Лекция №20. Геномика (часть 2)
Геномика – недавно возникшее направление науки, объектом изучения которой являются геномы всех организмов, не только человека. Одно из направлений геномики - воссоздание суммарной карты метаболических путей живого, состоящей из частных метаболических карт, характерных для каждого организма.
Выявление в разных геномах определенных наборов генов метаболических функций позволяет предположить, функциональную связь генов этого набора в едином участке метаболической цепи. В частности, один из подходов такой. Исследуют ряд видов (рисунок ниже), к примеру, бактерий. У первых трех видов есть гены для белков 1, 3 и 6. Остальные белки у некоторых есть, а у некоторых нет. Этот набор генов (1, 3 и 6) отсутствует у четвертого вида. Такого рода присутствие-отсутствие цельного набора генов позволяет сделать предположение о том, что кодируемые ими белки каким-то образом связаны в метаболическом цикле. Гены такого набора необязательно располагаются рядом в геноме.
Еще один критерий функциональной связи между генами, особо хорошо работающий на бактериях, основан на сохранении соседства одних и тех же (по сиквенсу) генов у разных видов бактерий. У бактерий нередко бывает, что группа генов, расположенных вместе, отвечает за группу последовательных этапов метаболизма. Такая группа генов регулируется на уровне транскрипции единым образом и называется оперон (единица операции). Часто последовательность расположения генов в опероне совпадает с последовательностью метаболических этапов. Для эукариот соседнее расположение функционально связанных генов не типично, но, хоть такие гены и разбросаны у них по геному, скоординированная регуляция транскрипции есть и эукариот.
На данный момент просеквенировано несколько сотен геномов бактерий и геномы нескольких эукариот. Теперь мы знаем, что у бактерий размеры генома не бывают меньше 0,5 миллионов пар нуклеотидов, а максимальный размер генома около 10 миллионов п.н., у дрожжей (эукариотический организм)– порядка 12 миллионов, у червя нематоды – 97 млн., а у человека – 3 миллиарда пар нуклеотидов. А число генов у про- и эукариот различается уже в меньшее число раз. Минимальное количество генов у бактерии микоплазмы – 470 штук, у дрожжей – 6000, у нематоды – 19000, а у человека около 20000, то есть от нематоды и мухи по количеству генов мы не сильно отличаемся. Количество хромосомной ДНК, приходящейся на один ген у бактерий -1000 п.н. то есть гены упакованы очень плотно; у дрожжей – 2000 п.н., и кое-где гены разделены некоторым пространством; у нематоды – 5000 п.н. на ген и появляются пространства внутри генов – интроны; у человека – 30000 п.н. У нас в геноме большие межгенные пространства и большие пространства внутри генов, которые не переходят в зрелую РНК.
Заметим, все эти организмы по размерам зрелых транскриптов не сильно отличаются. В зрелой РНК белок-кодирующий участок занимает обычно основную часть последовательности. Часть генов кодируют РНК, с которой белок вообще не синтезируется. Перед белок-кодирующей последовательностью в зрелой мРНК расположены участки регуляции трансляции, а после белок кодирующей последовательности – участки определяющие стабильность (время жизни РНК). У прокариот последовательности перед и после белок-кодирующей части гораздо короче, чем у эукариот. Так что по размерам РНК все организмы ближе, чем по размерам генов, а по размерам белков – еще ближе.
Экспериментально проводили «выключение» каждого гена у многих бактерий, и смотрели, выживут они в данных условиях или нет. Оказалось, что у бактерий можно «выключить» (поочередно) около 50% генов, и они все равно будут жить. У дрожжей можно выключить 80% генов и они все равно будут жить.
Как это было экспериментально показано? В геном клетки вставляют репортерный фрагмент ДНК, который позволяет замерить скорость транскрипции и трансляции в точке вставки фрагмента. Известно поэтому, что и траснкрипция и трансляция репортерного гена через данную точку в данных условиях происходит с регуляторных элементов гена, разорванного вставкой репортера, хотя разорванный ген сам не функционален. Таким образом 80% генов дрожжей по одному «убивали» и видели, что клетка дрожжей все равно живет.
У нематоды на 20 000 генов получено несколько десятков тысяч мутаций, которые, по-видимому, поражают около 2 000 генов (так называемых групп комплементации). Это около 10% всех генов нематоды. То есть если «выключить» около 90% генов, клетка будет продолжать жить. У человека из 20 000 генов только в 1700 (меньше 10%) известны мутации, которые связаны с болезнями, наследуемыми по Менделю как моногенный признак.
В связи с этим понятно, что количество генов, мутации в которых будут приводить заболеваниям человека (по крайней мере, к летальным), скорее всего, не увеличится значительно, по сравнению с тем, что уже известно к настоящему времени. Сейчас в интернет доступна база данных OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) по генам, мутации которых приводят к заболеваниям и проявляются как менделирующие признаки.
В геноме не все его участки транскрибируется. В связи с этим встал вопрос экспериментального определения, где и сколько в геноме генов. Под одним геном понимается участок ДНК, который соответствует единому транскрипту, образованному с этого участка. При транскрипции участка ДНК получается так называемыя пре-мРНК, которая содержит и экзоны (участки, переходящие затем в зрелую мРНК), и интроны (вставочные последовательности, которые удаляются из мРНК). Интроны удаляются из пре-мРНК в результате процесса, называемого сплайсингом. Остающиеся в результате участки пре-мРНК, называемые экзонами, соединяются в единую нить. Она называется зрелой мРНК. ( Некоторые из РНК не кодируют белок. Называть такие РНК матричными, т.е. мРНК терминологически не верно, хотя они соответствуют генам и имеют свои функции.)
Зрелая мРНК используется как материал для экспериментального исследования наличия гена в геноме, его положения и интрон-экзонной структуры. Инструментом для такого исследования являются биологические микрочипы.
Первый патент на микрочипы принадлежит коллективу под руководством Андрея Дарьевича Мирзабекова, который был директором Института молекулярной биологии РАН и заведующий одной из кафедр ФМБФ МФТИ. Он предложил иммобилизовать синтетические фрагменты ДНК на твердые матрицы, и проводить гибридизацию этой матрицы с исследуемым образцом нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК.
Как исследовать, действительно ли ген существует, то есть транскрибируется ли данный участок ДНК? Для этого ген представляют в чипе частью его последовательности – олигонуклеотидом, который иммобилизован в микроплощадке с определенными координатами на этой матрице. Этот олигонуклеотид соответствует части экзона, предсказанного компьютером на основе сиквенса геномной ДНК. Чтобы выяснить, действительно геном в данном участке транскрибируется, берется клетка и из нее выделяется суммарная РНК. Из всех этих молекул РНК получают ДНК-копии, которые флуоресцентно метят и проводят гибридизацию с иммобилизованными на микрочипе олигонуклеотидами. Если в данных условиях какие-то площадки с олигонуклеотидами «молчат» (они показаны черным), то это значит, что участок геномной последовательности, комплементарной этому олигонуклеотиду, не транскрибируется. Если же площадка матрицы «светится», значит олигонуклеотиды в этой площадке прогибридизовались с флуоресцентно меченым продуктом, то есть соответствующий участок генома транскрибировался и действительно является частью какого-то гена.
В реальном эксперименте все участки на матрице в той или иной мере «светятся». Поэтому без сравнения с некоторым стандартом, нельзя сказать с чем связано появление сигнала в данной площадке чипа. Чтобы определить, является ли полученный результат ошибкой эксперимента или нет, проводится сравнение двух объектов. Для этого берутся некие клетки А, из них получают РНК, и их флуоресцентно метят (на слайде - красным). То же проводят и с клетками В, но метят РНК другим цветом (зеленым). Затем проводят гибридизацию чипа со смесью этих двух препаратов РНК. Если сигнал в данной площадке на чипе получается красным, значит в клетках А транскрипция данного гена сильнее, чем в клетках В. Если сигнал зеленый, то транскрипция сильнее в клетках В. Если красного и зеленого поровну, то получится желтый цвет. Таким образом, возникает возможность сравнивать уровень траснкрипции данного гена в разных клетках - B, C, D и т.д., нормируя его на уровень транскрипции этого гена в клетках А. При этом сравнивают транскрипцию гена в разных тканях, в них гены экспрессируются по-разному. Можно сравнивать опухоль и норму, тогда выявляют те гены, которые специфически более сильно транскрибируются в опухоли или в норме. Можно посмотреть разные стадии развития, как работают гены в зародышевом развитии и во взрослом состоянии. Таким образом, гибридизация на микрочипах позволяет узнать, какие гены в геноме в данных условиях транскрибируются, а именно этим он и проявляет свою жизнь.
Гибридизация на микрочипах позволяет проверить компьютерное предсказание о том, что данный фрагмент генома – экзон, (участок, остающийся в зрелой мРНК) и он действительно транскрибируется. Каждый ген не обязан экспрессироваться во всех тканях и в каждых данных условиях. Поэтому нужно исследовать много условий и тканей, чтобы выявить все участки генома, соответствующие экзонам. На слайде каждая гибридизация на данном чипе соответствует какому-то одному типу ткани или условиям ее функционирования. Красным указано количество экзонов в каждой из хромосом, существование которых экспериментально подтверждено. На каждом чипе 1 090 408 площадок с пробами-олигонуклеотидами, соответствующими каждому из 442 785 экзонов человека, предсказанных компьютером. Олигонуклеотиды в площадках соответствуют как транскрибируемой нити ДНК, так комплементарной нити. В геноме человека транскрипция комплементарных нитей ДНК, характерна для небольшой части генов. Такие гены перекрываются и, возможно, взаимно регулируются на уровне транскрипции. У бактерий перекрывание генов гораздо более частое явление, чем у эукариот.
Котранскрибируемые экзоны (границы гена) выявляются экспериментально на чипе. Соседние площадки содержат олигонуклеотиды, соответствующие экзонам, соседним в геноме. Граница выглядит как переход от блока площадок одного цвета (красного, олигонуклеотиды принадлежащие котранскрибируемым экзонам) к другому (зеленому). Полный список данных по экспериментальному подтверждению существования всех предсказанных компьютером экзонов пока не существует.
Микрочипы могут быть использованы для исследования изменений уровня транскрипции генов, связанной с возникновением или прогрессией заболевания, (например, опухолевого или инфекционного). Предполагается, что каждая болезнь, характеризуется своим штрих-кодом - изменением уровня транскрипции набора генов характерного именно для данной болезни. Этот анализ является очень важным для усовершенствования функциональной диагностики в медицине.
Провели такой опыт. Взяли образцы РНК из опухолей у двух групп больных. В одной группе метастазы были, а в другой – нет. Метастазы – это возникновение новых очагов опухоли в организме, пространственно отделенных от исходного очага. На данном чипе довольно резко проходит граница между группами зеленых и красных площадок. То есть видны гены, изменение уровня экспрессии которых характерно для стадии метастазирования опухоли, что можно использовать для диагностики этой стадии. Пока этот метод диагностики недоработан. Предполагается, что в будущем по штрих-коду изменения экспрессии в определенном наборе генов можно будет диагностировать конкретные заболевания и стадии их развития, а следовательно и знать, как лечить.
Сделаем небольшое отступление. На прошлых лекциях было рассказано про генетические карты. Такие карты были построены для многих видов. На видах с подробными генетическими картами проводится экспериментальный поиск мутаций связанных с регистрируемыми морфологическими изменениями. На слайде показана схема такой работы на рыбах. Вначале проводят мутагенез. После этого получают гибриды первого поколения. Их используют для возвратных скрещиваний с мутагенизированными родителями. Если оказывается, что какой-то признак выявляется, то смотрят, с какими генетическими маркерами он сонаследуется. Таким образом исследуется, какие гены повреждены мутациями, выявляемыми фенотипически.
Обобщая вышесказанное, гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.
На этом слайде показано, что существуют бактерии, у которых количество генов может быть больше, чем например у дрожжей. Мы привыкли считать, что бактерии устроены проще, но это не всегда так. Существуют бактерии, у которых генов порядка 10 тысяч.
Даже для прекрасно изученного организма – кишечной палочки, не понятны функции около трети из 4289 ее генов. Известна и последовательность нуклеотидов в этих генах, и как они транскрибируются и т.д., но все равно не известно, какую функцию они выполняют.
На этом слайде хотелось бы обратить ваше внимание на то, что хотя число генов разнится у разных видов, но число так называемых белковых доменов (структурные единицы в белке, отвечающие за единичную функцию) отличаются в пределах разных царств живого (прокариоты и эукариоты) до полутора раз, не более. Конечно комбинации этих доменов разные, но сами домены похожи, то есть они кодируются сходными по последовательности нуклеотидов участками генома и эти сходные участки имеют общее происхождение в эволюции.
Обратно заявление будет не верно. Если функции белков сходны, это не означает, что их структура будет одинакова. Одна и та же функция, например, один и тот же каталитический процесс, может выполняться разными, не родственными по происхождению белками. Один и тот же процесс может катализироваться даже и белком и РНК (рибозим), у которых нет ничего общего в происхождении.
На данном слайде показаны средние значения характеристик различных элементов генов человека. Средний размер экзона - 145 нуклеотидов, интрона – 3365 и т.д. В общей сложности получается, что белок-кодирующая часть гена невелика по сравнению с белок-некодирующей частью, поэтому, когда происходят какие-нибудь мутации, велика вероятность, что промутирует белок-некодирующая часть. Такие мутации или вообще не скажутся на структуре белка, или приведут к изменению его количества, но не структуры (изменения регуляторных участков инициации транскрипции или стабильности РНК), или приведут к драматическим изменениям структуры РНК (мутации в мишенях для сплайсинга).
Общая структура генома такова. Напомню, что размер генома человека 3200 Mb. Гены занимают всего 1200 Мb. Основная часть этого пространства приходится на псевдогены (нефункциональные гены, инактивированные мутациями), различные фрагменты генов и интроны. А на экзоны функциональных генов (суммарная длина зрелых РНК) приходится 48 Мb. Здесь есть некоторое лукавство, так как на одну пре-мРНК в среднем приходится 1,4 зрелых РНК. А из одной зрелой мРНК в некоторых случаях может получиться до тысячи белков. Межгенная ДНК занимает 2000 Мb, она представлена главным образом короткими рассеянными по всему геному повторяющимися последовательностями, которые занимают 1400 Мb. Один из таких повторов – Alu-повтор, длиной около 300 п.н., повторен в геноме миллион раз. Другой примечательный тип рассеянных повторов – длинные концевые повторы (LTR, long terminal repeat). Эти элементы являются молекулярными свидетельствами перескока фрагмента ДНК внутри генома. Общая протяженность таких участков на молекуле ДНК– 250 Мb.
Число генов у человека оценено в 20 - 25 тысяч, (оценка 2001 г. - 35 – 40 тыс.) .
Основная часть генома человека занята не генами: 63-74% длины – межгенные пространства, половина из них – повторы. Ген человека внутри «пустой»: 95% внутригенной ДНК вырезается (интроны). Общая длина белок кодирующих областей около 1% от геномной ДНК человека. Это лишь в 3 раза больше длины генома бактерий.
От 26383 до 39114 генов человека были предсказаны компьютером (в 2001г.), но лишь менее 7000 были подтверждены на человеке. И более, чем для 80% генов, хоть в чем-то была пересмотрена структура в период с 2001 по 2003г и продолжает уточняться на микрочипах.
Сейчас предсказанное число генов у человека 20-25 тысяч и существование около 19 000 из них экспериментально подтверждено – с них образуются транскрипты.
Имеющееся на данный момент определение гена (ген – это фрагмент геномной ДНК с котранскрибируемыми субфрагментами) - не полное. Например, возможна транскрипция с двух цепей. Плохо выявляются короткие гены и белок-некодирующие гены. Их, по крайней мере, под тысячу, но точное число не известно. Такие гены – тоже гены, хоть белок они и не кодируют. Они - гены, потому что с них образуется РНК. Причем РНК некоторых белк-некодирующих генов состоит из нескольких экзонов. То есть, клетке эти РНК зачем-то нужны, но мы пока не понимаем, зачем.