Лекция 1

Введение в геномику. Геном человека, основные черты организации. Методы изучения генома человека

План лекции:

1. Что такое геном человека (введение, история создания проекта «Геном человека»).

2. Структура и классификация последовательностей генома человека.

3. Состав хромосом человека: эухроматин и гетерохроматин.

4. Теломерные районы хромосом, их генетический состав и функциональная характеристика.

5. Биологическое значение концевой недорепликации теломерных районов.

6. Защитные механизмы концевой недорепликации.

7. Классификации генов:

Что такое геном человека

21 век – это эра геномики – время, когда последовательность ДНК в геноме человека определена почти полностью, время, когда анализируется роль тысяч генов человека в норме и при болезнях. Наступает время персонифицированной медицины – когда изучение небольших вариаций во многих генах приведет к выявлению индивидуальной предрасположенности человека к той или иной патологии.

1 - Молекулярная медицина,

2 – болезни моногенные и наследственно обусловленные

3 - медицинская геномика (онкогеномика, психогеномика, генетика старения, спортивная медицина, фармакогеномика…)

4 – длина ДНК – 3,2 млрд, 30 тыс генов и т.д.

Важнейшие события генетики 20 века – база программы «Геном человека»:

1. Открытие двойной спирали ДНК (Дж.Уотсон, Фр.Крик, 1953)

2. Выделение эмбриональных стволовых клеток человека (1998)

3. Расшифровка генома человека (2001-2003)

Решающим достижением молекулярной биологии стала разработка методов секвенирования ДНК в 1977 г. Международный проект Геном человека официально стартовал в 1990 году. Огромный вклад внесли ученые США, Великобритании, Франции, Германии, Японии и Китая. К 2001 г. просеквенировано 90% с точностью 99,99%. К 2003 г. секвенировано 99% генома человека. Осталось около 400 брешей.

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК.

Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,2 млрд пар оснований^[1].

Первостепенная задача каталогизация генов, анализ их функций, что будет более сложным проектом, чем секвенирование генома.

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Вообще слово «геном» относится к общему содержанию ДНК у данного вида (ядерная – 46 линейных молекул) и митохондриальная – 2-6 кольцевых молекул), включая не только гены, но и всю остальную ДНК. У человека, например, на долю экзонов, кодирующих белки, приходится только 1,25% всего генома. Что же представляет человеческий геном?

Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 30 тыс. активных генов^[2], что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки. Значительную часть межгенной ДНК занимают регуляторные последовательности.

Остальная часть (97%) является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК^[3]. Таким образом, повторяющиеся последовательности занимают до 50% генома.

Хромосомы человека

Хромосома не гомогенна. В ней чередуются участки эухроматина (не плотные участки) и гетерохроматина (более плотный). При дифференциальной окраске по длине хромосомы выявляется ряд окрашенных (гетерохроматин) и неокрашенных (эухроматин) полос. Характер поперечной исчерченности, получаемый при этом, позволяет идентифицировать каждую хромосому в наборе, так как чередование полос и их размеры строго индивидуальны и постоянны для каждой пары.

ЭУХРОМАТИН, вещество хромосомы, сохраняющее деспирализованное (диффузное) состояние в покоящемся ядре и спирализующееся при делении клеток. Содержит большинство структурных генов организма

Гетерохроматин – протяженные участки повторяющихся и высоко конденсированных последовательностей, которые не кодируют никаких белков.

Классификация гетерохроматина:

Факультативный (В зависимости от стадий клеточного цикла, типа клеток, один и тот же участок хромосомы может быть в состоянинии как гетеро-, так и эухроматина. Такие участки хромосом называют факультативным гетерохроматином.

Конститутивный (околоцентромерный, теломерный) Участки, которые всегда уплотнены. Эти участки хромосом содержат тандемно повторяющуюся ДНК (расположенные друг за другом «голова к хвосту»).

Околоцентромерный гетерохроматин состоит из коротких тандемных повторов длиной до 20 п.о., организованных в длинные блоки (по 100-200 тандемов). Блоки образуют ряды длиной от 250 тыс. до 5 млн. пн. Такой тип ДНК называется альфоидной (альфа-сателлитной). Составляют 3% генома. В местах расположения сателлитной ДНК возможна максимальная компактизация, все четыре уровня упаковки ДНК представлены даже в интерфазе. По сателлитной ДНК происходит кроссинговер между гомологичными хромосомами

Теломе́ры (от др.-греч. τέλος — конец и μέρος — часть) — концевые участки хромосом. У большинства эукариот теломеры состоят из коротких тандемных повторов.и содержат тысячи 6-нуклеотидных повторов: у человека - TTAGGG, (для сравнения у всех насекомых — TTAGG, у растений — TTTAGGG). Они повторяются от 250 до 1500 раз.

На 3’-конце теломеры имеют довольно длинный однонитевой участок ДНК (150–200 нуклеотидов), участвующий в образовании петли по типу лассо [10, 11] (рис. 2). С теломерами связано несколько белков, образующих защитный «колпачок» -теломерный комплекс, который предохраняет теломеры от действия нуклеаз и слипания и, видимо, именно он сохраняет целостность хромосомы и защищая всю хромосому от разрушения. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию.

В каждом цикле деления теломеры клетки укорачиваются из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца. ДНК-полимераза может начать синтез цепи только с РНК-праймера. После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры на отстающей цепи удаляются, а пропуски заполняются ДНК-полимеразой. Однако на конце цепи такой пропуск заполняться не может. Поэтому 3’ участки ДНК остаются однонитевыми, а 5’недореплицированными. Следовательно, КАЖДЫЙ РАУНД РЕПЛИКАЦИИ БУДЕТ ПРИВОДИТЬ К УМЕНЬШЕНИЮ КОНЦОВ ХРОМОСОМЫ. Данный феномен носит название концевой недорепликации и является одним из важнейших факторов биологического старения. Так, у новорожденного длина теломер варьирует около 15 тысяч пн при хронических заболеваниях снижается до 5 т.н.п.

Ученые из университета Кардиффа (Cardiff University) установили, что критическая длина человеческой теломеры, при которой хромосомы начинают соединяться друг с другом, составляет 12-13 теломерных повторов^[2]. При таком критическом укорочении теломер нарушается структура хромосом, могут повреждаться прилегающие гены и начинают формироваться хромосомные аберрации, которые часто приводят к малигнизации. Чтобы этого не произошло, специальные молекулярные механизмы блокируют клеточное деление, и клетка переходит в состояние покоя - необратимой остановки клеточного цикла. В результате клетка может умереть или перестать делиться.

Это происходит в большинстве нормальных соматических клеток, которые имеют ограниченную способность к размножению. В состояние такого покоя клетку могут привести многие стимулы — дисфункция теломер, повреждения ДНК, причиной которых могут быть мутагенные воздействия окружающей среды, эндогенные процессы, сильные митогенные сигналы, стрессы и др.

Однако в зародышевых, половых и стволовых клетках имеется специальный фермент – теломераза, способный восстанавливать теломерные последовательности, которые укорачиваются при каждом акте репликации.

Защитные механизмы концевой недорепликации.

Существует специальный фермент — теломераза (РНК+белок), который при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы и удлиняет теломеры. В большинстве дифференцированных клеток теломераза заблокирована, но активна активна в стволовых и половых клетках.

Считается, что реактивация теломеразы — важный этап злокачественных процессов, поскольку это позволяет раковым клеткам «не обращать внимания» на лимит пролиферации. Дисфункция теломер способствует хромосомным слияниям и аберрациям, что чаще всего приводит к злокачественным новообразованиям. Активные теломеразы обнаруживают в 90% раковых опухолей, что обеспечивает неудержимое размножение раковых клеток. Поэтому в настоящее время среди препаратов, которые используют для лечения рака, есть и ингибитор теломеразы.

За открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы в 2009 году присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине австралийке, работающей в США, Элизабет Блекберн (Elizabeth Blackburn), американке Кэрол Грейдер (Carol Greider) и её соотечественнику Джеку Шостаку (Jack Szostack).

Другие классы тандемных повторов являются генами для РНК, например, рибосомальной. Эти гены локализованы в ЯОР 5 пар акроцентрических хромосом.

Другая группа повторов – диспергированные повторяющиеся последовательности, которые разбросаны по всему геному по отдельности, а не тандемно. Они являются подвижными (мобильными) генетическими элементами – ретротранспозонами. 15% генома занимают длинные диспергированные элементы – LINE, 12% - короткие SINE. Эти последовательности производят ферменты – эндонуклеазы, способные делать надрезы в ДНК и встраивать туда свои последовательности. Встраивание МГЭ в ДНК способно нарушить функцию гена. У человека известно около 30 ретротранспозиций, вызывающих болезни. Почему же геном не избавляется от таких опасных участков? Повторяющиеся последовательности и МГЭ являются важным источником ремоделирования генома.

Классификации генов:

1. Кодирующие белки и рнк

Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома^[3].

Кроме кодирующих белок генов человеческий геном содержит тысячи РНК-генов, включая транспортную РНК (tRNA), рибосомную РНК, микро РНК (microRNA) и прочие не кодирующие белок РНК последовательности

2. Гены «домашнего хозяйства» и гены «роскоши».

Все гены разделяют на гены "домашнего хозяйства" и гены "роскоши".

Гены "домашнего хозяйства" кодируют то, что всегда нужно любой клетке независимо от ткани. Гены «домашнего хозяйства» (housekeeping genes) — это гены, необходимые для поддержания важнейших жизненных функций организма, которые экспрессируются практически во всех тканях и клетках на относительно постоянном уровне. Гены домашнего хозяйства функционируют повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма.

По разным оценкам таких генов у человека 10-20 тыс. Это гистоновые гены, гены tРНК, rРНК и т.п. Гены "роскоши", которых заведомо больше в 2-3 раза, это гены, которые экспрессируются в клетках определенных тканей и в определенное время. Например, все гены белковых гормонов - гены "роскоши".

3. Структурные и Регуляторные

1. Структурные гены, характеризующиеся уникальными последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, Структурные гены несут информацию о строении белков и РНК.

Регуляторные гены — последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию действия гена (ингибирование, повышение активности и др.

Среди функциональных генов выделяют:

• гены-модуляторы, усиливающие или ослабляющие работу структурных генов (супрессоры (ингибиторы), активаторы, модификаторы);

• гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы).

В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры).

Сайленсер (англ. Silencer) — последовательность ДНК, с которой связываются белки-репрессоры (факторы транскрипции). Связывание белков-репрессоров с сайленсерами приводит к понижению или к полному подавлению синтеза РНК

Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.