Глава 5. Геном человека, структура генов
5.1. Общая характеристика генов человека. Мультигенные семейства
Гены человека имеют разрывную экзон-интронную структуру. Кодирующие участки - экзоны имеют ограниченный размер (в среднем 120-150 н.п.), тогда как интроны могут иметь размер до 50 тыс. н.п. Число экзонов пропорционально длине белка. Первоначально предполагали, что экзоны кодируют компактные области белка с автономной функцией - домены. Однако в дальнейшем стало ясно, что экзоны чаще кодируют элементы пространственной структуры: В-структуры, 8-листы, промежуточные субструктуры упаковки, сигнальные (лидерные) пептиды и др. Домены, как правило, кодируются несколькими экзонами. Экзон-интронная структура генов и блочно-доменная структура белков позволяют вести межгенное комбинирование фрагментов различного происхождения, особенно при возникновении новых семейств.
Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не более 60 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена. К 1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене человека, т.е. расшифрована примерно половина генетической информация человека. Полученные данные позволили впервые реально оценить функции генов в организме человека. В таблице 5.1. приведены известные данные по количеству генов, вовлеченных в развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека.
Таблица 5.1.
Название органа, ткани, клетки |
Количество генов |
1.Слюнная железа 2. Щитовидная железа 3 Гладкая мускулатура 4. Молочная железа 5. Поджелудочная железа 6. Селезенка 7. Желчный пузырь 8. Тонкий кишечник 9. Плацента 10. Скелетная мышца 11. Белая кровяная клетка 12. Семенник 13. Кожа 14. Мозг 15. Глаз 16. Легкие 17. Сердце 18. Эритроцит 19. Печень 20. Матка |
17 584 127 696 1094 1094 788 297 1290 735 2164 370 620 3195 547 1887 1195 8 2091 1859 |
Многие гены человека повторены в геноме от нескольких единиц до нескольких сотен раз и образуют мультигенные семейства. Эти гены обычно сгруппированы в кластеры в определенных районах одной либо нескольких хромосом. Во многих мультигенных семействах наряду с функционально активными генами содержатся псевдогены - мутационно измененные последовательности, не способные транскрибироваться или продуцирующие функционально неактивный генный продукт. Примерами мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных, транспортных и ядерных РНК, гены а- и Р-глобинов, тубулинов, миоглобина, актина, интерферона и многих других. В ряде случаев возможна избирательная амплификация некоторых семейств генов в процессе их экспрессии, как, например, генов рибосомальных РНК. При этом число способных транскрибироваться копий генов увеличивается за счет их избирательной амплификации в сотни и даже тысячи раз, что сопровождается лавинообразным нарастанием доли соответствующего генопродукта в клетках. Особое место среди мультигенных семейств занимают супергены - очень большие кластеры из сотен функционально и структурно родственных генов, расположенных в сегментах отдельных хромосом. Классическим примером супергена может служить HLA-комплекс, контролирующий главные антигены гистосовместимости. Он занимает район более 6000 тыс. п.о. на коротком плече хромосомы 6 и состоит из серии тесно сцепленных генов, ответственных за синтез множества белков, включающих клеточные поверхностные антигены, молекулы иммунного ответа и некоторые компоненты комплемента. К супергенным семействам относятся три комплекса расположенных на разных хромосомах мультигенов, контролирующих синтез тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов. Интересно, что в процессе дифференцировки В-лимфоцитов, продуцирующих иммуноглобулины, происходит структурная перестройка этих семейств. При этом отдельные последовательности ДНК элиминируются, тогда как другие сливаются так, что структура генов иммуноглобулинов в зрелых В-лимфоцитах значительно отличается от исходной, т. е. от той, которая наблюдается в зародышевых клетках.
Супергены, занимающие тандемно до 200 кб ДНК, содержат многократные фрагменты генов (рис. 5.1.). Например, у человека, супергены легких и тяжелых иммуноглобинов содержат участки вариабельных (V) сегментов, константных (С) сегментов, соединительных сегментов (J), лидерных участков (L), межгенные интервалы, знаки рекомбинации, сплайсинга, энхансеры и другие элементы управления. Из всего этого многообразия генетических сегментов путем комбинаторики формируется первичное разнообразие антител (~ 109 вариантов), достаточное для узнавания практически любого наперед заданного антигенного детерминанта.
Рисунок 5.1. Супергены иммуноглобулинов
Псевдогены обнаружены для многих генов. Их количество варьирует от одной до нескольких десятков копий на геном и в этом случае они, как правило расположены тандемно. Иногда псевдогены тесно сцеплены с нормальными генами, во многих случаях псевдогены и гены локализованы в разных хромосомах. Для некоторых моногенных заболеваний идентифицированы мутантные аллели, сходные с мутациями в соответствующих псевдогенах.
В геноме человека присутствуют также нуклеотидные последовательности, гомологичные генам некоторых вирусов. Впервые эти последовательности были идентифицированы в геноме вирусов, индуцирующих развитие опухолей у животных и человека, и потому они были названы онкогенами. Гомологичные последовательностям в геноме человека носят название протоонкогенов. В настоящее время уже идентифицировано более 100 протоонкогенов. Белковые продукты протоонкогенов, по-видимому, играют важную роль в нормальной пролиферации клеток особенно на ранних стадиях эмбрионального развития, контролируя клеточный цикл и выбор геномной программы развития клетки. При возникновении специфических мутаций в протоонкогенах, а также при нарушениях регуляции их работы, выражающихся в гиперпродукции или в экспрессии в нетипичном месте или несвойственный момент жизнедеятельности клетки, они начинают вести себя как онкогены, стимулируя неконтролируемое размножение и пролиферацию определенных клеточных клонов, что и может, в конечном счете, привести к формированию опухоли.