Лекция № 13

Тема лекции: Организация генома. Геномика

План лекции:

1. Геномика

2. Уникальные и повторяющиеся последовательности в геноме эукариот

3. Мобильные элементы генома

3.1. Открытие и классификация мобильных элементов

3.2. Мобильные элементы дрозофилы

3.3. Ту-элементы дрожжей

3.4. Транспозоны млекопитающих

3.5. Значение мобильных элементов

1. Геномика

Вспомним классическое определение: «Геном – это совокупность генов гаплоидного набора хромосом данного организма или биологического вида». Сейчас это понятие трактуют шире: геном – это вся ДНК (ядра, митохондрий, плазмид, хлоропластов), содержащаяся в клетке данного организма или вида. Для РНК-содержащих вирусов – геном это вся его РНК.

Геномика - это новый раздел генетики, посвященный изучению на молекулярном уровне строения и функционирования геномов живых организмов. Выделяют структурную и фунциональную геномику, а также медицинскую геномику.

С начала 90-х годов разрабатываются многочисленные так называемые геномные проекты. Цель их заключается в выяснении последовательностей оснований во всех молекулах ДНК в клетках того или иного организма.

Для выполнения работ по геномным проектам используют современные методы генной инженерии, компьютерные технологии обработки данных и базы данных.

Первой крупной удачей геномных проектов было секвенирование генома бактерии Hemophilus influenzae в 1995 г. В 1996 г. был секвенирован геном Saccharomyces cеrevisiae. Геном человека был секвенирован в 2003 г.

К настоящему времени составлены карты геномов около 1000 видов как одноклеточных, так и многоклеточных организмов (мыши, дрозофилы, комара, нематоды и др.).

Расшифровка геномов требует огромных финансовых затрат и скоординированных усилий большого числа ученых из многих стран мира. Например, для того, чтобы расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме дрожжей Saccharomyces cerevisiae, потребовались усилия более чем 600 ученых из 96 лабораторий мира.

Россия сегодня в этих работах фактически не участвует.

Протеом – полный набор белков, которые могут быть синтезированы и модифицированы в течение всей жизни клетки. Протеомика – наука, изучающая протеомы. Цель протеомики – определить для каждого белка, кодируемого генами, его функцию, структуру, особенности посттрансляционной модификации, клеточную модификацию, взаимодействие с другими белками. Пример: у человека ≈30 тыс. генов и ≈полмиллиона белков.

2. Уникальные и повторяющиеся последовательности в геноме эукариот

Главной особенностью генетического материала эукариот в сравнении с прокариотами является наличие избыточной ДНК.

87,8 % генома E.coli занимают белок – кодирующие гены, или цистроны, 0,8 % — гены, кодирующие различные виды РНК (тРНК, рРНК и др.). Таким образом, геном Е. coli на 88,6 % занят генами, а межгенные участки составляют относительно малую долю (около 11%). Однако и межгенные интервалы очень часто содержат различные функциональные сайты, т. е. выполняют регуляторные функции.

Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека только 1 % генома приходится на кодирующие экзоны, 24 % на некодирующие интроны и 75 % на межгенные промежутки. Другими словами, у человека только 1 % ДНК генома кодирует информацию о синтезе белков.

Существуют виды, геном которых в десятки раз больше генома человека, например некоторые рыбы, хвостатые амфибии, лилейные растения. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот.

Различают следующие фракции в геноме эукариот:

1. Уникальные последовательности, т. е. представленные в одном экземпляре. Обычно это – гены.

2. Среднечастотные повторы. Это последовательности, повторяющиеся десятки и сотни раз.

3. Высокочастотные повторы, число которых в геноме достигает 10⁶ копий. Они образуют семейства - совокупность последовательностей, полностью или частично гомологичных друг другу.

Эта фракция генома (сателлитная ДНК в градиенте CsCl) представлена небольшим (10—15) числом семейств коротких (5-12 пн) повторов, образующих протяженные блоки. У большинства видов эта фракция занимает не более 10% генома.

Остальные 90 % генома эукариот построены по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два основных типа интерсперсии, получивших названия по тем видам, у которых они впервые были описаны: интерсперсия типа «ксенопус» (обнаружена у Xenopus Iаеvis) и типа «дрозофила» (впервые описана у D. melanogaster).

Примерно в 50 % генома Xenopus laevis уникальные последовательности из 1500 пн чередуются с повторяющимися, средний размер которых 300 пн. В остальной части геномов типа «ксенопус» расстояния между соседними повторами значительно превышают 1-2 тпн.

Структура генома типа «ксенопус» широко распространена, особенно среди животных. Млекопитающие и человек также относятся к этому типу организации генома.

Дрозофила по параметрам интерсперсии резко отличается от видов, имеющих геном типа «ксенопус». Повторяющиеся последовательности длиной 5600 пн чередуются с уникальными, длина которых не менее 13 000 пн.

Интересно отметить, что у Musса domestica — вида, близкого D. melanogaster, геном устроен по типу «ксенопус». Этот факт прямо указывает на то, что в ходе эволюции возможны очень быстрые преобразования характера чередования последовательностей.

Птицы по параметрам интерсперсии занимают промежуточное положение между типом «ксенопус» и типом «дрозофила». Многие виды не могут быть отнесены ни к тому, ни к другому типу.