Термин "геномика" появился только в 1985 году и относится к науке, занимающейся картированием и секвенированием геномов.

Какие основные задачи решает геномика?

- Секвенирование геномов различных организмов, выявление ранее неизвестных генов, изучение локализации и строения генов и других участков генома. Например, у человека собственно гены составляют менее 10% всего генома (3%).

- Выявление функций каждого гена, изучение механизмов регуляции работы геномов.

- Изучение вопросов происхождения видов, биоразнообразия, сохранения и использования биологических ресурсов планеты.

Различают структурную и функциональную геномику. Целью структурной геномики является выяснение последовательности оснований в молекулах ДНК у организмов различных видов. Функциональная геномика -это учение о функциях генов.

Первые успехи геномики связаны с расшифровкой геномов вирусов, бактерий (представляющих интерес для медицины, промышленности и фундаментальной биологической науки) и клеточных органелл.

Структурно-функциональный анализ генома человека особенно важен для клинической медицины, ставящей перед собой задачи не только диагностики наследственных болезней, но и лечения - генотерапии. Благодаря геномике возникло новое понимание молекулярных механизмов заболеваний, используются новые подходы в создании лекарств, новые диагностические тесты. Появилась фармакогеномика - наука, являющаяся одновременно основой преодоления лекарственной резистентности и основой индивидуальной фармакотерапии. Наконец, геномика положила начало получению трансгенных животных и растений медицинского назначения.

Ортологичные и паралогичные гены

Сравнение геномов организмов разных видов (про- и эукариот) показало, что существует фундаментальный набор генов, общий для всех организмов, белковые продукты которых легко распознаются у всех них. Это подтверждает гипотезу об общем предшественнике для всех организмов. Такие гены получили название ортологичные гены (или ортологи). Гены — ортологи произошли от одного гена в общем предковом организме и сохранили одну и ту же функцию в процессе эволюции. Они кодируют строение ключевых махромолекул клетки, участвующих в процессах репликации, транскрипции, трансляции и репарации генетического материала. Мутации ортологов, как правило, летальны.

Таким образом, ортологи - это гомологичные гены в геномах разных организмов, которые произойти от одного гена в общем предковом организме и сохранили одну и ту же функцию в процессе эволюции. Не подвергаются изменениям в настоящее время и регуляторные элементы, контролирующие ключевые этапы онтогенеза высших растений и животных.

В отличие от ортологов паралогичные гены, или паралоги, возникают путем внутригеномных дупликаций и могут эволюционировать с приобретением новых функций. Паралогичные гены обеспечивают видам адаптацию к меняющимся условиям окружающей среды.

Идентификация ортологов и паралогов очень важна для функциональных выводов на базе сравнения геномов.

Исследовать функции генов более простых организмов легче, чем более сложных, а по гомологии последовательностей генов можно судить и об аналогии их функций.

Протеом и протеомика

Одним из необходимых условий функционального анализа генома является также познание его протеома. "протеом" – совокупность белков, экспрессируемых геномом на протяжении жизни клетки. Наука о наборах белков в клетках при разных физиологических состояниях и функциях этих белков получила название протеомика. Задача протеомики на несколько порядков сложнее, чем у геномики - инвентарзация белков, т.е. реально работающих генов в клетке.

Существенная разница между геномикой и протеомикой, обусловлена тем, что геном данного вида, как правило, достаточно стабилен, в то время как протеом индивидуален не только для разных клеток одного индивида, но и для одной клетки в зависимости от ее состояния (деление, покой, дифференцировка и т.д.).

Основной задачей протеомики является предсказание функциональной роли отдельных белков путем экспериментального сопоставления их качественного и количественного состава в клетке на разных стадиях и в разных состояниях ее развития.

22.Пути передачи наследственной информации. Комплеметарность, колинеарность. Конформационные матрицы. Белки прионы. Природа заболеваия «коровье бешенство».

 Комплемента́рность — взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т. п.).

Коллинеарность - свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, коллинеарность - свойство, благодаря которому в белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке. Явление коллинеарности доказано экспериментально.

Благодаря концепции коллинеарности можно определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и информационной РНК, если известен состав полипептидов. Наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предсказать аминокислотный состав белка. Из этой концепции также следует, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.

Конформационные матрицы. Экспрессия генов, или их активность осуществляется по матричному принципу, а молекулы ДНК илиРНК выступают при этом в качестве линейных биологических матриц. Однако в конце 90-х годов XX века был установлен еще один тип биологических матриц― конформационный (или пространственный). Он характерен для белков― прионов― инфекционных агентов, вызывающих тяжелые заболевания нервной системы у человека и животных. Как и обычный белок прион кодируется структурным геном, но инфекционным агентом спонтанно он становится на посттрансляционном этапе. Заражение же прионами происходит при попадании патогенной формы в организм, где прион перестраивает конформацию нормальных полипептидов «по своему образу и подобию».

Прионный белок, обладающий аномальной трёхмерной структурой, способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионный), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Прионы — единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Прионы очень стойки к обычным методам дезинфекции. Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Дезинфекционные средства, обычно используемые в медицинской практике, действуют на них лишь в очень ограниченной мере. Надёжно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы — сильные окислители, разрушающе действующие на белки.

Другое затруднение представляет собой стойкость прионов к высоким температурам. Даже при автоклавировании при 134 °C в течение 18 минут невозможно достичь полного разрушения прионов, и прионы «выживают» в форме, способной вызвать заражение. Стойкость к высоким температурам ещё более возрастает, если прионы засохнут на поверхности металла или стекла или если образцы перед автоклавированием были подвергнуты действию формальдегида.

Губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота, ГЭКРС, коровье бешенство— нейродегенеративная прионная болезнь, приводящая к необратимым, летальным изменениям в головном мозге зараженных животных. Вызывается прионом ГЭКРС (BovPrPSc, PrPbse). Инкубационный период от 30 месяцев до 8 лет. Передается при употреблении в пищу мяса больных животных, вызывает скрейпи у овец и болезнь Крейцфельда-Якоба у людей.

Впервые было зафиксировано в Великобритании в 1986 году.С конца 1980-х коровье бешенство было обнаружено у более чем 179 тыс. голов крупного рогатого скота в Великобритании. Считается, что эпизоотия была вызвана скармливанием скоту мясо-костной муки, изготовленной из останков «инфицированных» животных, в частности, овец. Было выявлено более двух сотен смертей людей от нового варианта болезни Крейцфельда-Якоба.

Считается, что инфекционным агентом ГЭКРС является специфический тип неверно свернувшегося белка, называемый прион. Подобные прионные белки распространяют болезнь между особями и вызывают деградацию мозга. Такие болезни могут возникать у животных, несущих аномальную аллель, которая вызывает искажение первоначально нормальных белков из альфа-спирального состояния в складчатый бета-лист, который является формой данного белка, вызывающей болезнь. Передача агента может происходить, когда здоровое животное подвергается контакту с зараженными тканями. В мозге данные белки вызывают деформацию обычного клеточного белка в инфекционное состояние, которое затем продолжает деформацию белков в прионы по цепной реакции.