Лекция 6 Разделы геномики

В последнее десятилетие определена полная нуклеотидная последовательность геномов у большого числа видов вирусов, прокариот (эубактерий и архебактерий), ряда низших эукариот и модельных представителей растений и животных. У многих объектов секвенированы субгеномы хлоропластов и митохондрий. Сравнительный анализ отдельных групп генов и целых геномов оказал революционизирующее влияние на развитие всех основных направлений современной биологии, филогенетики, таксономии и теории эволюции. Осуществлено создание концептуальной схемы универсального филогенетического древа жизни (Woesc et al., 1990; Woese, 2000), состоящего из трех доменов — эубактерий, архебактерий и эукариот, которые ведут свое начало от единого гипотетического корневого предка — прогенота. Итоговым достижением эры геномики явилось секвенирование полного генома человека, реакцией на которое явилось начало процесса так называемой «геномизации человечества».

Дальнейшее развитие геномных исследований и их методологии происходит по следующим направлениям:

• структурная (описательная) геномика;

• функциональная геномика и биоинформатика;

• сравнительная (эволюционная) геномика;

• экологическая геномика и нутригеномика;

• метагеномика.

Далее мы представим краткую характеристику каждого из этих направлений.

1. Структурная (описательная) геномика

В задачи этого направления входит:

• секвенирование полных геномов;

• анализ структуры генома;

• оценка структуры изохоров — участков ДНК длиной около 300 т. п. н., различных по таксономическому положению организмов, но сходных по нуклеотидному составу;

• выделение и описание генов;

• определение нуклеотидной ассиметрии комплементарных нитей ДНК.

Метод секвенирования представляет собой грандиозную техническую задачу по структурному анализу ДНК. Его осуществили Международный консорциум (International Human Genome Sequencing = IHGSC) во главе с Френсисом Коллинзом, а также коммерческая организация Celera Genomics во главе с Крэйгом Вентером. Они использовали разные методические подходы. Селера применила метод дробления (англ. shotgun). При этом ДНК дробили на небольшие фрагменты, у каждого из которых по несколько раз определяли последовательность нуклеотидов. Затем с помощью компьютерной программы выстраивали целую хромосому из фрагментов. Тактика Международного консорциума сводилась к тому, что фрагменты молекулы ДНК выстраивали и делали карту, по которой проводилось секвенирование.

Основополагающая единица наследственности — ген — кодирует структуру белковой молекулы, отсюда оформилось название «структурный ген». Выяснено, что не все гены кодируют белки (полипептидные цепи). К ним относятся гены, кодирующие так называемые стабильные РНК — это гены рибосомной РНК (рРНК) и транспортной РНК (тРНК). Еще одна разновидность представлена регуляторными элементами — участками ДНК, необходимыми для транскрипции структурных генов. К этим участкам присоединяются либо РНК-полимеразы, либо специальные белки, регулирующие транскрипцию. Имеются следующие представители регуляторных элементов:

• промоторы (к ним присоединяются РНК-полимераза, чтобы начать транскрипцию);

• терминаторы (на таких участках РНК-полимераза кончает транскрипцию);

• операторы (к ним присоединяются белки-репрессоры, выключающие работу РНК-полимеразы);

• энхансеры и сайленсеры (участки ДНК, к которым присоединяются особые белки, изменяющие скорость транскрипции и, тем самым, скорость синтеза белков).