2.3.3.4. Геном человека
Всестороннее исследование генома человека обеспечивает международная программа «Геном человека» (Human Genome Project), которая начала работу в 1990 году, первый отчет по проекту «Геном человека» был сделан в 2000 году, окончательный в 2003г.
Общее количество ДНК в 46 хромосомах в соматической клетке человека составляет 2м длины и 6,4х109 пар оснований, следовательно, в гаплоидной – 3,2х109 пар оснований. Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (99,5%), т.е. составляет ядерную ДНК. Внехромосомная часть генома человека – это ДНК митохондрий (0,5%) и отдельных кольцевых ДНК в ядре и цитоплазме. Структурные классы ДНК представлены на схеме 4.
Проект «Геном человека» (ПГЧ) включает следующие задачи:
1. Составление генетической карты каждой хромосомы (определение положения гена или мутации в хромосоме); (рис)
2. Составление физических карт (отражают расстояние м/у маркерами) низкого разрешение каждой хромосомы и физических карты высокого разрешение всего генома.
3. определение полной первичной структуры (секвенирование) всей ДНК генома человека.
4. Определение положения всех генов и их функций.
Кроме того, разработку новых, более эффективных методов технологии секвенирования, анализ естественных вариаций генома человека, в частности, полиморфизма единичных нуклеотидов (SNP- Single Nucleotide Polymorphism) –самого известного из полиморфизмов; создание карты SNP (в геноме человека – 2,5 млн. SNP, лежащих в основе различий между особями); развитие исследований последовательностей, не кодирующих белки.
Проект положил начало созданию новых программ:
1. Environmental Genome Project – изучает взаимодействие между генами и средой. Это новая область генетики включает в себя фармакогенетику, нутригенетику, токсикогенетику, психогенетику, иммуногенетику, экогенетику и др. и называется генетикой взаимодействий или «Новая генетика».
Схема 4.
2. Проект ECNJS –изучает условия и механизмы предотвращения развития онкозаболеваний (85-96% всех раковых заболеваний не являются наследственными и спровоцированы внешней средой).
3. Проект EROGENETEST- занимается вопросами разработки критериев контроля качества генетического тестирования.
4. Проект ПРГЧ – исследования разнообразия генома человека. Продолжает программу «Геном человека» и изучает проблемы происхождения популяций, субпопуляций. Миграции с целью создания генеалогического дерева человека, решение проблемы происхождения человека, его распространения и эволюции.
Результатом завершения программы «Геном человека» является разработка трех новых стратегий развития генетики: генетика для медицины (перенатальная диагностика, наследственные болезни), генетика для здоровья (предупреждение болезней) и генетика для общества (обучение врачей и широкой общественности). Руководитель проекта профессор Ф.Коллинз официально объявил об открытии «постгеномной эры» - эры повсеместного применения генетических знаний.
25% ДНК – это повторяющиеся последовательности которые встречаются в геноме в различной частоте копий.
Последовательности нуклеотидов ДНК – гены, кодирующие белки у человеке менее 2% генома, 20%-последовательности кодирующие РНК, 13% -интроны и межгенные участки. Остальная часть генома представлена не кодирующими последовательностями. Повторяющиеся последовательности включают:
1 - 4 класса элементов ДНК, возникших из транспозонов: последовательности SINе, LINе, LТR-транспозоны (ретровирусподобные) и ДНК-транспозоны;
2) повторы, состоящие из 2-3 нуклеотидов;
3) дупликации больших сегментов ДНК из разных частей генома.
Большая их часть возникла из обратнотранскрибируемой ДНК, и, по-видимому, большинство представляют собой паразитические самопроизводящиеся элементы ДНК, имеющие свои промоторы. Повторы могут быть местом, где создаются гены с новыми функциями и происходит перестройка генов. У человека все паразитические повторы ДНК кажутся старыми, нет доказательств их эволюции.
В программе «Геном человека» самым важным является обнаружение генов в секвенированных последовательностях генома. Для генома человека установлено 31780 белок- кодирующих генов (Междунар. консорциум) и 39114 генов (Целера Геномикс), и низкая плотность генов и различное число экзонов и интронов (от 0 у гистонов до 234 у белка титана).
Сотни генов вероятно получены человеком в результате горизонтальный передачи от бактерий. 6500 генов установлены экспериментально (по функции продукта, наличию мутаций, тканеспецифичности и т.д.). Хромосомная локализация выявлена для около 20 тыс. генов (из них 740 генов РНК).
Плотность генов в геноме человека ниже, чем у других видов: 106н.п. у дрожжей приходится 483 гена, у дрозофилы – 117, у человека – 7 генов, в 16 хромосоме – 16, в среднем на геном – 12 генов. У человека гены отличаются большей сложностью: большее число доменов и комбинациями доменов.
Типичный ген человека включает и примерно 28 тыс. п.н., и имеет 8 экзонов и кодирует 447 аминокислот. Самый большой – ген мышечного белка дистрофина (2,4х106п.н.). для белка титина установлена последовательность из 27 тыс н.п. и 234 экзонов. Это самое большое количество экзонов в геноме человека.
Для генов человека характерно большая протяженность интронов, 35% генов считываются с разных рамок, 45% РНК подвержены альтернат. сплайсингу.
Самое большое количество генов человека обеспечивают: иммунную защиту, развитие нервной системы, функционирование сигнальных молекул, ионных каналов, цитоскелета, поддержание гомеостаза, обеспечение матричных процессов синтеза информационных макромолекул.
Большая часть белков человека имеет доменную структуру.
Идентифицированы гены практически всех наиболее часто встречаемых (320) и сравнительно редких (около 170) наследственных заболеваний, 130 онкогенов. Общее количество генов обеспечивающих развитие наследственных болезней составляет 1400.
Гены распределены по 24 хромосом и располагаются плотно (богатые генами участки), которые разделены бедными генами («генные пустыни») участки. Наибольшую плотность имеет хромосом 19, наименьшую 13 хромосома и У-хромосома. Различается плотность и в хромосомах: в 21 хромосоме в длинном плече плотность в проксимальном отделе составляет 1 гена на 304 т.п.н, а в дистальном – 1 на 64 т.н.п., в других участках длинного плеча генов практически нет (рис.146).
Для генома человека установлены функции 60% генов (рис.147).
Частью сведений о геноме человека наряду с сиквенсом являются генетические и физические карты хромосом. Генетические карты (рис.148) – это схемы, отражающие порядок расположения всех генов человека, особенно генов наследственных болезней, других генетических элементов. Генетическое расстояние между генами измеряется в сантиморганидах (сМ); одна сМ – это такое минимальное расстояние между генами, при котором кроссинговер возможен у 1% гамет и соответствует частоте рекомбинаций между двумя локусами равной 1%. Длина генома человека равна примерно 3000-3500 сМ.
Физические карты – это схемы хромосом, отражающие физическое расстояние между генами выражаемое в парах нуклеотидов. На хромосомах после дифференциального окрашивания выявляются поперечные диски(бэнды) (рис.148). Размер небольшого диска равен приблизительно 1 млн н.п. на физических картах.
Рис.146. Организация, число и строение генов на 2х участках