Заключение

Изучение бактериальных геномов продолжается около 50 лет, но существенный вклад внесла информация, полученная за последние 10 лет при анализе полных нуклеотидных последовательностей. К настоящему времени полному секвенированию подвергнуты геномы более 400 видов прокариот. Данные о размерах геномов, количестве генов и их плотности показывают, что качественные различия между геномами прокариот и простейших эукариот не столь велики. Методы структурного, функционального и компьютерного анализа, разработанные при изучении геномов прокариот, заложили основу для анализа сложных эукариотических геномов, в том числе генома человека.

Анализ структуры геномов прокариот показал неприменимость общей концепции эволюции геномов, разработанной для эукариот. Дупликация полных геномов или их протяженных участков в качестве основы эволюции геномов у прокариот не просматривается. В то же время у них имеет место дупликация и амплификация небольших фрагментов генома, сравнимых по размеру с генами. Сравнение геномов бактерий предоставляет доводы в пользу того, что в эволюции существует горизонтальный перенос генов. Полученные результаты имеют важное прикладное значение для биотехнологии и медицины, а также вносят существенный вклад в расширение наших фундаментальных знаний о природе живого.

Лекция 4 Геномика эукариот

К подимперии эукариот (Eucaryota) относятся представители империи клеточных организмов (Cellulata), у которых ядро полностью обособлено от цитоплазмы, имеется ядерная оболочка, а ядерная ДНК расположена в форме линейных хромосом.

У эукариот (грибов, водорослей, простейших, высших растений, животных) различают две группы: одноклеточные и многоклеточные организмы. Чередование поколений у них происходит при размножении, которое в разных таксонах может осуществляться как половым, так и бесполым путем.

В аспекте геномики в данной главе будут рассмотрены несколько видов из разных таксономических групп эукариот, геномы которых изучены более досконально. К ним относятся пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, травянистое растение резуховидка Arabidopsis thaliana, нематода Cacnorhabditis elegans, плодовая мушка Drosophila melanogaster, рис Oryza sativa, домовая мышь Mus musculus и человек Homo sapiens.

Геном пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Этот одноклеточных грибов относится к классу Ascomycetes (сумчатые грибы). Дрожжевая клетка осдержит ядро, окруженное ядерное мембраной, и другие органеллы – митохондрии, плазмиды двх типов.

Данный низший эукариотический организм является наиболее изученным в биохимическом и генетическом аспекте. Для него применимо большинство методов работы с бактериальными культурами. У пекарских дрожжей подробно изучен клеточный цикл, включающий почкование диплоидных и гаплоидных клеток с наличием митоза. Клетки гаплоидных штаммов экспрессируют гены половых феромонов а и α (альфа), определяющих клетки противоположных типов спаривания. При их копуляции образуются диплоидные клетки (2n = 32). В определенных условиях диплоидные клетки претерпевают мейоз, в результате которого образуются 4 гаплоидные аскоспоры. После прорастания каждая спора дает начало отдельному гаплоидному клону со специфическим генотипом и фенотипом. К недостаткам дрожжей как генетического объекта относятся малые размеры хромосом — они практически невидимы в световом микроскопе, что исключает возможность проведения цитогенетических исследований. Генетический анализ мутантных штаммов позволил составить подробную генетическую карту по 16 группам сцепления с локализацией более 400 генов.

Дрожжи S. cerevisiae стали первым эукариотическим организмом, у которого в 1996 г. была определена полная нуклеотидная последовательность. Суммарное содержание ДНК в гаплоидном ядре составило 12 млн 68 тыс. п. н., Молекулярная масса 1,2-10¹⁰ Da. Это количество всего в 3 раза превышает содержание ДНК у бактерии Е. coli (4.639 млн п. н.). У многих представителей эукариот размер генома превышает размер S. cerevisiae на 2-3 порядка величин. Хромосомы дрожжей по содержанию нуклеотидов находятся в пределах от 250 до 2200 тыс. п. н. Предполагаемое число генов составило 6102, а при анализе нуклеотидной последовательности выявлено 6034 потенциальных ORF.

Относительно небольшой размер генома дрожжей объясняется небольшим числом генов (4 %) с интронами, а также низким содержанием повторяющихся последовательностей в составе ДНК. В то же время на хромосоме XII идентифицирован кластер генов рРНК с многократно повторяющимися последовательностями ДНК. Таких тандемно повторяющихся единиц генов рРНК приходится по 100-140 копий на гаплоидную клетку. Длина каждой единицы составляет 9 тыс. п. п., при этом в нее входят четыре гена, кодирующие 25S, 18S, 5,8S и 5S рРНК. Рибосомные РНК с константами седиментации 5,8S, 18S и 25S берут начало из общего высокомолекулярного предшественника — 35S РНК, тогда как 5S рРНК независимо транскрибируется с другой цепи ДНК.

Как и все эукариоты, клетки дрожжей содержат митохондрии с митохондриальной ДНК (мт ДНК) в виде молекулы кольцевой формы с молекулярной массой около 50 мДа (или 75 тыс. п. п.). На гаплоидную клепсу приходится от 10 до 40 копий мтДНК, при этом мтДНК не связана с гистонами.

Большинство (около 75 %) лабораторных штаммов S. cerevisiae содержат плазмиды — внехромосомные кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, которые названы Scp 1. В гаплоидной клетке может содержаться от 30 до 200 копий Scp 1. Функции плазмид в клетках дрожжей не выяснены, но предполагают, что жизненно важных функций клетки Scp 1 не кодирует. Длина ДНК Scp 1 равна 6318 п. н. На ней картированы четыре гена — FLP, REP1, REP2 и RAF, белковые продукты которых участвуют в поддержании плазмиды.

После полной расшифровки генома дрожжей S. cerevisiae С. Филдс с сотрудниками (1997) предприняли широкие исследования по выявлению генов дрожжей, белковые продукты которых взаимодействуют между собой in vitro в масштабе полного генома. Для охвата всего генома необходимо было клонировать 6102 ORF дрожжей с помощью нового методического подхода с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР). В реальном эксперименте с помощью ПЦР удалось успешно амплифицировать 6040 ORF S. cerevisiae (99,1 %). Проведенный глобальный анализ С. Филдсом с большой группой сотрудников (2000) белок-белковых взаимодействий для подавляющего большинства потенциальных ORF дрожжей показал возможности экспериментальной молекулярной генетики в изучении функционирования сложных геномов как на уровне транскрипции генов, так и на уровне белок-белковых взаимодействий.