ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

Сколько у нас генов? • Библиотека

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

После того как ученые получили основную информацию о геноме человека, они попытались определить число генов, но эта задача оказалась непростой. Точное число неизвестно до сих пор, и все же оценки становятся все более достоверными.

«Геном человека» завершен, поиск генов продолжается

В 1977 году Фредерик Сэнгер разработал метод определения нуклеотидной последовательности ДНК (секвенирования), который используется и по сей день (см. «Химию и жизнь» № 8, 2018).

В 1995 году был расшифрован первый геном бактерии Haemophilis influenza, в 1996 году — геном эукариотической клетки (дрожжей Saccharomyces cerevisiae), а в 1998 году — геном нематоды Caenorhabditis elegans.

Конечно, на рубеже тысячелетий все с нетерпением ждали результатов проекта «Геном человека», который продолжался с 1990 по 2003 год. Его задачей было определение нуклеотидной последовательности ДНК человека и — главное! — локализация человеческих генов (изначально предполагалось, что их около 100 000).

Биомедицинская наука вот-вот должна была получить бесценный инструмент: полный список генов, необходимых для расшифровки молекулярных механизмов возникновения и развития тяжелых болезней — рака, шизофрении, деменции и многих других. О подготовке «черновой» версии генома человека торжественно объявили летом 2000 года, опубликована она была в 2001-м.

«Геном человека» официально завершил свою работу в 2003 году и 27 мая 2004 года опубликовал полную последовательность генома.

«Полной» ее можно было назвать с некоторыми оговорками. Прежде всего, секвенировалась только ДНК в составе эухроматина, то есть такая ДНК, которая между делениями клетки пребывает в неплотно упакованном состоянии.

Примерно 8% человеческого генома — это гетерохроматин, компактно уложенная ДНК, она приходится в основном на районы центромер и теломер (то есть концов хромосом и участков, к которым прикрепляются нити веретена деления). С другой стороны, эти 8% ДНК и менее интересны, чем остальные 92, поскольку они крайне слабо транскрибируются, то есть содержат относительно мало генов.

(Напомним, что транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК, а что дальше происходит с РНК, разберем чуть позже.) К тому же они богаты повторами, что затрудняет сборку непрерывной последовательности из прочтенных фрагментов.

«Белые пятна» в геноме человека продолжают заполнять до сих пор: на начало 2019 года разрывов все еще больше 500, и в основном это те же центромерные и концевые области хромосом. Те, кому интересно, как продвигается дело, могут следить за процессом в Сети, на сайте международной организации, которая занимается эталонными геномами, — Genome Reference Consortium.

Считалось, что секвенирование генома человека позволит определить локализацию каждого гена и их общее количество. Однако сегодня существует несколько баз данных генов, которые в значительной мере отличаются друг от друга.

С генами, кодирующими белки, удалось достичь некоторой ясности. Их оказалось гораздо меньше 100 000. В 2010 году по инициативе Организации по изучению протеома человека (HUPO — Human Proteome Organization) запущен одноименный проект — «Протеом человека», который должен составить полный список человеческих белков.

Какие факты позволяют утверждать, что определенный участок генома — это ген белка? Возможно, у нас есть белок, последовательность аминокислот в котором соответствует последовательности нуклеотидных триплетов в этом участке, и (или) имеются другие доказательства.

Например, известна матричная РНК (мРНК) — молекула РНК, которая синтезируется в ходе транскрипции на матрице ДНК и, в свою очередь, становится матрицей для белка.

Кстати, одна и та же мРНК может кодировать несколько белков за счет альтернативного сплайсинга — различных вариантов сшивания ее кодирующих участков. Вообще, белков у человека больше, чем белок-кодирующих генов.

В рамках проекта «Протеом человека» предполагается идентифицировать и охарактеризовать не менее одного белка, считываемого с каждого гена, описать однонуклеотидные полиморфизмы (отличия в одну «букву») в этих генах, а также варианты сплайсинга мРНК и посттрансляционной модификации белков.

Однако есть и другие способы. Сейчас довольно много известно о том, какими признаками должны обладать гены белка, и существуют программы, которые ищут их in silico — в компьютере, с помощью анализа генома.

Подсказкой может служить и то, что гены разных видов эукариот в силу общности эволюционного происхождения сходны между собой (гомологичны), и если мы видим последовательность, которая у другого живого существа кодировала белок, — возможно, она кодирует белок и у человека.

Данные, полученные в рамках проекта «Протеом человека», представлены в аннотированных базах знаний, таких как neXtProt. Белки делятся на пять групп, по достоверности наших сведений об их существовании — PE1, 2, 3, 4, 5 (PE означает protein existence).

В марте 2019 года neXtProt содержала информацию о 17694 белках, существование которых экспериментально подтверждено, 1548 белках, для которых известны мРНК, 510 — определенных на основании гомологии с другими белками, 71 белке, предсказанном по последовательности ДНК, без других доказательств, и 576 сомнительных белках, относительно которых неясно, существуют они или нет.

Особый интерес вызывают белки, чье существование экспериментально не доказано, — так называемые потерянные (missing) белки. К этой категории относят все вышеперечисленные группы, кроме первой либо первой и последней. Для выявления и характеристики таких белков создан ресурс MissingProteinPedia.

Не только белки

Но белками все не исчерпывается. Проект «Геном человека» показал, что кроме матричных, транспортных и рибосомных РНК существует еще множество типов РНК, не менее важных для жизни.

РНК подразделяются на некодирующие РНК (нкРНК), которые не транслируются в белки, и кодирующие, или матричные РНК (мРНК), служащие матрицей для синтеза белков. У некодирующих РНК более сложная классификация. Они бывают инфраструктурными и регуляторными.

Инфраструктурные РНК известны нам из школьных учебников — это рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК). Молекулы рРНК составляют основу рибосомы — молекулярной машины, которая и строит белок на матричной РНК (проводит трансляцию).

Последовательность из трех нуклеотидов в мРНК указывает, какую аминокислоту следуют включить в белок. Молекулы тРНК приносят указанные аминокислоты на рибосомы в ходе трансляции.

Регуляторные нкРНК очень широко представлены в организме, классифицируются в зависимости от размера и выполняют важные функции (см. таблицу 1). По сравнению с генами белков, длина которых обычно измеряется в килобазах — тысячах пар нуклеотидов, а точнее, в десятках и сотнях тысяч пар, они совсем маленькие (что не облегчает поиск их генов). Но рычажку «вкл.—выкл.» и не надо быть большим.

Таблица 1. Некодирующие регуляторные РНК

Название Длина(нуклеотиды)Функции
Длинные некодирующие РНК(днкРНК, lncRNA)2001. Регулируют избирательное метилирование ДНК2. Руководят избирательной посадкой на хроматин белковыхкомплексов, подавляющих активность генов
Малые РНК
Малые ядерные РНК (мяРНК, snRNA)1501. Участвуют в сплайсинге2. Регулируют активность факторов транскрипции3. Поддерживают целостность теломер
Малые ядрышковые РНК (мякРНК, snoRNA)60–3001. Участвуют в химической модификации рРНК, тРНК и мяРНК2. Возможно, участвуют в стабилизации структуры рРНК и защитеот действия ферментов гидролаз
Малые интерферирующие РНК (миРНК, siRNA)21–221. Обеспечивают антивирусную иммунную защиту2. Подавляют активность собственных генов
МикроРНК (мкРНК, miRNA)18–25Подавляют трансляцию путем РНК-интерференции
Антисмысловые РНК (asRNA)1. Короткие: менее 2002. Длинные: более 200Блокируют трансляцию, образуя гибриды с мРНК
РНК, связанные с белками Piwi (piRNA, piwiRNA)26–32Их называют «стражами генома», они подавляют активность мобильных генетических элементов во время эмбриогенеза

Таким образом, прежде чем ответить на вопрос: «Сколько у нас генов?», необходимо понять, что «ген» может кодировать не только белок. Собственно, это ясно уже давно.

Основное внимание проекта «Геном человека» было направлено на белок-кодирующие гены.

Однако уже в первом докладе о геноме, опубликованном в 2001 году, сказано, что «тысячи генов человека продуцируют некодирующие РНК (нкРНК), являющиеся их конечным продуктом», хотя на тот момент было известно лишь около 706 генов нкРНК.

Стивен Зальцберг из Университета Джонса Хопкинса в своей статье, посвященной как раз проблеме подсчета человеческих генов, дает следующее определение: «Ген — любой участок хромосомной ДНК, который транскрибируется в функциональную молекулу РНК или сначала транскрибируется в РНК, а затем транслируется в функциональный белок». Это определение включает как гены некодирующих РНК, так и белок-кодирующие гены, но исключает псевдогены — нефункциональные остатки структурных генов, утратившие способность кодировать белок.

Публикация проекта «Геном человека» 2001 года оценила количество белок-кодирующих генов в 31 000, а группа под руководством Крейга Вентера (которая успешно соперничала с международным проектом), назвала «точное» число 26 588.

В 2004 году, после завершения официального проекта предполагаемое число белок-кодирующих генов снизилось до 24 000. Каталог человеческих генов Ensembl (версия 34d) на тот момент включал 22 287 белок-кодирующих генов и 34 214 транскриптов.

Скорее всего, мы не ошибемся, если скажем, что генов, кодирующих белки, у человека около 20 000 или чуть больше. Но что с генами РНК?

Новое секвенирование и базы данных

Исследовать многообразие РНК не так просто по многим причинам, от их высокой лабильности до малых размеров.

Однако появление высокопроизводительных методов параллельного секвенирования (когда миллионы фрагментов ДНК из одного образца читаются одновременно), оно же секвенирование нового поколения (next-generation sequencing, NGS), значительно ускорило поиск функциональных участков генома.

Различные платформы для NGS позволяют читать от миллиона до десятков миллиардов коротких последовательностей (отсеквенированные «за один проход» участки называют ридами, от английского read) длиной 50–600 нуклеотидов каждая.

К наиболее популярным платформам относятся Illumina и IonTorrent, и все больше внимания привлекают к себе платформы для секвенирования единичных молекул — Pacific Biosciences, нанопоровое секвенирование Oxford Nanopore, Helicos Biosciences HeliScope (компания Helicos объявлена банкротом, но технология лицензирована другим компаниям). Последним не нужно нарабатывать много копий ДНК для секвенирования — они действительно работают с отдельными молекулами! Другой их важный плюс в том, что они позволяют прочитывать значительно более длинные риды, до 10–60 тысяч нуклеотидов. Именно благодаря этому качеству, например, метод нанопорового секвенирования с успехом применили для секвенирования богатого повторами центромерного участка Y-хромосомы человека.

Кроме того, появились методы секвенирования РНК — сначала через создание ДНК-копий, а потом и прямые. Изначально они создавались для количественного определения экспрессии генов, но также способствовали обнаружению ранее не известных РНК, как кодирующих, так и не кодирующих.

Благодаря методам NGS базы данных генов lncRNA и других РНК всего за десятилетие резко выросли, и каталоги генов человека теперь содержат больше генов РНК, чем генов белков.

Кроме того, секвенирование РНК позволило установить, что альтернативный сплайсинг, альтернативное инициирование транскрипции и альтернативное прерывание транскрипции происходят гораздо чаще, чем полагали, и затрагивают до 95% человеческих генов.

Следовательно, даже когда мы узнаем местоположение всех генов в геноме, нужно будет выявить все изоформы этих генов, а также определить, выполняют ли эти изоформы какие-либо функции или просто представляют собой ошибки сплайсинга.

Задача по составлению каталога всех генов по-прежнему не решена. В последние 15 лет только две исследовательские группы составляют, корректируют и пополняют список генов: RefSeq и Ensembl / Gencode.

Первая поддерживается Национальным центром биотехнологической информации при Национальных институтах здравоохранения США, вторая — Европейской молекулярно-биологической лабораторией. Кстати, Gencode — подпроект консорциума ENCODE, «масштабной научной экспедиции в пустыни генома, не кодирующего белки» (см. «Химию и жизнь» № 10, 2012).

В этих каталогах есть сотни различий по белок-кодирующим генам, тысячи — по генам длинных некодирующих РНК; имеются существенные расхождения и в других группах (см. таблицу 2).

Таблица 2. Количество разных типов генов в базах данных Gencode, RefSeq, CHESS

Типы геновGencodeRefSeqCHESS
Белок-кодирующие гены19 90120 34521 306
Гены длинных некодирующих РНК15 77917 71218 484
Антисмысловые РНК5501282694
Другие некодирующие РНК221313 8994347
Псевдогены14 72315 952
Общее число транскриптов (видов РНК)203 835154 484323 827

По: BMC Biology, 2018, 16:94

В 2017 году сотрудники Университета Джонса Хопкинса под руководством Стивена Зальцберга создали еще одну базу данных генов человека — CHESS. Они использовали данные глубокого секвенирования РНК, чтобы заново получить информацию о всех продуктах транскрипции в разнообразных тканях человеческого организма, и отмечают, что существенно пополнили списки генов.

Примечательно, что новая база включает все белок-кодирующие гены как Gencode, так и RefSeq, поэтому пользователям CHESS не нужно решать, какую базу данных они предпочитают.

Создатели CHESS отмечают, что более обширная база с большей вероятностью содержит последовательности, ошибочно отнесенные к генам, но лучше потом удалить такую последовательность, чем пропустить существующий ген.

Итак, все еще неизвестно, сколько всего генов у человека. Существуют проблемы, затрудняющие получение точного ответа. Например, многие гены (особенно гены lncRNA), видимо, имеют высокую тканеспецифичность.

Во всех клетках один и тот же геном, однако в разных тканях транскрибируются различные гены, не только белков, но и регуляторных РНК. А значит, пока ученые подробно не исследуют все типы клеток человека, они не могут быть уверены, что обнаружили все человеческие гены.

И все же сегодня знания о человеческих генах значительно обширнее, чем в начале проекта «Геном человека», а технологии совершеннее. Это дает надежду на то, что в скором времени мы узнаем точный ответ на поставленный вопрос.

А пока ограничимся приблизительными данными: чуть более 20 тысяч генов белков, а вместе с генами РНК — возможно, 200–300 тысяч, но, может быть, и меньше.

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434674/Skolko_u_nas_genov

Понятие о геноме, организация генома человека

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном. Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером.

Тогда уже существовал другой научный термин — генотип, введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма.

Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин — геном.

В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. И это стало новым этапом в развитии генетики.

В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов. Такая формулировка звучит не совсем понятно для неспециалиста, а главное, она неточна в современном понимании этого слова.

Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК.

Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, — это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе (экспрессии) генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома.

Ведь в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя).

По всем этим причинам сегодня, когда речь идет о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены. В этой книге мы будем подразумевать именно такое определение.

Вместе с тем следует помнить, что в некоторых других структурах (органеллах) клетки также присутствует генетическая информация, необходимая для функционирования организмов.

В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.

Понятно, что знание одной лишь структуры ДНК вовсе не достаточно для полного описания наследственной системы клетки. Этому выводу в литературе дана следующая аналогия: сведения о числе и форме кирпичей не могут раскрыть замысла готического собора и хода его постройки.

В более широком смысле наследственную систему клетки составляют не только структура ДНК, но и другие ее компоненты, совокупность которых и факторы окружающей среды определяют, как геном будет работать, как пойдет ход индивидуального развития и как возникший организм будет жить потом.

Геном человека — геном биологического вида Homosapiens. В большинстве нормальных клеток человека содержится полный набор составляющих геном 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две — X-хромосома и Y-хромосома — определяют пол (XY — у мужчин или ХХ — у женщин).

Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидовДНК, образующих 20 000—25 000. В ходе выполнения проекта «Геном человека» содержимое хромосом находящихся в стадии интерфаза в клеточном ядре (вещество эухроматин), было выписано в виде последовательности символов.

В настоящее время эта последовательность активно используется по всему миру в биомедицине. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта. Только для 1,5 % всего материала удалось выяснить функцию, остальная часть составляет так называемую мусорную ДНК[2].

В эти 1,5 % входят гены, которые кодируют РНК и белки, а также их регуляторные последовательности, интроны и, возможно, псевдогены.

Геном человека состоит из 23 пар хромосом (в сумме 46 хромосом), где каждая хромосома содержит сотни генов разделённых межгенным пространством. Межгенное пространство содержит регуляторные участки и ничего не кодирующую ДНК.

В геноме присутствует 23 пары различных хромосом: 22 из них не влияют на пол, а две хромосомы (X и Y) задают пол. Хромосомы с 1-й по 22-ю пронумерованы в порядке уменьшения их размера.

Соматические клетки обычно имеют 23 хромосомных пары: по одной копии хромосом с 1-й по 22-ю от каждого родителя соответственно, а также X хромосому от матери и Y или X хромосому от отца.

В общей сложности получается, что в соматической клетке содержится 46 хромосом.

По результатам проекта Геном человека, количество генов в геноме человека составляет около 28000 генов. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. В связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.

Интересно,что число генов человека не намного превосходит число генов у более простых модельных организмов, например, круглого червя Caenorhabditiselegans или мухи Drosophilamelanogaster. Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг.

Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческийпротеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов.

Большинство человеческих генов имеют множественныеэкзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бандами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.

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.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Дата добавления: 2015-11-23; просмотров: 1889 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Похожая информация:

Поиск на сайте:

Источник: https://lektsii.org/4-14873.html

Код Homo: «Геном человека» и другие проекты

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

Вам наверняка доводилось слышать про постгеномные технологии, то что мы живем в постгеномную эпоху и другие словосочетания со словом «постгеномный». Постгеномная эпоха, по словам экспертов, началась с момента успешного завершения проекта «Геном человека». А вот о том, как родился этот проект, как реализовывался и чем продолжился – в тексте ниже.

Другие истории про развитие генетики и биотехнологий.

От Гиппократа до Менделя: догенетические объяснения наследственности

Как ученые искали “переносчика” генетической информации

Как появились первые генные инженеры

«Монстры в городе»: предшественники ГМО-фобии

Инсулин, деньги, два стартапа: биотехнологии становятся бизнесом

Аграрная «гонка вооружений»: от ДДТ до ГМО

Поначалу ученые считали, что геном (совокупность генов) организма содержит исключительно наследственную информацию, своего рода «инструкцию по сборке».

Но, по мере его изучения, стало ясно, что там есть немало другого, и разделение собственно генов с нужной информацией и того, что стали называть «мусорная часть» ДНК может быть серьезной проблемой.

В этой ситуации, идея «всеобщей переписи ДНК» могла показаться вполне здравым решением. Но оно требовало специальных технологий и немалых средств.

Правда «овчинка» однозначно «стоила выделки». В человеческом геноме содержится ключ к вопросу, что означает «быть человеком». Практически все причины смерти, кроме насильственной и несчастных случаев, в той или иной мере генетически обусловлены.

Гены определяют нашу склонность к инфаркту, болям в спине и влияют на такие далекие от биологии вещи, как, например, вероятность получения высшего образования.

Даже старение – генетически детерминированный феномен; внешние признаки, которые мы связываем со старением, во многом отражают многолетнее накопление мутаций в наших генах.

В общем, уже полвека назад ученые понимали, что расшифровка генома человека откроет огромные перспективы, причем в совершенно прикладных результатах, прежде всего – для медицины. В общем, желание было, а значит, должны были прийти и возможности.

В 1977 году английский биохимик Фредерик Сенгер (между прочим, единственный учёный в истории, получивший две Нобелевские премии по химии) представил метод расшифровки первичной структуры ДНК, также известный как «метод Сенгера».

Он и стал основным инструментом для секвенирования (определения последовательности нуклеотидов) ДНК на следующие сорок лет. До тех пор, пока в нашем веке не появились методы секвенирования нового поколения, позволяющие одновременно работать с несколькими участками ДНК (это еще называют высокопроизводительным секвенированием).

Но вернемся в ХХ век. Итак, инструментарий для секвенирования генома человека появился. Теперь дело было за спонсорами. Чтобы стало понятнее, о каких суммах идет речь: после завершения, суммарно затраты на него оценили в 3 миллиарда долларов. Понятно, что изначально смета была намного скромнее, но все равно выглядела внушительно.

И тут науке помогло, в некотором роде, тщеславие. В начале 1980-х Фонд Макса Хоффмана предложил Калифорнийскому университету в городе Санта-Крус) 36 млн долларов на новый телескоп, который должны были назвать именем Фонда.

Но на строительство потребовалась сумма в два раза больше, университет привлек еще спонсоров (в этом отношении американские университеты живут куда лучше российских), но возник вопрос, чьим именем называть телескоп.

Фонд Хоффмана отказался делить славу и предложил профинансировать любой другой громкий проект, лишь бы он имел статус «главного спонсора».

Ректор университета был биологом по образованию и, видимо, это тоже сыграло свою роль. Он предложил организовать в Санта-Крусе институт, который занимался бы строго секвенированием генома человека.

Что интересно, деньги Хоффмана до этого проекта так и не дошли, но даже потенциальная возможность их получения стала достаточным импульсом для его запуска, настолько идея «созрела».

В мае 1985 года в Санта-Кпусе прошла первая конференция, посвященная этой теме, участники которой сошлись на том, что для привлечения столь необходимых средств надо начинать с секвенирования участков генома, очевидно важных с медицинской точки зрения (то есть там, где можно было быстро получить очевидные прикладные результаты).

Надо сказать, что не одни американцы были такими умными. В Советском Союзе в то время со схожими идеями выступал академик Александр Баев – выдающийся биохимик и врач.

Подобно многим генетикам в сталинские времена он успел несколько лет провести в лагерях (причем, дважды), в 1957 году полностью реабилитирован, после чего сумел вернуться к научной работе и стал академиком, а также первым в стране лауреатом Государственной премии в области молекулярной биологии (за расшифровку первичной структуры валиновой тРНК 1). А в 1987 году разработал советский проект «Геном человека».

Проект проработал несколько лет, за это время наши ученые успели частично расшифровать
3-ю, 13-ю и 19-ю хромосомы, потом наука вместе со всей страной оказалась в глубоком кризисе, финансирование работ прекратилось, а часть участников проекта уехала за рубеж и продолжила эту работу в составе аналогичного международного проекта, к которому мы сейчас и вернемся.

https://www.youtube.com/watch?v=AYH60sR1lsA

В США проекту секвенирования генома помогло сдвинуться Министерство энергетики, профинансировавшее работы по долгосрочному отслеживанию генетических нарушений у людей, выживших при атомных взрывах в Хиросиме и Нагасаки, а также у их потомков.

Что интересно, в СССР возрождение генетики после лысенковщины началось с открытия в Новосибирске Института цитологии и генетики при поддержке научных руководителей атомного проекта, которым тоже надо было знать, как радиация сказывается на наследственности. В Америке же деньги Министерства в итоге составили одну десятую общего бюджета проекта.

Казалось бы, немного, но это были первые конкретные инвестиции, а не декларации о намерениях. А деньги, как известно, лучше всего идут к деньгам.

И в 1987 году заработал комитет американского проекта (фактически, в СССР и США работы начались одновременно). Этот комитет сразу взял курс на привлечение частных инвестиций, для чего даже создали компанию Genome Corporation, но она пала жертвой биржевого кризиса 1987 года.

Понимая, что искать ресурсы можно неограниченно долго, члены комитета решили не ждать, пока наберется вся сумма, а начинать работать, рассудив, что первые результаты станут отличной рекламой.

Поскольку на тот момент денег было мало, основной этап отложили и сосредоточились на оттачивании методик секвенирования. Тренировались генетики на простейших организмах – пекарских дрожжах, мушке дрозофиле и черве-нематоде.

Это вообще одни из любимых объектов у генетиков всего мира.

Сам проект «Геном человека» очень быстро стал международным (что вообще характерно для megasciens – проектов), к нему подключились ученые Великобритании, Франции, Германии и Японии, которые в итоге и проделали львиную долю работы. В частности, в Великобритании, близ Кембриджа в 1992 году был выстроен специальный научный комплекс для проведения секвенирования — Сенгеровский центр.

Сама координация столь глобального проекта с множеством участников со всего мира потребовала немалых усилий. Оргкомитет сразу отказался работать с сотнями маленьких лабораторий и сделал ставку на крупные центры. Тогда же родилась практика (которую позже применяли в других схожих проектах): поручать ученым одной страны работу над расшифровки одной хромосомы.

Параллельно шла работа над удешевлением процесса секвенирования. Ключевую роль в этом сыграло изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяла выполнить селективную амплификацию (генерации нужных сегментов ДНК в огромных количествах) всего за пару часов. Изобрел ее американский биохимиком Кэри Муллис, за что в 1993 году получил Нобелевскую премию.

В рамках проекта «Геном человека» процесс ПЦР был автоматизирован, после чего секвенирование заметно ускорилось и подешевело. Сегодня ПЦР – очень распространенный процесс, как в науке, так и в медицине, и хоть он был изобретен лет за пять до старта «Генома человека», проект внес весомый вклад в совершенствование и продвижение этой технологии.

Схема работы ПЦР (для тех, кому интересно)

Еще одним «ускорителем» проекта, скажем так, стал конфликт, связанный с Крейгом Вентером. Вентер вообще интересный человек с интересными взглядами (рекомендую к прочтению его эссе о ценности эксперимента, написанное к 100-летию журнала Forbes), талантливый ученый и авантюрист.

К тому моменту, когда он познакомился с работой участников проекта «Геном человека» (конец 1980-х), он уже был одним из энтузиастов продвижения технологий автоматизированного секвенирования ДНК и работал в Национальном институте здравоохранения США (который тоже вложился в этот проект). А еще Вентер был довольно предприимчивым человеком и пришел к мысли, что результаты секвенирования тоже можно рассматривать как интеллектуальную собственность. А значит – получить на них патент.

В июне 1991 года он опубликовал в журнале Science эпохальную статью, в которой рассказал, что ему предположительно удалось идентифицировать 337 новых генов, основываясь на их сходстве с известными генами из баз данных ДНК. Через год он добавил в этот список еще около 2000 генов.

И, хотя механизм их действия был ему неизвестен, подал заявку на них в патентное бюро. И параллельно основал свою организацию – The Institute for Genomic Research (Институт геномных исследований), сокращенно – TIGR.

План Вентера был амбициозен, он заявил о намерении провести альтернативное секвенирование генома человека, сделать это первым и запатентовать результаты.

Надо сказать, что большая часть ученых отнеслась к этой инициативе неодобрительно.

Во-первых, она противоречила политике открытости научного сообщества, внутри которого можно было свободно обмениваться информацией (собственно, и Вентер почерпнул многое для своего проекта у коллег).

А во-вторых, им не нравился подход, когда патент получался на то, в чем его обладатель сам еще толком не разобрался. Напомню, Вентер на тот момент не знал, как работает абсолютное большинство генов, открытие которых он хотел запатентовать.

Но Крейга эти возражения только подстегнули и вскоре, помимо Института, он основал Celera Genomics – компанию, которая на протяжении ряда лет являлась главным конкурентом международного проекта «Геном Человека».

Партнером и инвестором Вентера выступил Уоллес Стейнберг, человек, который изобрел зубную щетку Reach и заработал на этом миллионы. Я не буду углубляться в детали их борьбы, тема получилась бы очень объемная.

Кому интересно, могу порекомендовать книгу «Геномная война» Джеймса Шрива.

Отмечу лишь, что очень быстро их патентные инициативы стали тормозить медицинские научные исследования, поскольку их позиция гласила: «Если кто-либо использует ген в программе поиска новых препаратов после того, как ген запатентован, и делает это в коммерческих целях… то нарушает патент». В ответ биомедицинские компании стали инвестировать в проект «Геном человека», результаты работы которого публиковались в открытом доступе. Так Вентер, сам того не желая, оказал помощь своим конкурентам.

Но он с коллегами тоже не стояли на месте. Началась натуральная «гонка по секвенированию». В Celera Genomics сделали ставку на т.н.

«полногеномный метод дробовика» (WGS), при котором геном просто рубили на фрагменты случайной длины, заливали все эти последовательности в секвенатор и дожидались, чтобы машина расставила их в правильном порядке, ориентируясь на перекрывающиеся участки и не располагая никакой исходной информацией об их местоположении. И в 1995 году успешно опробовали этот метод, расшифровав геном одной из бактерий.

Участники проекта «Геном человека» сомневались, что такой подход сработает с большими геномами, и продолжали работать проверенным способом: сначала первоначальное картирование (описание) участков генома, потом – детальное секвенирование. Времени на это уходило больше.

И опасения, что Вентер с компанией выиграет гонку (а значит, получит еще больше прав на информацию о геноме) усиливались.

Дошло до того, что президент США Билл Клинтон (оторвавшись от Моники) объявил, что итоги секвенирования генома человека поступят в открытый для научного сообщества доступ, независимо от того, кто будет первым.

Это несколько разрядило атмосферу. А в 2002 году Вентер и вовсе покинул компанию, занявшись другими проектами. Но отголоском войны стало то, что о завершении работ объявляли несколько раз – в 2000, 2001 и 2003 годах. И всякий раз выяснялось, что речь идет лишь о предварительных итогах, которые требуют дополнительной доработки.

“Кас Крамер с коллегами из Лейчестерского университета полностью распечатали всю последовательность человеческого генома. Каждая стопка книг с одноцветными корешками соответствует одной из хромосом. В каждой клетке человеческого тела зашифрована целая

энциклопедия данных” (Джеймс Уотсон, История генетической революции)

Как бы то ни было первый международный глобальный проект в области генетики продвинул науку далеко вперед. А еще породил несколько других амбициозных проектов – «1000 геномов», «Геном неандертальца» и др. Одни из них близки к завершению, другие продлятся еще много лет. И каждый становится еще одним шагом к постижению «кода Homo».

Генетика История науки Геном Длиннопост

Источник: https://pikabu.ru/story/kod_homo_genom_cheloveka_i_drugie_proektyi_6897039

Геном

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

Свойство походить на своих предков называют наследственностью.

И хотя сходство между родителями и потомками велико, но, как правило, не абсолютно – всегда есть вариации и по отдельным признакам, и по степени их выраженности.

Проявление наследственных признаков нередко зависит от условий, в которых происходит развитие – организм к ним приспосабливается, изменяя некоторые свои характеристики.

Наследственность и хромосомы

Хранителями наследственной информации являются хромосомы – микроскопические тельца в ядре клетки (рис.1). В каждой клетке любого организма конкретного вида содержится определенное число хромосом. У человека их 46. Поскольку хромосомы всегда парны (имеется по две хромосомы каждого сорта), то можно сказать, что у человека 23 пары хромосом.

Подавляющее большинство клеток человеческого организма содержат все 46 хромосом (диплоидный набор), и только половые клетки – гаметы – имеют по 23 хромосомы (гаплоидный набор).

При оплодотворении мужская и женская половые клетки сливаются, поэтому оплодотворенная яйцеклетка, как и все клетки развивающегося из него нового организма, получают 46 хромосом, половину – от матери, половину – от отца.

Хромосома – это гигантская молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), скрученная особым образом. На отдельных участках молекулы ДНК (соответственно, и хромосомы) закодирована наследственная информация.

Участок молекулы ДНК, в котором зашифрована единица наследственной информации, называется геном (рис. 2). Один ген хранит информацию о строении определенной молекулы белка, входящей в состав тела человека.

Совокупность генов, то есть вся информация, заключенная в хромосомах, получила название геном.

Генетический код

Белки построены из 20 видов аминокислот, а ген кодирует каждую аминокислоту трехбуквенным кодом.

Всего же для генетического кодирования последовательности аминокислот в белках существует 4 вида оснований, содержащихся в ДНК.

Поскольку молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей, основания одной нити взаимодействуют с основаниями другой (см. рис. 2). Поэтому говорят о паре оснований или нуклеотидной паре в молекуле ДНК.

В 1966 году усилиями ученых многих стран был расшифрован генетический код. Самое важное, что генетический код оказался универсальным для всей живой природы: у бактерии, слона и незабудки одни и те же коды для соответствующих аминокислот.

Это свойство кода имеет огромное практическое значение: гены одного организма могут быть перенесены в любой другой, и в любой чужеродной клетке содержащаяся в генах программа может быть использована для синтеза полноценных белковых молекул.

Перенос генов в новый организм производится с помощью методов генной инженерии, а животные или растения, содержащие инородный ген (трансген), введенный в их хромосомы, названы трансгенными.

Исследование генома человека

На повестке дня молекулярной биологии – расшифровка ДНК высших организмов, состоящих из тысяч и миллионов пар оснований. Расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК называется секвенированием. Один из его этапов сводится к дроблению генома и каждой ДНК на маленькие фрагменты, которые исследуются компьютером, а затем собираются в полную последовательность.

Для всестороннего исследования генома человека с 1990 года ведется международная программа «Геном человека» (Human Genome Project) – один из самых дорогостоящих и дерзновенных проектов в истории человечества. Основной задачей программы является построение генетических карт каждой хромосомы человека (рис.3,4) и определение полной первичной структуры ДНК всех хромосом.

Для решения этой задачи создан Международный консорциум по изучению генома человека, который объединил 20 лабораторий и сотни ученых мира. Общая стоимость проекта оценивается в 1,5 миллиарда долларов.

Начиная с 1998 года, к работе по секвенированию генома человека присоединилась частная компания Целера Геномикс.

В рамках проекта для сравнения с человеком расшифрованы геномы одной бактерии, дрожжевого гриба, круглого червя с длиной тела 1 миллиметр, плодовой мушки дрозофилы, маленького цветочного растения и мыши.

В результате работы по проекту «Геном человека» у человека обнаружено 31 тысяча 780 генов, фирма Целера Геномикс получила другие результаты – 39 тысяч 114 генов (ранее считалось, что человек имеет от 50 до 140 тысяч генов).

В каждой ДНК гены занимают лишь 1–2%, остальная часть приходится на повторы или другие последовательности. Количество нуклеотидных пар всех 46 молекул ДНК в клетке человека равняется 6,4 миллиарда.

Самым большим геном, найденным в геноме человека, является ген мышечного белка, содержащий 2,4´106 нуклеотидных пар.

Хромосома 22, одна из самых маленьких, была расшифрована в конце 1999 года, и статья, сообщившая об этом, имела почти 200 авторов. По их данным, хромосома 22 имеет от 679 до 817 генов, из которых 150 – псевдогены.

Международный консорциум еще в 2003 году сообщил, что расшифровано 99,99% генома человека. Результаты свидетельствуют о том, что у человека большее распространение, чем в геномах других организмов, получили гены иммунной защиты, внутри- и межклеточной сигнализации, нервной системы и гомеостаза.

Количество генов, кодирующих белки, у человека в 2 раза больше, чем у червя, мушки и растения. Это обусловлено возникновением у человека новых белков. По мнению ученых, человеческий организм не изобретал новые гены, а использовал элементы существующих, собирая из них новые белки с новыми функциями.

Идентифицированы сотни генов редко встречающихся наследственных болезней, более 100 онкогенов. Установлено, что в развитие наследственных заболеваний вовлечено 1400 генов. Уже длительное время человек располагает информацией о структуре гена ВИЧ.

В июле 2012 года журнал Cell опубликовал результаты работы группы ученых из Стэнфордского университета об успешном завершении длившегося почти десятилетие процесса расшифровки полного генома сперматозоида.

На основании полученной в ходе параллельной расшифровки генома каждого сперматозоида информации, исследователи составили персональную рекомбинационную карту, позволяющую оценить последовательность, частоту и другие характеристики каждого эпизода рекомбинации и мутации генов.

Полученные результаты, по мнению ученых, очень важны для изучения причин бесплодия у мужчин.

Интересен факт, что до 10% генома человека составляют повторяющиеся элементы, напоминающие интегрированную форму инфекционных ретровирусов птиц и млекопитающих. Биологическая роль их пока не известна. Но у обезьян этих вирусов намного меньше или нет вообще.

Получается, что по чужеродным элементам генома человек и обезьяна различаются гораздо сильнее, чем по самим генам. Это позволило высказать предположение, что вирусы могли сыграть важную роль в превращении обезьяны в человека! Было проведено сравнение ДНК неандертальца и современного человека.

Различия говорят о том, что разделение этих ветвей эволюции произошло около 600 тысяч лет назад, и в течение многих тысяч лет мы жили рядом.

Клонирование

В 1997 году из клеток взрослой овцы была клонирована овечка Долли с целью создания идентичных трансгенных животных, которые с молоком секретировали бы факторы свертывания крови или инсулин. Для этого осуществили ядерный перенос – ядро яйцеклетки замещали донорскими клетками из вымени взрослой овцы.

Новый организм должен был стать точной копией взрослого донора. Из 200 переносов один закончился успешно, и на свет появилась Долли (рис.5). Спустя некоторое время успешно провели единственный опыт клонирования приматов: двух макак-резусов вырастили из эмбриональных клеток.

К сожалению, опыт не удалось повторить.

Помимо производства лекарственных средств, клонирование можно использовать для спасения исчезающих видов животных и растений, лечения генетических болезней домашних животных, производства органов для трансплантации и создания моделей болезней человека.

Поскольку эти эксперименты заставили задуматься о клонировании человека, их определили как аморальные и неэтичные, что в результате привело к запрету исследований в области клонирования.

Перспективным признается лишь клонирование клеток с целью их трансплантации обратно пациенту для замещения поврежденных тканей (терапевтическое клонирование).

Источник: https://www.medweb.ru/encyclopedias/anatomija/article/genom

Ген, геном, хромосома: определение, структура, функции

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

“Ген”, “геном”, “хромосома” – слова, которые знакомы каждому школьнику.

Но представление об этом вопросе довольно обобщенное, так как для углубления в биохимические дебри требуются специальные знания и желание все это понимать.

А оно, если и присутствует на уровне любопытства, то быстро пропадает под тяжестью изложения материала. Попробуем разобраться в хитросплетениях наследственной информации в научно-полярной форме.

Что такое ген?

Ген – это наименьшая структурная и функциональная частица информации о наследственности у живых организмов.

По сути он представляет собой небольшой участок ДНК, в котором содержится знание об определенной последовательности аминокислот для построения белка либо функциональной РНК (с которой также будет синтезирован белок).

Ген определяет те признаки, которые будут наследоваться и передаваться потомками дальше по генеалогической цепи. У некоторых одноклеточных организмов существует перенос генов, который не имеет отношения к воспроизведению себе подобных, он называется горизонтальным.

“На плечах” генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха.

Первый научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 году опубликовал свои наблюдения о результатах при скрещивании гороха. Наследственный материал, который он использовал, четко показывал закономерности передачи признаков, таких как цвет и форма горошин, а также цветки.

Этот монах сформулировал законы, которые сформировали начало генетики как науки. Наследование генов происходит потому, что родители отдают своему чаду по половинке всех своих хромосом. Таким образом, признаки мамы и папы, смешиваясь, образуют новую комбинацию уже имеющихся признаков.

К счастью, вариантов больше, чем живых существ на планете, и невозможно отыскать двух абсолютно идентичных существ.

Мендель показал, что наследст­венные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособлен­ных) единиц.

Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются по­следующим поколениям в мужских и женских га­метах, каждая из которых содержит по одной едини­це из каждой пары.

В 1909 году датский ботаник Иогансен назвал эти единицы генами. В 1912 году генетик из Соединенных Штатов Америки Морган показал, что они находятся в хромосомах.

С тех пор прошло больше полутора веков, и исследования продвинулись дальше, чем Мендель мог себе представить. На данный момент ученые остановились на мнении, что информация, находящаяся в генах, определяет рост, развитие и функции живых организмов. А может быть, даже и их смерть.

Классификация

Структура гена содержит в себе не только информацию о белке, но и указания, когда и как ее считывать, а также пустые участки, необходимые для разделения информации о разных белках и остановки синтеза информационной молекулы.

Существует две формы генов:

  1. Структурные – они содержат в себе информацию о строении белков или цепей РНК. Последовательность нуклеотидов соответствует расположению аминокислот.
  2. Функциональные гены отвечают за правильную структуру всех остальных участков ДНК, за синхронность и последовательность ее считывания.

На сегодняшний день ученые могут ответить на вопрос: сколько генов в хромосоме? Ответ вас удивит: около трех миллиардов пар. И это только в одной из двадцати трех. Геном называется наименьшая структурная единица, но она способна изменить жизнь человека.

Мутации

Случайное или целенаправленное изменение последовательности нуклеотидов, входящих в цепь ДНК, называется мутацией. Она может практически не влиять на структуру белка, а может полностью извратить его свойства. А значит, будут локальные или глобальные последствия такого изменения.

Сами по себе мутации могут быть патогенными, то есть проявляться в виде заболеваний, либо летальными, не позволяющими организму развиваться до жизнеспособного состояния. Но большинство изменений проходит незаметно для человека. Делеции и дупликации постоянно совершаются внутри ДНК, но не влияют на ход жизни каждого отдельного индивидуума.

Делеция – это потеря участка хромосомы, который содержит определенную информацию. Иногда такие изменения оказываются полезными для организма. Они помогают ему защититься от внешней агрессии, например вируса иммунодефицита человека и бактерии чумы.

Дупликация – это удвоение участка хромосомы, а значит, и совокупность генов, которые он содержит, также удваивается. Из-за повторения информации она хуже подвержена селекции, а значит, может быстрее накапливать мутации и изменять организм.

Свойства гена

У каждого человека имеется огромная молекула ДНК. Гены – это функциональные единицы в ее структуре. Но даже такие малые участки имеют свои уникальные свойства, позволяющие сохранять стабильность органической жизни:

  1. Дискретность – способность генов не смешиваться.
  2. Стабильность – сохранение структуры и свойств.
  3. Лабильность – возможность изменяться под действием обстоятельств, подстраиваться под враждебные условия.
  4. Множественный аллелизм – существование внутри ДНК генов, которые, кодируя один и тот же белок, имеют разную структуру.
  5. Аллельность – наличие двух форм одного гена.
  6. Специфичность – один признак = один ген, передающийся по наследству.
  7. Плейотропия – множественность эффектов одного гена.
  8. Экспрессивность – степень выраженности признака, который кодируется данным геном.
  9. Пенетрантность – частота встречаемости гена в генотипе.
  10. Амплификация – появление значительного количества копий гена в ДНК.

Геном

Геном человека – это весь наследственный материал, который находится в единственной клетке человека. Именно в нем содержатся указания о построении тела, работе органов, физиологических изменениях.

Второе определение данного термина отражает структуру понятия, а не функцию.

Геном человека – это совокупность генетического материала, упакованного в гаплоидном наборе хромосом (23 пары) и относящегося к конкретному виду.

Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная как ДНК.

Все геномы содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии организма.

Сами гены занимают небольшую часть генома, но при этом являются его основой. Информация, записанная в генах, — своего рода инструкция для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома.

Ведь в нем присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть будто бы служащими только для самих себя).

По всем этим причинам в настоящий момент, когда заходит речь о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены.

Размер и структура генома

Логично предположить, что ген, геном, хромосома отличаются у разных представителей жизни на Земле. Они могут быть как бесконечно маленькими, так и огромными и вмещать в себе миллиарды пар генов. Структура гена также будет зависеть от того, чей геном вы исследуете.

По соотношению между размерами генома и числом входящих в него генов можно выделить два класса:

  1. Компактные геномы, имеющие не более десяти миллионов оснований. У них совокупность генов строго коррелирует с размером. Наиболее характерны для вирусов и прокариотов.
  2. Обширные геномы состоят более чем из 100 миллионов пар оснований, не имеющих взаимосвязи между их длиной и количеством генов. Чаще встречаются у эукариотов. Большинство нуклеотидных последовательностей в этом классе не кодируют белков или РНК.

Исследования показали, что в геноме человека находится около 28 тысяч генов. Они неравномерно распределены по хромосомам, но значение этого признака остается пока загадкой для ученых.

Хромосомы

Хромосомы – это способ упаковки генетического материала. Они находятся в ядре каждой эукариотической клетки и состоят из одной очень длинной молекулы ДНК.

Их легко можно увидеть в световой микроскоп в процессе деления. Кариотипом называется полный набор хромосом, который является специфичным для каждого отдельного вида.

Обязательными элементами для них являются центромера, теломеры и точки репликации.

Изменения хромосом в процессе деления клетки

Ген, геном, хромосома – это последовательные звенья цепи передачи информации, где каждое следующее включает предыдущее. Но и они претерпевают определенные изменения в процессе жизни клетки. Так, например, в интерфазе (период между делениями) хромосомы в ядре расположены рыхло, занимают много места.

Когда клетка готовится к митозу (т. е. к процессу разделения надвое), хроматин уплотняется и скручивается в хромосомы, и теперь его становится видно в световой микроскоп.

В метафазе хромосомы напоминают палочки, близко расположенные друг к другу и соединенные первичной перетяжкой, или центромерой. Именно она отвечает за формирование веретена деления, когда группы хромосом выстраиваются в линию.

В зависимости от размещения центромеры существует такая классификация хромосом:

  1. Акроцентрические – в этом случае центромера расположена полярно по отношению к центру хромосомы.
  2. Субметацентрические, когда плечи (то есть участки, находящиеся до и после центромеры) неравной длины.
  3. Метацентрические, если центромера разделяет хромосому ровно посередине.

Данная классификация хромосом была предложена в 1912 году и используется биологами вплоть до сегодняшнего дня.

Аномалии хромосом

Как и с другими морфологическими элементами живого организма, с хромосомами тоже могут происходить структурные изменения, которые влияют на их функции:

  1. Анеуплоидия. Это изменение общего числа хромосом в кариотипе за счет добавления или удаления одной из них. Последствия такой мутации могут быть летальными для еще не родившегося плода, а также приводить к врожденным дефектам.
  2. Полиплоидия. Проявляется в виде увеличения количества хромосом, кратного половине их числа. Чаще всего встречается у растений, например водорослей, и грибов.
  3. Хромосомные аберрации, или перестройки, – это изменения в строении хромосом под воздействием факторов внешней среды.

Генетика

Генетика – это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, а также обеспечивающие их биологические механизмы.

В отличие от многих других биологических наук она с момента своего возникновения стремилась быть точной наукой. Вся история генетики — это история создания и использования все более и более точных методов и подходов.

Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, генетической инженерии, микробиологической промышленности.

Наследственность – способность организма обеспечивать в ряду поколений преемственность морфологических, биохимических и физиологических признаков и особенностей.

В процессе наследования воспроизводятся основные видоспецифические, групповые (этнические, популяционные) и семейные черты строения и функционирования организмов, их онтогенеза (индивидуального развития).

Наследуются не только определенные структурно-функциональные характеристики организма (черты лица, некоторые особенности обменных процессов, темперамента и др.), но и физико-химические особенности строения и функционирования основных биополимеров клетки.

Изменчивость — разнообразие признаков среди представителей определенного вида, а также свойство потомков приобретать отличия от родительских форм. Изменчивость вместе с наследственностью представляют собой два неразделимых свойства живых организмов.

Синдром Дауна

Синдром Дауна – генетическое заболевание, при котором кариотип состоит из 47 хромосом у человека вместо обычных 46. Это одна из форм анеуплоидии, о которой говорилось выше. В двадцать первой паре хромосом появляется добавочная, которая привносит лишнюю генетическую информацию в геном человека.

Название свое синдром получил в честь врача, Дона Дауна, который открыл и описал его в литературе как форму психического расстройства в 1866 году. Но генетическая подоплека была обнаружена почти на сто лет позже.

Эпидемиология

На данный момент кариотип в 47 хромосом у человека встречается один раз на тысячу новорожденных (ранее статистика была иной). Это стало возможным благодаря ранней диагностике данной патологии.

Заболевание не зависит от расы, этнической принадлежности матери или ее социального положения. Оказывает влияние возраст. Шансы родить ребенка с синдромом Дауна возрастают после тридцати пяти лет, а после сорока соотношение здоровых детей к больным равняется уже 20 к 1.

Возраст отца старше сорока лет также увеличивает шансы на рождение ребенка с анеуплоидией.

Формы синдрома Дауна

Наиболее частый вариант – появление дополнительной хромосомы в двадцать первой паре по ненаследственному пути. Он обусловлен тем, что во время мейоза эта пара не расходится по веретену деления.

У пяти процентов заболевших наблюдается мозаицизм (дополнительная хромосома содержится не во всех клетках организма). Вместе они составляют девяносто пять процентов от общего количества человек с этой врожденной патологией.

В остальных пяти процентах случаев синдром вызван наследственной трисомией двадцать первой хромосомы. Однако рождение двух детей с этим заболеванием в одной семье незначительно.

Клиника

Человека с синдромом Дауна можно узнать по характерным внешним признакам, вот некоторые из них:

– уплощенное лицо; – укороченный череп (поперечный размер больше продольного); – кожная складка на шее; – складка кожи, которая прикрывает внутренний угол глаза; – чрезмерная подвижность суставов; – сниженный тонус мышц; – уплощение затылка; – короткие конечности и пальцы; – развитие катаракты у детей старше восьми лет; – аномалии развития зубов и твердого неба; – врожденные пороки сердца; – возможно наличие эпилептического синдрома;

– лейкозы.

Но однозначно поставить диагноз, основываясь только на внешних проявлениях, конечно, нельзя. Необходимо провести кариотипирование.

Заключение

Ген, геном, хромосома – кажется, что это просто слова, значение которых мы понимаем обобщенно и весьма отдаленно. Но на самом деле они сильно влияют на нашу жизнь и, изменяясь, заставляют меняться и нас. Человек умеет подстраиваться под обстоятельства, какими бы они ни оказались, и даже для людей с генетическими аномалиями всегда найдется время и место, где они будут незаменимы.

Источник: https://FB.ru/article/253810/gen-genom-hromosoma-opredelenie-struktura-funktsii

Геном человека

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: Геном человека – это совокупность генов, составляющих наследственную

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: “Геном человека”

Студента

Группы РС 31/9

Облапохина С.

1. Что такое генетика в целом. Генетика человека

Генетика в целом – наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, а так же биологические механизмы, их обеспечивающие.

Генетика человека – это раздел генетики, изучающий закономерности наследования и изменчивости признаков у человека, тесно связанный с антропологией и медициной.

Эту отрасль условно подразделяют на антропогенетику, изучающую наследственность и изменчивость нормальных признаков человеческого организма, и медицинскую генетику.

Генетика человека связана так же с эволюционной теорией, так как исследует конкретные механизмы эволюции человека и его место в природе, вместе с психологией, философией и социологией.

Генетика человека по праву может считаться одной из самых важных областей не только биологии, но и всей науки, оказывающей существенное влияние на жизнь и развитие человечества.

Первые генетические представления формировались в связи с сельскохозяйственной и медицинской деятельностью людей. Исторические документы свидетельствуют, что уже 6 тысяч лет назад в животноводстве составлялись родословные, люди уже понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения людей другому.

Передача по наследству из поколения в поколение определенных признаков составляет понятие одного из важнейших свойств живого – наследственность.

Отбирая определенные организмы из природных популяций, и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами.

Из этого следует, что человек замечал и различия, возникающие в поколениях живых организмов и отличающие потомство от родителей.

То есть человек неосознанно (без полного понимания сути процесса) использовал другое основополагающее свойство живого – изменчивость.

Таким образом, наследственность – свойство живых организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями, а изменчивость – изменения наследственных задатков, возникающие в поколениях.

Фундаментальные характеристики живого, указанные выше (наследственность и изменчивость) тесно связаны с размножением и индивидуальным развитием и служат необходимыми предпосылками процесса эволюции. Благодаря изменчивости существует разнообразие живых форм, а наследственность сохраняет эволюционный опыт биологического вида в поколениях.

Но как же развивалась генетика? Первый действительно научный шаг вперед в изучении генетики был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы современной генетики.

Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц.

Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются последующим поколениям в мужских и женских гаметах, каждая из которых содержит по одной единице из каждой пары.

А в 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы “генами”.

В 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах.

Официальной датой рождения генетики считают 1900 год, когда были опубликованы данные Г. де Фриза, К.Корренса и К.Чермака, фактически “переоткрывших” закономерности наследования признаков, установленные Г.Менделем.

Итак первые десятилетия 20-го века оказались исключительно плодотворными в развитии основных положений и направлений генетики:

Было сформулировано представление о мутациях, популяциях и чистых линиях организмов.

Хромосомная теория наследственности.

Открыт закон гомологических рядов.

Получены данные о возникновении наследственных изменений под действием рентгеновских лучей.

Была начата разработка основ генетики популяций организмов.

Что такое геном?

Геном человека – это совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека.

2. Что представляет собой геном человека

Человеческий геном состоит из:

23 пар хромосом, находящихся в ядре

Митохондриальной ДНК (содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.)

Двадцать две пары аутосом

две половые хромосомы Х и Y

Прочие объекты в геноме:

Кодирующие белок последовательности (множество экзон (последовательностей), составляют менее чем 1,5 % генома. Но тем ни менее они являются важной частью генома.

Но так же в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:

повторы

1. тандемные повторы

а) сателлитная ДНК

б) минисателлиты

в)микросателлиты

2. диспергированные повторы

а) SINE-ы (short interspersed nuclear element)

б) LINE-ы (long interspersed nuclear element)

транспозоны

3. ретротранспозоны

а)LTR-ы (long terminal repeat)

Ty1-copia

Ty3-gypsy

а)Не LTR-ы

4. ДНК транспозоны

псевдогены

Это не учитывая известные регуляторные последовательности! Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.

Но соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на “мусорную ДНК”. Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.

3. Международный проект “Геном человека”. Его цели

Уже известный нам американский ученый Джеймс Уотсон в 1988 г. инициировал создание международного проекта “Геном человека”. Данный проект оказался одним из самых дорогих научных проектов в истории изучения генетики.

В проекте заняты тысячи специалистов из разных стран мира – биологи, химики, математики, физики и технические специалисты. На реализацию проекта было потрачено в 1990 г. 60 млн. долл., в 1991 г. — 135 млн, в 1992-1995 гг.

— от 165 до 187 млн. в год.

Самый значительный вклад в финансирование этого проекта внесли США, Великобритания, Германия, Франция и Япония. Только США израсходовали в 1996-1998 гг. соответственно 200, 225 и 253 млн. долл.

Ученые разных стран вели исследования, финансируемые из государственных бюджетов, и объединяли их результаты в едином банке данных.

Цель проекта — выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению.

Проект состоял из пяти основных этапов:

1.составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более чем на 2 млн. оснований, на языке специалистов – с разрешением 2 Мб (мегабаза — от англ. слова “base” — основание);

2.завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;

3.получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);

4.полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);

5.нанесение на карту с разрешением в 1 Мб основание всех генов человека.

И вот в июле 2000 г. Лидеры стран “большой восьмерки” на саммите на острове Окинава официально объявили о том, что расшифрован геном человека.

Итоги проекта. Практическое применение результатов проекта.

По мнению специалистов, 85% информации абсолютно достоверны, т.е. последовательность ДНК в этом объеме перепроверена не один раз, и разночтения больше не выявляются.

Среди наиболее значимых результатов расшифровки генома человека следует выделить следующие:

1.определено примерное число генов человека, их оказалось 23 000, а не 80 000, как предполагалось ранее.

Учёные выдвинули мнение о том, что это происходит, в связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов)

2. генетические инструкции по формированию личности занимают меньше двух с половиной сантиметров на двухметровой ленте ДНК, заключенной практически внутри каждой клетки тела. Что удивляет самих ученых – насколько малая часть человеческого генома напрямую участвует в построении организма;

3.количество генов, несущих эти инструкции, – всего в пять раз больше, чем нужно для взращивания мухи;

4.из 3 млрд. генетических букв, составляющих человеческие гены, которые образуют ДНК, 99,9% одни и те же. Всего одна десятая процента и есть наша индивидуальность, что делает нас теми, кто мы есть – красивыми и не очень, здоровыми или больными, умными или глупыми, добрыми или, наоборот, жестокими;

4.женская яйцеклетка является и главным источником эволюционных новаций;

6.основную ответственность за генетические ошибки несет мужская сперма, в которой содержится вдвое больше мутаций, чем в женской яйцеклетке.

В ходе выполнения проекта “Геном человека” была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях.

Остальная часть является не кодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК (мы говорили о ней ранее).

Кроме того, реализация международного проекта “Геном человека” дала толчок развитию передовых технологий в самых разных отраслях, привела к появлению новых подходов в изучении вирусологии, иммунологии, фармакологии и медицине. Появилась новая отрасль – фармокогенетика. Достижения генетиков могут с успехом применяться в криминалистике и судебной медицине для идентификации личности. Разработан метод “генетической дактилоскопии”.

Так же по последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей, а по митохондриальной ДНК – точно устанавливать родство по материнской линии. Параллельно с расшифровкой генома человека на базе тех же современных методов были полностью прочитаны геномы таких классических генетических объектов изучения, как муха дрозофила и круглый червь нематода.

Тем самым положено начало созданию единого геномного информационного поля, что чрезвычайно важно как для изучения функции тех или иных генов, так и для понимания механизма эволюции.

Оказалось, что человек незначительно отличается по сложности от червя, имеющего в своем геноме 20 тыс. генов. Гены, выполняющие сходные функции и у дрозофилы, и у червя, и у человека, имеют много общего.

Техника расшифровки структуры генома позволила прочитать генетические коды более 30 патогенных микроорганизмов, в том числе возбудителей чумы, холеры, других вирусов. Найден ген, мутация которого может защитить человека от заражения вирусом иммунодефицита.

4. Не изученные аспекты проекта

Однако следует подчеркнуть, что исследования по определению последовательности нуклеотидов в ДНК, которые были объявлены как завершенные, это еще не расшифровка генома. Пройден принципиально важный, но только начальный технологический этап расшифровки генома. Расшифровать – значит понять смысл написанного.

Пока существует только написанный длинный-длинный текст размером около 3 млрд букв. Но ученые до конца не понимают эту “клинопись”. О некоторых участках ДНК уже имеется определенная информация, о других ничего не известно.

Изучена структура в лучшем случае 6-8 тыс. генов, но это только часть генома. О существовании 90% генов и кодируемых ими белковых молекул, регулирующих работу человеческого организма, ученые до сих пор даже не подозревают.

Проблемы завершения проекта.

Очевидно, что у достижений генетиков есть много сторонников и противников. В частности консерватизм и неприятие новаций связаны прежде всего с боязнью непредсказуемости результатов.

Кроме того, существует серьезная психологическая проблема. Открытия генетиков в какой-то степени влияют на мировоззрение человека.

Появляется реальная возможность заглянуть внутрь человека и что-то там исправить. Люди начинают чувствовать себя беспомощными участниками эксперимента. Многие боятся неожиданного, ошеломляющего результата, боятся узнать о себе такое, что может изменить само представление о человеке и его месте в современном мире.

Таким образом, чтобы устранить все препоны к долгой жизни необходимо в ближайшем будущем с помощью генома человека решить следующие проблемы:

1.Страх общества перед переменами.

2.каталогизировать гены, участвующие в процессе старения;

3.исключить хромосомные мутации и мутации в митохондриях;

4.научиться полноценному восполнению потери клеток;

5.решить проблему утилизации внутри- и внеклеточного мусора;

6.избавиться от внеклеточных перекрестных связей.

Решить указанные проблемы поможет использование потенциальных возможностей стволовых клеток и развитие нанотехнологий.

Следует обратить внимание на то, что важной особенностью нашей генетической памяти является то, что в ней хранится “архив” всей нашей жизни.

По всей видимости, есть информация о том какими вы были в детстве и как выглядели в юности, какими стали в зрелости, как выглядим и каково наше здоровье теперь.

Вероятно, клетки “помнят” все физические копии вашего организма, начиная с рождения и до сегодняшнего дня.

Осталось дело за малым – научиться находить эти копии и возвращаться к ним, запуская соответствующие программы.

генетика наука мендель наследственность

5. Прогнозы и планирование учёных в развитии, изучении генов

Для многих заболеваний доступна генная терапия, направленная на исправление “больных генов” или замену “испорченных” генов на “здоровые”. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет.

В 2007 г. был запущен очередной международный проект, получивший название “Энциклопедия ДНК” (Encode). За пять лет ученым удалось проанализировать все 3 млрд пар генетического кода, составляющих человеческую ДНК.

Имея структурную карту ДНК, можно перейти к основному этапу работы – изучению неизвестных участков ДНК, распознаванию неизвестных генов и их функций в организме. Следует выяснить, какие биологически активные и важные для нормального метаболизма вещества они кодируют.

Если болезнь окажется наследственной, зная механизм патологии, то есть к чему приводит та или иная мутация, можно будет найти подходы к лечению.

Если мутация приводит к нехватке какого-либо белка, этот белок восполняется через питание или инъекции. Кроме того белок активируют или инактивируют с помощью лекарственных средств или методов генной терапии. В Америке эта программа уже реализуется по всем известным мутациям в известных генах.

В России в настоящее время диагностируется примерно 30 наследственных заболеваний. Однако важно не только определить функцию того или иного гена, но и понять, как он ведет себя на протяжении всей жизни.

Мало знать, что функция гена гемоглобина – переносить кислород, надо знать, почему способность белка связывать кислород с возрастом слабеет и что происходит в гене. Все это тоже предстоит тщательно изучить.

По мнению специалистов, окончательная расшифровка генома человека может занять не менее 100 лет.

Естественно, практических результатов по увеличению максимальной продолжительности жизни человека следует ожидать от полной расшифровки генома человека.

Планирование:

2010 г.

Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний. Генная терапия применяется при лечении до 25 наследственных заболеваний.

Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика.

В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем.

2020 г.

На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.

Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей.

Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств.

Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде.

2030 г.

Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой примерно 1000 долл.

Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.

2040 г.

Основные сферы здравоохранения и методы лечения основаны на геномике. Предрасположенность к большинству заболеваний определяется ещё до рождения.

Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

Источники

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Генетика_человека

2. http://www.ronl.ru/referaty/biologiya/25483/

3. http://studopedia.ru/9_35346_rezultati-proekta-genom-cheloveka.html

4. http://viperson.ru/articles/mezhdunarodnyy-proekt-genom-cheloveka

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Геном_человека

Размещено на Allbest.ru

Источник: https://revolution.allbest.ru/biology/00737593_0.html

Medic-studio
Добавить комментарий