Том 1 (1129743), страница 71
Текст из файла (страница 71)
4.15). Сегодня, с опубликованием«черновика» полного генома человека в 2001 г. и «чистовой последовательностиДНК» в 2004 г., в распоряжении ученых имеется генетическая информация по всемхромосомам человека. Само количество информации, выданной на-гора проектом«Геном человека», ошеломляет (рис.
4.16 и таблица 4.1). В апогее своей работыпроект вырабатывал черновые последовательности нуклеотидов со скоростью 1 000нуклеотидов в секунду 24 часа в сутки. Пройдет еще немало десятилетий, преждечем вся эта информация будет полностью проанализирована, но она уже послужиластимулом для проведения новых экспериментов, которые оказали большое влияниена содержание всех глав этой книги.Первая удивительная особенность генома человека состоит в том, сколь малаяего толика (всего лишь несколько процентов) кодирует белки (рис. 4.17). Бóльшаячасть остальной хромосомной ДНК состоит из коротких подвижных частей ДНК,которые за время эволюции постепенно встроились в хромосому.
Мы еще побеседуемГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 351подробнее о таких подвижных генетических элементах в последующих главах.Вторая примечательная особенность генома человека — большой среднийразмер гена, равный 27 000 пар нуклеотидов. Как было сказано выше, типичныйген несет в своей линейной последовательности нуклеотидов информацию о линейной последовательности аминокислот белка. Для кодирования белка среднегоразмера (около 430 аминокислот у человека) необходимо приблизительно 1 300 парнуклеотидов.
Бóльшая часть остальной ДНК гена состоит из длинных отрезковнекодирующей ДНК, которые прерывают относительно короткие сегменты ДНК,кодирующие белок. Как будет описано подробно в главе 6, кодирующие последовательности называют экзонами; вклинивающиеся в них (некодирующие) последовательности называют интронами (см. рис. 4.15 и таблицу 4.1). Таким образом,в большинстве своем гены человека состоят из длинной вереницы чередующихсяэкзонов и интронов, и в основном последовательность гена занята интронами.
Напротив, большинство генов организмов с короткими геномами не имеет интронов.Этим объясняется намного меньший размер их генов (приблизительно одна двадцатая от размера генов человека), а также намного более весомая доля кодирующейДНК в их хромосомах.В довесок к интронам и экзонам, ко всем генам приписаны регуляторныепоследовательности ДНК, которые обеспечивают включение и отключение подопечных генов в надлежащее время, а также их экспрессию на соответствующемуровне и только в клетках надлежащего типа. У человека регуляторные последовательности типичного гена простираются на десятки тысяч пар нуклеотидов.
Каки следовало ожидать, такие регуляторные последовательности более сжаты в организмах с краткими геномами. В главе 7 мы обсудим вопрос о том, как работаютрегуляторные последовательности ДНК.Наконец, нуклеотидная последовательность генома человека показала, чтосущественно важная информация по созданию человека, кажется, находится в крайней степени беспорядка. Вот слова одного комментатора, описавшего наш геном:«В некотором смысле он может напоминать ваш гараж, спальню, холодильник иливообще жизнь: очень индивидуалистическую, но неопрятно-неряшливую; редкиепризнаки организованности; множество скопившихся завалов рабочего беспорядка(называемого обычно “барахлом”); фактически ничего никогда не выбрасываетсяза ненадобностью и немногочисленные очевидно ценные предметы, вперемешку совсяким хламом, небрежно разбросаны повсюду».4.2.4. Сравнение геномов позволяет выявлять консервативные вэволюционном отношении области последовательности ДНКОсновной помехой в интерпретации нуклеотидных последовательностей хромосом человека выступает тот факт, что бóльшая часть последовательности не имеет,по всей вероятности, никакого значения.
Более того, кодирующие области генома(экзоны), как правило, присутствуют в нем в виде маленких островков (среднимразмером около 145-ти пар нуклеотидов), разбросанных в море ДНК, точная последовательность нуклеотидов которой имеет малое значение. Такая организациязначительно затрудняет идентификацию всех экзонов на том или ином отрезкепоследовательности ДНК. Еще труднее определить, где ген начинается и заканчивается и сколько экзонов в точности он охватывает.Точная идентификация гена требует подходов, которые извлекают инфор-352Часть 2. Основные генетические механизмыТаблица 4.1. Некоторые статистические данные о геноме человекаЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЕНОМДлина ДНК3,2·109 пар нуклеотидов*Число геновпримерно 25 000Наибольший ген2,4·106 пар нуклеотидовСредний размер гена27 000 пар нуклеотидовНаименьшее число экзонов на ген1Наибольшее число экзонов на ген178Среднее число экзонов на ген10,4Наибольший размер экзона17 106 пар нуклеотидовСредний размер экзона145 пар нуклеотидовЧисло псевдогенов**более 20 000Процентное содержание последовательностейДНК в экзонах (кодирующие белки последовательности)1,5 %Процентное содержание ДНК в других высококонсервативных последовательностях***3,5 %Процентное содержание ДНК в многокопийныхповторахпримерно 50 %* Последовательность 2,85 миллиардов нуклеотидов известна точно (коэффициент ошибок всеголишь около одной на 100 000 нуклеотидов).
Остальная ДНК преимущественно состоит из короткихчасто повторяющихся последовательностей, которые повторяются тандемно, а число повторов отличается у разных особей.** Псевдоген — нуклеотидная последовательность ДНК, близко напоминающая таковую функционального гена, но содержащая множественные мутации, которые препятствуют ее нормальнойэкспрессии. Большинство псевдогенов появляется в результате дублирования функционального гена,сопровождавшегося накоплением губительных мутаций в одной из копий.*** Консервативные функциональные области; к ним относится ДНК, кодирующая 5'- и 3'-UTRs(нетранслируемые области), структурные и функциональные РНК, а также расположенные на ДНКконсервативные участки связывания ее с белками.мацию из неотъемлемо (по сути своей) низкого отношения сигнал – шум геномачеловека.
Мы опишем некоторые из них в главе 8. Здесь мы обсудим только одинобщий подход, который основывается на том наблюдении, что последовательности,которые имеют какую-либо функцию, остаются сравнительно консервативнымив ходе эволюции, тогда как не обремененные исполнением какой-либо функции,могут позволить себе сколь угодно случайных мутаций. Исходя из этого, стратегия построена на сравнении последовательности человека с последовательностьюсоответствующих областей родственного генома — например, мыши. Люди имыши, как думают, разошлись от общего, относящегося к млекопитающим предкаприблизительно 80·106 лет назад, после чего прошло достаточно времени, чтобыбольшинство нуклеотидов в их геномах изменилось в результате событий случайныхмутаций. Следовательно, единственными областями, которые останутся во многомподобными в этих двух геномах, будут те мутации, которые вредили бы их функ-Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 353Рис. 4.18. Предполагаемая эволюционная история хромосомы 3 человека и родственных ей хромосомдругих млекопитающих. а) Порядок сегментов хромосомы 3, гипотетически имевшийся на хромосомеотносящегося к млекопитающим предка, представлен на фоне желтого прямоугольного поля. Отмеченыминимальные изменения в этой предковой хромосоме, необходимые для объяснения появления всехтрех современных хромосом. (Современные хромосомы человека и африканских человекообразныхобезьян при таком раскладе выглядят идентичными.) Маленькие кружки, изображенные на современных хромосомах, представляют положения центромер.
Слияние и инверсия, которая ведет к изменениюорганизации хромосомы, как думают, происходят у млекопитающих с частотой раз в 5–10·106 лет. б)Некоторые эксперименты по окрашиванию хромосом, на основании которых была построена схема а.Каждое изображение показывает хромосому, наиболее близко связанную родством с хромосомой 3человека, окрашенную зеленым путем гибридизации с различными сегментами ДНК, обозначеннымибуквами a, b, c и d, стоящими в ряд под изображением вариантов гибридизации хромосомы. Эти буквысоответствуют буквам, обозначающим цветные сегменты в схемах на изображении а. (Заимствованоиз S. Müller et al., Proc.
Natl Acad. Sci. USA. 97: 206–211, 2000. С любезного разрешения Национальнойакадемии наук США.)ции и ставили бы животных, несущих эти мутации, в невыгодное положение посравнению с остальными особями и тем самым предопределяли бы их устранениеиз популяции под давлением естественного отбора.
Такие весьма схожие областиизвестны как консервативные области. Консервативные области включают какфункционально значимые экзоны, так и регуляторные последовательности ДНК.354Часть 2. Основные генетические механизмыНапротив, неконсервативные области представлены ДНК, последовательностькоторой вряд ли имеет какое-либо значение для функционирования организма.Действенность этого метода может быть увеличена за счет сравнения нашегогенома с таковыми тех животных, для которых они полностью секвенированы,включая крысу, курицу, шимпанзе и собаку.
Демонстрируя подобным образомрезультаты очень продолжительного «эксперимента» природы, длящегося сотнимиллионов лет, такие сравнительные исследования секвенированных ДНК высветилинаиболее интересные области в этих геномах. Сравнение показывает, что около 5 %генома человека состоит из «многовидовых консервативных последовательностей»,о чем подробнее сказано ближе к концу этой главы. Что было совсем неожиданно,так это то, что только приблизительно одна треть этих последовательностей кодируетбелки. Некоторые из консервативных некодирующих последовательностей соответствуют группам белок-связывающих участков, каковые вовлечены в регулированиегенов, тогда как иные производят молекулы РНК, которые не транслируются вбелки. Но функция большинства таких последовательностей остается неизвестной.Это неожиданное открытие позволило ученым заключить, что наши познания оцитобиологии позвоночных намного скуднее, чем мы раньше воображали.
Конечно,есть огромные возможности для новых открытий, и впереди нас ждет еще многонеожиданностей.Сравнительные исследования показали не только то, что у человека и другихмлекопитающих большинство генов одинаковы, но также и то, что большие блокинаших геномов содержат эти гены в одинаковом порядке, каковая особенность получила название консервативной синтении. В результате большие блоки нашиххромосом могут быть узнаны в геномах представителей других биологическихвидов. Это позволяет использовать технологию раскрашивания хромосом для вос-Рис. 4.19.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
