Организация генома человека Кому принадлежат гены

Организация генома человека

«Кому принадлежат гены, тому принадлежит 21 -е столетие» (генетик Джереми Рифкин)

Понятие «геном» Геном - это гаплоидное число хромосом, специфичное для организмов каждого вида (Г. Винклер, 1920) Геном - это совокупность всех молекул ДНК и всех групп сцепления хромосомных и внехромосомных ДНК в клетке организма данного вида Геном человека состоит из 3. 1 x 109 пар нуклеотидов (п. н. ) ДНК

Геном – это генетическая характеристика вида • геном Homo sapiens включает: • 24 ДНК хромосом (22 аутосомы, Х- и Yхромосомы) • 25 ДНК митохондрий (мт. ДНК)

Основные этапы генетики и геномики • 1865 год • Открытие Г. Менделем (1822– 1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства. • 1868 год • Ф. Мишер открыл фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое назвал нуклеином • 1875 год • Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды. • 1900 год • Формальное рождение генетики как науки. «Переоткрыты» и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.

• 1902 год • В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности. • 1905 год • У. Бэтсон предлагает слово «генетика» для нового направления науки. • 1910 год • Т. Г. Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления, закономерности наследования признаков, сцепленных с полом • А. Кёссель установил, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин. • 1922 год • Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» , который позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).

• 1925 год • Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер - радиационные методы индукции мутаций. • 1926 год • С. С. Четвериков - основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции. • 1927 год • Г. Мюллер - мутационный эффект рентгеновских лучей • Н. К. Кольцов - идея матричного синтеза • 1928 год • Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит). • 1929– 1930 годы • А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые - сложная природа организации гена • 1931 год • Барбара Мак-Клинток - кроссинговер.

• 1935 год • Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк - экспериментальное определение размеров гена, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК. • 1940 год • Дж. Бидл и Э. Татум - теория «один ген — один фермент» . • 1943 год • И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами. • 1944 год • О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. Начало «эры ДНК» . • Л. А. Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака.

• 1950 год • Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа» , которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г — числу Ц. • Б. Мак-Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. • 1951 год • Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгенограмму молекулы ДНК. • 1953 год • Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали.

Розалинда Франклин Фото № 51 Рентгеноструктурный анализ ДНК, сделанный Розалиндой Франклин

ДНК – молекулярная основа генома • Диаметр двойной спирали - 2 нанометра (1 нм = 10– 9 м); расстояние между соседними парами оснований - 0, 34 нм; один поворот спирали состоит из 10 пар оснований. • Длина молекулы ДНК в самой большой по размеру хромосоме 1 человека - около 8 см.

Принцип организации генетического материала в клетке • Существует несоответствие между длиной молекулы ДНК и размером клетки • Поэтому ДНК может существовать в виде компактной структуры в строго ограниченном участке клетки • Суммарная длина молекул ДНК в клетке человека -1, 8 -2 м, диаметр ядра – 5 мкм

МОЛЕКУЛА ДНК Последовательность нуклеотидов на одной цепи определяет последовательность нуклеотидов на другой. A всегда образует комплементарную пару с T Г всегда с Ц

Уровни организации хроматина • метафазная хромосома – 1400 нм • участок метафазной хромосомы – 700 нм; • нуклеомерысубъединицы толстой фибриллы - 300 нм • хроматиновая фибрилла – 30 нм; • нуклеосомы – 11 нм • двойная спираль ДНК – 2 нм

• • • 1956 год Ю. Тио и A. Леван - диплоидный набор хромосом у человека равен 46. А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке — ДНК-полимеразу I. 1960 год Открытие РНК-полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом. 1961 год В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» — кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов — структурных и регуляторных 1962 год Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка). 1965 год Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.

• • • 1969 год Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген. 1970 год Открытие обратной транскриптазы Теминым и Балтимором. Выделена первая рестриктаза — фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах Д. Натансом, Х. Смитом и В. Арбером. 1972 год В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК. Заложены основы генной инженерии. 1973 год С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку. 1975 год Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцеллюлозные фильтры, метод получил название Саузерн-блот гибридизации.

• • • 1976 год Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов» , Д. Хогнессом (США), Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым (Россия) Основана первая генно-инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств. 1977 год Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт. ). Полностью секвенированы геном бактериофага и первый ген человека — ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин. 1978 год Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок — проинсулин. 1980 год Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь.

• • • 1981 год Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека. Открытие человеческих онкогенов. 1984 год А. Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии для идентификации личности. 1985 год Создание К. Б. Мюллисом полимеразной цепной реакции ПЦР. 1986 год Клонирование гена RB – первого антионкогена — супрессора опухолей. Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования. 1988 год Создание международного проекта «Геном человека» , поставившего своей целью полное секвенирование ДНК человека. Под эгидой Комитета по науке и технике в СССР начала работу программа «Геном человека» , которую возглавил Научный совет по геномной программе во главе с академиком А. А. Баевым.

HUGO – международная программа по изучению генома человека n • Джеймс Уотсон, один из группы ученых, открывших спираль ДНК, -основатель HUGO Баев Александрович (1903/04— 1994), биохимик, академик РАН (1970), Инициатор создания и руководитель государственной программы «Геном человека» .

Проект "Геном человека" (1990 -2001 г. г. )- это международный исследовательский проект, направленный на расшифровку всего генома человека и других организмов. Финансирование и планирование осуществлялось через Департамент энергетики США и Национальный институт здоровья. Цель проекта - создание полной физической и генетической карты всего генома человека, расшифровке его полной нуклеотидной последовательности, с определением положения всех генов.

«Celera Genomics» - путь к успеху Крейг Вентер n Февраль 2001 года

1986: Департамент энергетики (DOE) объявляет о создании проекта "Геном человека" 1987: Национальный институт здоровья (NIH) начинает финансировать проект; объявлена 15 -летняя программа. 1990: Старт проекта "Геном человека. " Участие в проекте ученых из лабораторий 50 стран. 1995: Расшифрованы первые полные геномы бактерий (Haemophilus influenzae, Mycoplasma genitalium); 1996: Расшифрован геном пекарских дрожжей (Saccharomyces cervisiae). 1997: Расшифрован геном Escherichia coli; 1998: Расшифрованы геномы круглого червя (C. eleg, ) и туберкулезной палочки (Mycobacterium tuberculosis). – Основана компания Celera Genomics , которая начала соревнование за расшифровку генома человека с мировым научным сообществом (Международный консорциум); 1999: Полностью расшифрована нуклеотидная последовательность хромосомы 22. • • • 2000: Завершено определение нуклеотидной последовательности хромосом 5, 19, 21; расшифрован геном плодовой мушки D. melanogaster; завершена черновая расшифровка 90% последовательности генома человека. 2001: Завершено создание черновой версии нуклеотидной последовательности генома человека 2003: Закончена чистовая версия последовательности генома человека.

Структура эукариотических генов. 1. Гены мозаичной сложной структуры, разделенные на экзоны и интроны. При интроны экспрессии генов и экзоны, и интроны транскрибируются с образованием пре-м. РНК. Интроны удаляются затем в процессе сплайсинга РНК, в результате чего образуется зрелая молекула м. РНК, которая кодирует полипептид. Экзоны - последовательности, которые представлены в зрелой м. РНК. Часть экзонов кодирует белки, другие - не кодируют.

2. Последовательности для начала транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор); 3. Дистанционные регуляторы транскрипции энхансеры (усилители экспрессии) и сайленсеры (заглушители экспрессии), располагающиеся в разных частях гена.

Экзон-интронная структура генов эукариот • Структура α- и β-глобиновых генов • Экзоны (тёмно-красный цвет ), разделены интронами (голубой цвет). Цифры над генами указывают аминокислотные остатки кодируемого полипептида. • 5’- 3’- не транслируемые области содержатся в первом и последнем экзонах (розовый цвет). Они присутствуют в зрелой м. РНК, но не транслируются.

Этапы экспрессии генов и процессинга РНК у эукариотов

Механизмы альтернативного сплайсинга: • Альтернативный выбор промотора • Альтернативный выбор сигнала полиаденилирования • Альтернативный выбор разных наборов экзонов • Транс-сплайсинг

Альтернативный сплайсинг – причина синтеза на одном гене разных вариантов белков (в среднем 1 ген синтезирует до 3 разнообразных белков)

Р 1 Экзон 1 Интрон 1 Р 2 Экзон 2 Интрон 2 Экзон 3 Интрон 3 Экзон 4 Схема фрагмента гена, содержащего 2 промотора, 4 экзона и 3 интрона. 2. Фрагмент м. РНК после сплайсинга (выбор промотора Р 1) Экзон 1 Экзон 3 Экзон 4 3. Фрагмент м. РНК после сплайсинга (выбор Экзон 2 Экзон 3 Направление транскрипции - Экзон 4 промотора Р 2)

В 2004 году исследователи из Международного Консорциума по Секвенированию Человеческого Генома проекта «Геном человека» огласили новую оценку числа генов в человеческом геноме составившую от 20 до 25 тыс. Ранее от 3 до 40 тыс. , а в начале проекта оценки доходили до 2 млн. Причина – альтернативный сплайсинг. Пересмотр старой догмы биохимии и молекулярной биологии - "Один ген -один фермент «. В геноме в большей степени справедлива формула: «Один ген - много белков".

Новый постулат старой догмы молекулярной биологии Белки прионы, вызывающие «коровье бешенство» способны передать информацию через белок. Проникая в клетку-хозяина, прионы «навязывают» свою болезнетворную конформацию (измененную пространственную структуру) нормальным белкаманалогам, содержащимся в клетках

Содержание ДНК в клетках организмов разных видов (С-парадокс) Название вида п. н. /геном E. coli 4. 5 x 106 Homo sapiens 3. 1 x 109 Drosophila 1. 7 x 108 Maize 2. 0 x 109 Arabidopsis 7. 0 x 107 Lily 1. 0 x 1011

• В кодировании белков принимает участие не более 1, 5 % хромосомной ДНК человека (т. е. генетические инструкции по формированию человеческого индивидуума занимают лишь 3 см на двухметровой молекуле ДНК человека)

• Геном человека содержит 3 млрд. 164 млн. 700 т. п. н. • Наибольшее количество генов содержит хромосома 1 (2968 генов), наименьшее – Yхромосома (231 ген). • ДНК разных людей совпадают на 99, 9%, т. е. индивидуальные отличия составляют 0, 1% генома человека • Число генов, ассоциируемых с различными болезнями больше всего в Х хромосоме – 208; в 1 – 157; и в 11 – 135. Меньше всего таких генов в Y – всего 3. •

Внехромосомная ДНК эукариот содержится в митохондриях и пластидах • электронная микрофотография мт. ДНК мыши

Митохондриальная ДНК человека содержит 37 структурных генов

Характеристика мт. ДНК • • • наследуется по материнской линии гены мт. ДНК не имеют интронов нет системы репарации нет гистонов генетический код отличается от ядерного • большую часть белков митохондрий кодируют хромосомные гены • мутации генов митохондрий – причина митохондриальных болезней человека

До 97 % всего объёма человеческого генома относятся следующие объекты: - повторы - парные повторы - разбросанные повторы - транспозоны – ретротранспозоны (встроеннные вирусы) – ДНК транспозоны - псевдогены - это гены, утратившие способность к экспрессии. В геноме человека имеется около 20 000 псевдогенов.

Последовательности ДНК человека Геном человека Экзоны 1, 5% Интроны, промоторы, энхансеры, сайленсеры 24% Уникальные некодирующ ие последовате льности 15% Повторы, содержащие МГЭ 44% Повторы, не содержащие МГЭ 15%

Мобильные элементы генома эукариот • транспозоны - редко встречаются в геноме эукариот. • ретротранспозоны - транспозиция происходит при образовании РНК - копии с последующим синтезом копии ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (RT). • Большая часть мобильных элементов генома эукариот – это ретротранспозоны

Свойства МГЭ • Содержат гены транспозиции и осуществляют перенос генов • Не являются репликонами, не могут существовать самостоятельно • Являются биологическими мутагенами • Изменяют активность генов • Обеспечивают рекомбинацию хромосом и эволюцию геномов

Теломеры • Чтобы не происходила потеря генетического материала при делении клеток, у эмбрионов концы молекул ДНК наращиваются перед каждой репликацией короткими повторяющимися последовательностями. В этом участвует специальный фермент — теломераза. Однако в клетках взрослого организма этот фермент перестает работать.

Сравнение генома человека и бактерии кишечная палочка Human Bacteria (E. coli) • 20, 000 -25, 000 genes > 3, 000, 000 bases • 2 metres of DNA • Only 1, 5% codes for proteins • 46 chromosomes • • 4, 000 genes 4, 600, 000 bases 1 mm DNA 98% codes for proteins • 1 chromosome

СНИПСЫ – полиморфизмы генома (по-английски snps — от Single Nucleotide Polymorphisms — единичные нуклеотидные полиморфизмы). Создают 0, 1% различий между людьми.

Эволюция генов • Более 1000 генов «родились» совсем недавно (по эволюционным меркам) – в процессе удвоения исходного гена и последующего независимого развития дочернего гена и гена-родителя. • Около 40 генов недавно «умерли» , накопив мутации, сделавшие их совершенно неактивными.

Гипотезы о причинах избыточности геномной ДНК • 1. Гипотеза «эгоистичности» геномной ДНК, способности к самокопированию (Orgel, Crick, 1980) • 2. Гипотеза «альтруистической» ДНК (Л. И. Патрушев, 1997). Избыточная ДНК разбавляет кодирующие последовательности и выступает в роли ловушек мутагенов любых видов, тем самым, защищая жизненно важные участки ДНК от мутации.

• Доказано, что наибольшим изменениям в эволюции подвергались интроны, а не экзоны. интроны экзоны В интронах обнаружены вставки, делеции и другие перестройки. • У прокариот геномные интроны в процессе эволюции исчезли ( «тупик эволюции» ).

Обнаружилось, что у обезьян эндогенных вирусов очень мало или нет вообще. «Вирусы сыграли важную роль в «очеловечивании» обезьяны» Е. Д. Свердлов

Перспективы генома… 2020 год На рынке появятся лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. • Будет разработана терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей. • Фармакогеномика станет общепринятым подходом для создания многих лекарств. • Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям

2030 год • Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее $1000. • Будут выявлены все гены, участвующие в процессе старения и проводиться клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека. • Лабораторные эксперименты на человеческих клетках будут заменены экспериментами на компьютерных моделях.

• 2040 год Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (ещё до рождения). Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга. Для многих заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря улучшению социо-экономических условий. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.

Спасибо за внимание! Презентация подготовлена по материалам баз Medline и http: //mygenome. ru/articles/89/ канд. биол. наук, доц. кафедры биомедицинских и экологических знаний Магнитогорского государственного университета Легостаевой Т. Б.