетках. В некоторых случаях такие мутации приводят к раку, потому что они заставляют клетки быстрее делиться и вторгаться в окружающие ткани. В некоторых лимфоцитах иммунной системы человека рекомбинация V (D) J генерирует различные геномные последовательности, так что каждая клетка продуцирует уникальное антитело или рецепторы Т-клеток.

Во время мейоза диплоидные клетки дважды делятся с образованием гаплоидных зародышевых клеток. Во время этого процесса рекомбинация приводит к перетасовке генетического материала из гомологичных хромосом, так что каждая гамета имеет уникальный геном.

Полногеномное перепрограммирование

Общегеномное перепрограммирование в первичных половых клетках мышей включает стирание эпигенетического импринта, ведущее к тотипотентности . Перепрограммированию способствует активное деметилирование ДНК , процесс, который влечет за собой путь репарации эксцизией оснований ДНК . Этот путь используется для удаления метилирования CpG (5mC) в первичных половых клетках. Стирание 5mC происходит за счет его превращения в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC) за счет высоких уровней десять-одиннадцати ферментов диоксигеназы TET1 и TET2 .

Формы синдрома Дауна

Наиболее частый вариант – появление дополнительной хромосомы в двадцать первой паре по ненаследственному пути. Он обусловлен тем, что во время мейоза эта пара не расходится по веретену деления. У пяти процентов заболевших наблюдается мозаицизм (дополнительная хромосома содержится не во всех клетках организма). Вместе они составляют девяносто пять процентов от общего количества человек с этой врожденной патологией. В остальных пяти процентах случаев синдром вызван наследственной трисомией двадцать первой хромосомы. Однако рождение двух детей с этим заболеванием в одной семье незначительно.

ДНК как носитель генов

В 1940-е годы американский биолог Освальд Эвери из Рокфеллеровского института доказал, что дезоксирибонуклеиновая кислота, которая присутствует в ядре клетки, является физическим носителем генетической информации. В экспериментах с пневмококками он установил, что только ДНК, а не белок или другие компоненты, передает признаки от бактерий к их наследникам.

Первые фото ДНК удалось получить только в 1953 году Розалинд Франклин и Морису Уилкинсу. На их основе Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик разработали модель молекулы двухцепочечной спирали ДНК, а также сформулировали теорию генетической репликации – создания двух дочерних ДНК от материнской клетки.

Всё это привело к появлению главной догмы молекулярной биологии. РНК (рибонуклеиновая кислота, одинарная цепочка) транскрибируется с ДНК: ДНК выступает в качестве базы, с которой на РНК переносится информация. При этом белки транслируются с РНК. Обратный процесс (когда ДНК создается по РНК) происходит только в некоторых вирусах, например, в ВИЧ (вирусе иммунодефицита человека).

ДНК состоит из четырех различных нуклеотидов: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т). Они образуют спаренные основания: ЦГ, АТ, ГЦ, ТА. Противоположные основания в спирали ДНК связаны водородными связями.

Что такое мутация

При репликации (копировании) ДНК очень редко, но всё же могут возникать ошибки. Их называют мутациями. Ученые подсчитали, что представитель каждого нового поколения несет в своем геноме 1-2 новых мутации.

Обычно мутации возникают из-за повреждения ДНК в процессе копирования. Они могут привести к хромосомным аномалиям: когда достаточно большие участки хромосомы дублируются, удаляются или перегруппируются.

В результате мутаций белки начинают синтезироваться неправильно. В целом в организмах есть механизмы «ремонта» ДНК после мутаций или уничтожения клеток-мутантов, но они не всегда срабатывают.

Если мутации происходят в половой клетке, у плода могут неправильно сформироваться целые органы и системы. Если в обычной клетке, то могут появиться доброкачественные или злокачественные образования.

С другой стороны, отдельные мутации оказывались удачными. Они сыграли важную роль в процессе естественного отбора и привели к созданию более выносливых и приспособленных организмов.

Что такое геном?

У большинства организмов в каждой клетке множество генов. Они работают не каждый сам по себе, а взаимодействуя друг с другом. Скажем, у львиного зева есть один ген, который определяет белую окраску лепестков, а другой – их красный цвет. Если оба эти гена оказались у одного растения, его цветы будут розовыми.

Гены могут подавлять или усиливать действие друг друга. Так, есть группа генов, которая определяет насыщенность кожи людей пигментом меланином. Чем больше у конкретного человека таких генов, тем темнее у него кожа. В общем, есть смысл говорить о геноме – совокупности генов одного организма (часто вместо этого используют термин «генотип»). Размеры генома очень различаются. Есть вирусы, у которых всего 2–3 гена; у человека же 20–25 тысяч пар активных генов.

Эволюция генома

Геномы — это больше, чем просто сумма генов организма, и они обладают характеристиками, которые можно измерить и изучить без привязки к деталям каких-либо конкретных генов и их продуктов. Исследователи сравнивают такие характеристики, как кариотип (число хромосом), размер генома , порядок генов, систематическая ошибка использования кодонов и GC-контент, чтобы определить, какие механизмы могли привести к появлению большого разнообразия геномов, существующих сегодня (последние обзоры см. В Brown 2002; Saccone and Pesole 2003; Benfey and Protopapas 2004; Gibson and Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005).

Дубликаты играют важную роль в формировании генома. Дупликация может варьироваться от удлинения коротких тандемных повторов до дублирования кластера генов и вплоть до дублирования целых хромосом или даже целых геномов . Такие дупликации, вероятно, имеют фундаментальное значение для создания генетической новизны.

Горизонтальный перенос генов используется для объяснения того, почему часто существует крайнее сходство между небольшими частями геномов двух организмов, которые в остальном очень отдаленно связаны. Горизонтальный перенос генов, по-видимому, распространен среди многих микробов . Кроме того, эукариотические клетки, похоже, испытали перенос некоторого генетического материала из своих хлоропластных и митохондриальных геномов в свои ядерные хромосомы. Последние эмпирические данные показывают, что вирусы и субвирусные РНК-сети играют важную роль в создании генетической новизны и естественного редактирования генома.

В художественной литературе

Работы в жанре научной фантастики демонстрируют озабоченность по поводу доступности последовательностей генома.

Роман Майкла Крайтона 1990 года « Парк юрского периода» и последующий фильм рассказывают историю миллиардера, который создает тематический парк клонированных динозавров на отдаленном острове, что привело к катастрофическим последствиям. Генетик извлекает ДНК динозавров из крови древних комаров и заполняет пробелы ДНК современных видов, чтобы создать несколько видов динозавров. Теоретика хаоса просят высказать свое экспертное мнение о безопасности проектирования экосистемы с динозаврами, и он неоднократно предупреждает, что результаты проекта будут непредсказуемыми и в конечном итоге неконтролируемыми. Эти предупреждения об опасностях использования геномной информации — основная тема книги.

Действие фильма 1997 года « Гаттака» происходит в футуристическом обществе, где геномы детей спроектированы таким образом, чтобы содержать наиболее идеальную комбинацию черт их родителей, а такие показатели, как риск сердечных заболеваний и прогнозируемая продолжительность жизни, документируются для каждого человека на основе его генома. Люди, рожденные вне программы евгеники, известные как «недействительные», страдают от дискриминации и переходят к черным профессиям. Главный герой фильма — Недействительный, который пытается преодолеть предполагаемые генетические разногласия и осуществить свою мечту о работе космическим навигатором. Фильм предостерегает от будущего, в котором геномная информация питает предрассудки и крайние классовые различия между теми, кто может и не может позволить себе генетически модифицированных детей.

Вирусные геномы

могут состоять из РНК или ДНК. Геномы РНК-вирусов могут представлять собой одноцепочечную или двухцепочечную РНК и могут содержать одну или несколько отдельных молекул РНК (сегменты: одно- или многослойный геном). ДНК-вирусы могут иметь одноцепочечный или двухцепочечный геном. Большинство геномов ДНК-вирусов состоят из одной линейной молекулы ДНК, но некоторые из них состоят из кольцевой молекулы ДНК. Существуют также вирусные РНК, называемые одноцепочечной РНК: она служит матрицей для синтеза мРНК, а одноцепочечная РНК: служит матрицей для синтеза ДНК.

Вирусная оболочка — это внешний слой мембраны, который вирусные геномы используют для проникновения в клетку-хозяина. Некоторые классы вирусной ДНК и РНК состоят из вирусной оболочки, а некоторые нет.

Урок 49. Основные понятия генетики.

1. Прочитайте внимательно главу, проверьте себя, записав определения следующих понятий. Ген – участок молекулы ДНК, определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы. Локус – место локализации конкретного гена в определенной мест хромосоме Аллельные гены – это гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом и ответственные за развитие одного признака. Мутации – это стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) преобразование генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Фенотип – совокупность внешних и внутренних признаков организма. Генотип – это совокупность генов, полученных от родителей. Признак – это любая особенность строения организма, на каждом из уровней организации, за исключением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Свойство – это любая функциональная особенность организма, в основе которой лежит структурный признак или группа элементарных признаков.

2. Найдите в главе сведения о специализированных и неспециализированных клетках многоклеточных организмов, заполните таблицу. Сделайте вывод о степени специализации различных клеток.

Вывод: клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, как специализированные, так и нет, несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития.

3. Прочитайте фрагмент главы об обозначении генов в хромосомах. Схематично обозначьте хромосомы и покажите место расположения аллельных генов на гаплоидном и диплоидном наборах.

Гаплоидный материнский и отцовский (половые клетки, сверху) и диплоидный (снизу).

4. Найдите в главе определение генотип, данное генетиком М. Е. Лобашевым. Объясните, почему генотип нельзя назвать механической суммой генов. Возможность проявления гена и форма его проявления зависят от условий окружающей среды. В понятие среды входят не только условия, окружающие клетку, но и другие гены (генотипическая среда). Т. о. генотип – система взаимодействующих генов.

5. Почему внимательное наблюдение за проявлением признаков в ряду поколений помогает обнаруживать и изучать проявление закономерностей наследственности и изменчивости? В пределах вида все организмы не похожи друг на друга, существует индивидуальная изменчивость между организмами. Изучением причин и форм изменчивости занимаются генетики. Они имеют дело не непосредственно с генами, а с результатами их проявления – признаками и свойствами. На протяжении поколений удобно отслеживать закономерности наследственности и изменчивости.

6. Какие признаки любого организма (растительного или животного, а также организма гриба) могут быть отнесены к разряду биологических? Приведите примеры. Фенотипические – это как внешние признаки (цвет глаз, окраска цветков, форма носа), так и биохимические (форма молекулы белка или фермента, концентрации мочевины или глюкозы), гистологические (форма и размеры клеток, строение тканей или органов), анатомические (строение и взаимное расположение органов) и т.д.

Клиника

Человека с синдромом Дауна можно узнать по характерным внешним признакам, вот некоторые из них:

— уплощенное лицо; — укороченный череп (поперечный размер больше продольного); — кожная складка на шее; — складка кожи, которая прикрывает внутренний угол глаза; — чрезмерная подвижность суставов; — сниженный тонус мышц; — уплощение затылка; — короткие конечности и пальцы; — развитие катаракты у детей старше восьми лет; — аномалии развития зубов и твердого неба; — врожденные пороки сердца; — возможно наличие эпилептического синдрома; — лейкозы.

Но однозначно поставить диагноз, основываясь только на внешних проявлениях, конечно, нельзя. Необходимо провести кариотипирование.

Способы снижения гомоцистеина

Повышенный уровень гомоцистеина требует пристального внимания и шагов, по его уменьшению с помощью диеты, образа жизни, приему различных препаратов, восстановлению функций почек.  Вот ключевые факторы, влияющие на уровень гомоцистеина.

Витамины группы В и фолиевая кислота

Лучший способ предотвратить повышение уровня гомоцистеина – это обеспечить свой организм адекватным количеством фолиевой кислоты, витамина В12 и витамина В6.

Это можно сделать с помощью продуктов питания, так как диета, содержащая фрукты, овощи, темную листовую зелень, яйца и красное мясо, должна обеспечить достаточное количество витаминов группы В, необходимых для поддержания гомоцистеина на здоровом уровне. Однако у людей с повышенным уровнем гомоцистеина прием препаратов с фолиевой кислоты, витаминами B6 и B12 может нормализовать уровень гомоцистеина.

ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ГОМОЦИСТЕИНА ()

Фолиевая кислота расщепляется ферментом MTFHR в 5-метилтетрагидрофолат, который поставляет метильную группу, необходимую для метаболизма гомоцистеина в метионин.  5-метильтетрагидрофолат (5-МТГФ) – активная форма фолиевой кислоты. Исследования показали, что добавки с 5-МТГФ обеспечивает защиту от опасностей высокий уровень гомоцистеина.

Например, одно исследование показало, что примем 5-МТГФ в дозе 113 мкг/сут снижал уровень гомоцистеина в среднем на 14,6%.

При снижении уровня гомоцистеина важно принимать 5-MTГФ, который почти в 7 раз мощнее, чем обычная фолиевая кислота для увеличения уровня этой кислоты в крови. . В научных исследованиях получение 5-МТГФ в дозах 1.000 – 5.000 мкг/сут помогало добиться желаемого снижения концентрации гомоцистеина в плазме

В научных исследованиях получение 5-МТГФ в дозах 1.000 – 5.000 мкг/сут помогало добиться желаемого снижения концентрации гомоцистеина в плазме.

Холин и бетаин

Дефицит метиловой группы увеличивает уровни гомоцистеина, поэтому получение дополнительных веществ – метиловых доноров, таких как холин и бетаин, может уменьшить уровни гомоцистеина. У крыс высокий уровень гомоцистеина мог быть снижен при получении добавок с холином и бетаином.

Эстроген

Высокие показатели эстрогена связаны с более низким средний уровнем гомоцистеина.  Действительно, при беременности, пременопаузе и постменопаузе у женщин, находящихся на заместительной терапии эстрогенами, в крови определяются более низкие уровни гомоцистеина. 

Эта взаимосвязь между эстрогеном и гомоцистеином может объяснить, почему мужчины в показывают более высокий уровень гомоцистеина, чем женщины.

Это также объясняет, почему терапия эстрогенами снижает риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Физическая нагрузка

В эксперименте на крысах со злокачественной опухолью, силовая тренировка улучшала метаболизм гомоцистеина и помогала печени лучше регулировать увеличенный окислительный стресс. Упражнения предотвратили рост гомоцистеина, который был бы вызван опухолью, а также способствовали увеличению глутатиона.

Геном

Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная как ДНК. Все геномы содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии организма. Сами гены занимают небольшую часть генома, но при этом являются его основой. Информация, записанная в генах, — своего рода инструкция для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в нем присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть будто бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам в настоящий момент, когда заходит речь о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены.

Всё началось с гороха

Аббат Грегор Мендель, австрийский ботаник и биолог, заметил, что потомство не всегда повторяет признаки, которыми обладали родители. Чтобы понять взаимосвязь, Мендель стал выращивать горох, скрещивать различные растения и отслеживать частоту наследования признаков.

Мендель доказал, что отдельные признаки (цвет, форма цветка и т.д.) могут наследоваться независимо. Он вывел теорию доминантных и рецессивных признаков, описал явление прерывистого наследования, математически интерпретировал результаты своих экспериментов.

Труды Менделя впервые опубликовали в 1866 году. Именно его считают основоположником генетики.

До этого ученые считали, что родительские признаки смешиваются подобно жидкости и потомки наследуют именно такой «коктейль». Теория пангенезиса, которую Чарльз Дарвин сформулировал в 1868 году, также следует этой концепции.

Впрочем, Дарвин считал, что «коктейль» состоит из мельчайших отдельных частиц – геммул. Они смешиваются во время зачатия. В целом ученый был недалек от истины.

Собственно термин «ген» в 1909 году ввел Вильгельм Йоханнсен. До этого признаки называли пангенами.

Размер и структура генома

По соотношению между размерами генома и числом входящих в него генов можно выделить два класса:

1. Компактные геномы, имеющие не более десяти миллионов оснований. У них совокупность генов строго коррелирует с размером. Наиболее характерны для вирусов и прокариотов.
2. Обширные геномы состоят более чем из 100 миллионов пар оснований, не имеющих взаимосвязи между их длиной и количеством генов. Чаще встречаются у эукариотов. Большинство нуклеотидных последовательностей в этом классе не кодируют белков или РНК.

Исследования показали, что в геноме человека находится около 28 тысяч генов. Они неравномерно распределены по хромосомам, но значение этого признака остается пока загадкой для ученых.

Современные представления о гене и геноме

Ген — материальная единица хранения и передачи наследственной информации. По современным представлениям, это участок макромолекулы ДНК. Одни гены являются структурными — кодируют первичную структуру белковых молекул, строение РНК. Регуляторные гены вызывают активизацию считывания информации или подавляют этот процесс.

Для передачи информации служит генетический код. Так называют соответствие между тремя последовательными нуклеотидами (триплетами) и аминокислотами в белках. Гены идут последовательно в молекулах ДНК, из которых формируются хромосомы. Совокупность генов организма или генотип обуславливает проявление большинства внешних и внутренних признаков живого существа.

В клетках организма человека насчитывается по приблизительным подсчетам от 30 до 120 тыс. элементарных единиц наследственности. Огромное количество и разнообразие генов «упаковано» в нити и спирали ДНК. Хромосом в кариотипе значительно меньше — 22 пары аутосом и пара половых хромосом.

Гены и хромосомы

Когда между гомологичными хромосомами происходит конъюгация, возможен обмен аллельными генами (кроссинговер). Изучение этого явления позволяет точно установить расположение каждого гена в хромосоме. На основе экспериментов были созданы хромосомные карты многих видов живых существ. Такие исследования проведены для гороха, дрозофилы, томата, мыши.

Проект «Геном человека» стартовал в 1989 году. На первом этапе ученые определяли полную последовательность нуклеотидов в человеческой ДНК. Работу удалось выполнить в течение 10 лет. В ходе исследования ученые обнаружили много ранее неизвестных генов. Предстоит подробнее изучить их роль в организме.

В 2000 году официально объявили, что расшифрована последовательность нуклеотидов всех хромосом человека. Изучение строения и поведения хромосом, генов позволит добиться успеха в лечении пока неизлечимых заболеваний. Эти знания помогут определить влияние наследственности на здоровье и продолжительность жизни конкретного человека.

У большинства людей в течение жизни проявляются наследственные болезни или выявляется предрасположенность к каким-либо нарушениям здоровья. Известно более 5 тыс. наследственных патологий, это число с каждым годом увеличивается. Не последнюю роль играют мутагены — факторы, повышающие вероятность развития мутаций. Это радиоактивность, токсичные вещества, электромагнитные волны и др.

Изучение генов — это прямой путь к созданию новейших методов диагностики, эффективному лечению наследственных заболеваний. Расшифровка последовательности ДНК позволяет определить генетическую совместимость при трансплантации. Пересадку органов можно будет выполнять успешнее, результативнее. Уже проводятся исследования возможности «улучшения» человека с помощью методов генетики.

Полученные знания о структуре генома человека оказались важны для палеонтологии, археологии, антропологии. Более точными станут выводы ученых об эволюции жизни на Земле, происхождении человека, путях миграций в древности и возникновении народов.

Смотри также:

• Генетика, ее задачи
• Наследственность и изменчивость – свойства организмов
• Методы генетики 
• Основные генетические понятия и символика
• Закономерности наследственности, их цитологические основы

Что такое ген?

«На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха.

Мендель показал, что наследст­венные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособлен­ных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются по­следующим поколениям в мужских и женских га­метах, каждая из которых содержит по одной едини­це из каждой пары. В 1909 году датский ботаник Иогансен назвал эти единицы генами. В 1912 году генетик из Соединенных Штатов Америки Морган показал, что они находятся в хромосомах.

С тех пор прошло больше полутора веков, и исследования продвинулись дальше, чем Мендель мог себе представить. На данный момент ученые остановились на мнении, что информация, находящаяся в генах, определяет рост, развитие и функции живых организмов. А может быть, даже и их смерть.