Тема 8. Геном человека

Под геномом понимается полная генетическая система клет­ки, которая обеспечивает наследственную передачу в ряду по­колений всех ее свойств и признаков. ДНК выполня­ет ту же функцию. Поэтому очень часто выражения "геном" и "ДНК" употребляют как синонимы. Наследственная передача признаков ас­социируется в нашем сознании с генами. Но знаем, что гены занимают относительно небольшую часть генома, их ко­дирующие области составляют не более 3% молекулы ДНК че­ловека. Чем же представлена основная часть генома?

По разным оценкам от 35% до 50% генома человека занято по­следовательностями, многократно повторяющимися в молеку­ле ДНК. Большинство из них не входят в состав кодирующих областей генов. Некоторые повторяющиеся последовательнос­ти выполняют структурную роль. Эта роль очевидна для сателлитных повторов, составленных из относительно коротких мо­нотонных последовательностей, сгруппированных в протяженные тандемные кластеры. Такие последовательности способствуют повышенной спирализации ДНК и могут служить своеобразными опорными точками в каркасе хромосом. Поэто­му неудивительно, что большое количество сателлитных повто­ров локализовано на концах и в центромерных районах хромо­сом, где гены практически отсутствуют. Локализация большого количества сателлитных повторов в этих районах необходима для правильной организации и поддержания хромосомы как еди­ной, целой структуры, а также для правильного расхождения хро­мосом при делении клетки. Но на этом функции сателлитных ДНК не ограничиваются. Так, менее понятной остается роль очень многочисленного класса микросателлитиых повторов, достаточно равномерно распределенных по всем хромосомам и составленных из 1-4 тандемно повторяющихся однотипных по­следовательностей нуклеотидов. Очень многие из них оказыва­ются высокополиморфными по числу повторяющихся элемен­тов в кластере. Это значит, что в гомологичных местах локализации микросателлитов у разных индивидуумов может содержаться разное число повторяющихся элементов. Большая часть подобной изменчивости носит нейтральный характер, то есть не приводит к развитию каких-то патологических процес­сов. Однако в тех случаях, когда нестабильные микросателлит-ные повторы локализованы в генах, увеличение (экспансия) ко­личества повторяющихся элементов в кластерах повторов может существенно нарушать работу этих генов и реализоваться в виде наследственных заболеваний, получивших название болезней экспансии. Высокий уровень полиморфизма многих нейтраль­ных микросателлитных повторов приводит к тому, что большин­ство населения оказывается по ним гетерозиготным. Это свойст­во полиморфных микросателлитных последовательностей в сочетании с их повсеместным распространением делает их наи­более удобными молекулярными маркерами, доступными для анализа практически любого гена.

Другой тип уже несгруппированных, более протяженных по­вторяющихся элементов составляют комплементарные последо­вательности, ориентированные в противоположных направлени­ях по отношению друг к другу. Их называют инвертированными или обращенными повторами. Такие последовательности способ­ны обеспечить приближение удаленных друг от друга участков молекулы ДНК, что может быть важно для выполнения многих ее нормальных физиологических функций.

Попутно отметим, что в геноме человека очень много регуляторных элементов, функции которых связаны с самовоспроиз­водством молекул ДНК, с координированной работой многих генов, составляющих так называемые "генные сети", и с рядом других процессов. Регуляторные элементы, как правило, также многократно повторяются в молекулах ДНК. Кроме того, у выс­ших, в том числе и у человека, более сложная по сравнению с ми­кроорганизмами система регуляции экспрессии самих генов. Это связано с необходимостью обеспечения избирательной работы разных генов в дифференцированных тканях многоклеточного организма. Поэтому у высших организмов существует еще одна дополнитель­ная ступень регуляции, определяющая готовность гена работать в определенной ткани. Регуляторные элементы этой системы (энхансеры), в отличие от основных регуляторов (промоторов), мо­гут располагаться на значительном расстоянии от гена и могут быть по-разному ориентированы по отношению к гену.

И, наконец, наиболее многочисленными являются умерен­ные или низкокопийные повторы, более протяженные по срав­нению с сателлитными ДНК и дисперсно разбросанные по ге­ному. Количество таких повторяющихся элементов может достигать в молекулах ДНК человека десятков тысяч, а иногда и сотен тысяч копий. Их роль еще менее понятна, но очевидно, что они выполняют скорее регуляторные, чем структурные функции. Некоторые виды этих повторов оказываются способ­ны выстраиваться из ДНК, существовать автономно от хромо­сом в виде небольших кольцевых молекул, а затем встраивать­ся в те же самые или в другие места хромосомной ДНК, меняя тем самым свою локализацию. Такие повторы относятся к числу мобильных элементов генома. Интересно, что способность к пере­мещению некоторых конкретных типов мобильных элементов ино­гда подчеркивается в их названиях, которые в переводе с англий­ского звучат как "бродяга" или "цыган". На концах мобильных элементов имеются определенные структурные особенности, обес­печивающие им возможность включаться в структуру ДНК. Кро­ме того, часто в самих этих элементах имеется генетическая ин­формация о ферменте, катализирующем процесс встраивания. Подобные элементы иногда называют мобильными диспергиро­ванными (дисперсно разбросанными по геному) генами - МДГ. К мобильным элементам можно отнести и последовательности некоторых вирусов, которые иногда могут встраиваться в моле­кулы ДНК человека и очень длительно присутствовать там в таком скрытом (литическом) виде. Общая площадь, занимае­мая в геноме человека мобильными элементами, превосходит суммарную площадь генов.

В связи с обнаружением в геноме человека и других видов живых существ большого количества последовательностей, спо­собных менять свою локализацию, было развито целое направле­ние в генетике, получившее название мобильная генетика. В со­ответствии с классическими представлениями все элементы генома имеют постоянную локализацию. Оказалось, что это по­ложение справедливо только в отношении так называемых структурных элементов, куда включаются и гены. Стабильное расположение генов на хромосомах позволяет строить цитогенетические карты, то есть располагать гены относительно цитоло­гически видимых маркеров хромосом. Но наряду с такими обя­зательными или, как говорят, облигатными элементами генома в молекулах ДНК человека имеется большое число факультатив­ных элементов, присутствие которых не является строго обяза­тельным, а их отсутствие не приводит к каким-то заболеваниям. Роль таких факультативных элементов особенно важна в эволю­ционных процессах, о чем мы будем говорить позднее.

Наряду с генами и повторяющимися последовательностя­ми в геноме человека присутствует очень много уникальных последовательностей, не связанных с кодирующими функция­ми. Среди них можно выделить класс псевдогенов, таких по­следовательностей, которые хотя и близки по своему нуклеотидному составу к определенным генам, но отличаются от них присутствием множества мутаций, не позволяющих им служить инструкциями для производства белков - в нашей аналогии это испорченные чертежи. Происхождение и назначение большин­ства уникальных некодирующих последовательностей совсем непонятно. Также непонятна роль интронов - протяженных некодирующих участков генов, которые переписываются в мо­лекулы преРНК на начальном этапе работы генов, а затем вы­резаются из этих молекул в процессе образования мРНК.

В связи с обнаружением в геноме человека большого количе­ства "избыточных" последовательностей, не связанных непосред­ственно с кодирующими, регуляторными, структурными или ины­ми функциями ДНК. Было высказано предположение, что эти последовательности являются "эгоистическими". В процессе эволюции они каким-то образом внедрились в геном человека и сосу­ществуют вместе с нами, не выполняя никаких функций. То есть, своеобразные геномные паразиты. Это предположение кажется вероятным только в отношении очень ограниченного числа последователь­ностей. Не исключено, что в настоящий момент исследователи еще не пони­мают истинного назначения и функций "эгоистических" ДНК и в последую­щем их роль станет более очевидной.

Наряду с существованием в геноме человека большого коли­чества компактной упаковки информации в облас­тях локализации генов. Во-первых, внутри интронных областей одних генов могут располагаться другие гены, прочитывающие­ся в противоположном направлении. Во-вторых, наряду с общим регулятором работы гена (пультом управления) в его интрон­ных областях могут присутствовать дополнительные промото­ры, каждый из которых способен запускать синтез преРНК с разных начальных точек. При этом с одного и того же гена могут образовываться белки разной длины, имеющие между собой сходство по конечным участкам, но различающиеся по началь­ным последовательностям. И, наконец, очень широко распрост­ранено явление альтернативного перехода от преРНК к мРНК, в процессе которого могут по-разному вырезаться последователь­ности, соответствующие интронам и экзонам. В результате об­разуются разные мРНК, отличающиеся друг от друга по набору экзонов. Последние два процесса носят ярко выраженный тканеспецифический характер. То есть в разных тканях один и тот же ген может по-разному прочитываться. В результате образу­ются тканеспецифические изоформы белков, хотя и имеющие между собой определенную гомологию, но значительно разли­чающиеся как по своей структуре, так и по исполняемым функ­циям. Таким образом, в одном и том же гене могут содержаться инструкции о структуре нескольких, а иногда даже нескольких десятков различных белков. Важным моментом является также то обстоятельство, что белки после синтеза могут подвергаться различным модификациям, существенно влияющим на их функ­ции. Все это вместе приводит к значительному разрыву между общим количеством генов и белков человека, и разнообразие белков может быть на порядок больше разнообразия генов.

Не так, как хромосомный геном, устроен геном митохондрий. Мы уже упоминали о том, что около 5% ДНК человека находит­ся в митохондриях - органеллах, ответственных за энергоснаб­жение клетки. Более 15 лет тому назад была расшифрована нуклеотидная последовательность этой молекулы. Оказалось, что митохондриальная ДНК состоит почти целиком из генов и регуляторных элементов. В ней нет повторяющихся и уникальных некодирующих последовательностей, так обильно представлен­ных в хромосомной ДНК человека. Кроме того, гены митохонд­рий не содержат интронов. Подобным образом устроен геном бактерий. И это сходство позволяет предполагать бактериаль­ное происхождение митохондрий. Конечно, митохондрии не су­ществуют сейчас в виде отдельных организмов и их ДНК полно­стью относится к элементам генома человека. Но к подобным же элементам относят ДНК некоторых вирусных и бактериальных сожителей клеток человека (цитосимбионтов), так как они мо­гут играть определенную роль в функционировании генома че­ловека. Конечно, это факультативные элементы, так как присут­ствие подобных микроорганизмов в клетках человека не является строго обязательным.

Возвращаясь к нашим аналогиям, геном можно представить себе как общий план развития организма. Причем этот план со­стоит не только из набора чертежей или генов, но и включает в себя систему обеспечения существования генов, их избиратель­ной координированной работы, копирования, перемещения из клетки в клетку и из одного организма в другой. Поэтому не­удивительно, что гены занимают относительно мало места в молекулах ДНК. Система обеспечения их жизнедеятельности должна быть более объемной, более громоздкой по сравнению с размерами самих генов. В частности, эта система должна вклю­чать повторяющиеся блоки, предназначенные для выполнения однотипных манипуляций с разными генами. И не исключе­но, что такими блоками являются некоторые виды повторяю­щихся последовательностей ДНК и регуляторных элементов.

Очевидно, что человек в определенном смысле является про­изводным своего генома. Но если это так, возникает вопрос, геном является частью человека или каждый из нас служит вре­менной формой для существования и размножения генома?

Кодирующие области ДНК составляют не бо­лее 3% генома. В генах может одновременно содержаться ин­формация о структуре нескольких белков. 35-50% генома занято повторяющимися последовательностями ДНК, выполняющими как структурные, так и регуляторные функции. Функциональ­ное назначение большей части генома остается неясным.