Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

Б. Организация генома человека

Геном эукариотических клеток (клеток человека в частности) содержит значительно больше ДНК, чем геном прокариотов. У кишечной палочки Е. coli ДНК содержит 3,8x10⁶ пар нуклеотидов или около 3000 генов. При этом вся ДНК выполняет определённые функции: кодирует белки, рРНК, тРНК или участвует в регуляции образования генных продуктов. Общая длина ДНК гаплоидного набора из 23 хромосом человека составляет 3,5x10⁹ пар нуклеотидов, что в 1000 раз превосходит размер генома прокариотов. Этого количества ДНК достаточно для создания нескольких миллионов генов. Однако, согласно многим независимым подсчётам, истинное число структурных генов находится в области 100 000, а по данным Международного консорциума и фирмы «Целера Геномике», полученным при секвенировании генома человека и опубликованным в 2001 г., число белок-кодирующих генов, по оценкам первой организации, составляет 31780, а по оценкам второй — 39 114 генов. Последовательность нуклеотидов в ДНК человека имеет области, кодирующие белки (не более 2% общего генома), области, кодирующие РНК (около 20% генома), и повторяющиеся последовательности (более 50% общего генома).

Функции «избыточной» ДНК до конца не ясны, полагают, что она участвует в регуляции экспрессии генов, процессинга РНК, выполняет структурные функции, повышает точность гомологичного спаривания и рекомбинации хромосом в процессе мейоза, способствует успешной репликации. Большая часть этой ДНК возникла в результате обратной транскрипции РНК и благодаря наличию подвижных элементов.

Часто повторяющиеся последовательности ДНК

Во фракции «избыточной» ДНК выделяют относительно короткие последовательности длиной от 2 до 10 пар нуклеотидов, повторяющиеся миллионы раз. Эти часто повторяющиеся последовательности получили название «сател-литной ДНК». Они составляют около 10% всего генома человека, рассеяны по всему генетическому материалу клетки, но преимущественно локализуются в центромерных и теломерных областях большинства хромосом.

Умеренно повторяющиеся последовательности ДНК

Выделяют также группу умеренно повторяющихся последовательностей ДНК, очень гетерогенную по длине и числу копий, составляющую более 30% генома человека. Эта фракция включает ДНК, кодирующую структуру рРНК, тРНК и некоторых мРНК. Гены гистонов присутствуют в геноме в количестве нескольких сотен копий и также принадлежат к этому классу. Умеренно повторяющиеся последовательности ДНК включают участки, которые не транскрибируются, но важны в регуляции экспрессии генов: промоторы и энхансеры. В этой группе были обнаружены последовательности ДНК длиной примерно в 300 пар нуклеотидов, которые повторяются около миллиона раз (в среднем через каждые 5000 пар нуклеотидов) и рассеяны по всему геному человека.

Частые представители умеренно повторяющихся последовательностей — line-семейство (от англ. long interspersed elements), или семейство длинных рассеянных элементов, в которое входят ДНК последовательности длиной от 5000—8000 пар нуклеотидов, встречаются в геноме в количестве 850 000 копий.

Уникальные последовательности ДНК Они представлены ДНК-последовательностя-ми, которые присутствуют в геноме в количестве одной или нескольких копий, и транскрибируются, образуя мРНК, содержащие информацию о различных белках (рис. 4-58).

Рис. 4-58. Распределение уникальных, умеренно и часто повторяющихся последовательностей ДНК в гипотетической хромосоме человека. Уникальные последовательности (3) транскрибируются в виде мРНК. Эти гены встречаются в одной или нескольких копиях. Гены рРНК и тРНК представлены множеством копий, образующих кластеры в геноме. Гены большой пре-рРНК образуют ядрышковый организатор. Умеренно повторяющиеся последовательности (2) распределены по всему геному, а часто повторяющиеся последовательности (1) образуют кластеры в областях центромеры и концов хромосомы — теломеров

Типичный ген человека состоит примерно из 28 000 нуклеотидов и содержит в среднем 8 экзонов, его кодирующая последовательность составляет около 1340 пар нуклеотидов и шифрует белок, включающий 447 аминокислотных остатков. Самый крупный ген — ген мышечного белка дистрофина, состоящий из 2,4х10⁶ пар нуклеотидов, а наибольшее количество экзонов (234) присутствует в гене фибриллярного белка титина, ответственного за пассивную эластичность скелетных мышц.

Нередко уникальные последовательности образуют мультигенные семейства, располагающиеся в виде кластеров в определённых областях одной или нескольких хромосом. Примерами мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных, транспортных и малых ядерных РНК, гены α- и β-глобинов, тубулинов, миоглобина, актина, трансферина и многих других.

В мультигенных семействах наряду с функционально активными генами содержатся псевдогены — мутационно изменённые последовательности, не способные транскрибироваться или продуцирующие функционально неактивные генные продукты.

Псевдогены — одна из важных структурных особенностей генома человека. Эти уникальные последовательности очень сходны по структуре с определёнными генами. В связи с тем, что в генных семействах наряду с псевдогенами сохраняются неизменённые гены, жизнеспособность организма не нарушается. Для многих генов обнаружены псевдогены. Их количество варьирует от одной до нескольких десятков копий на геном, и, как правило, они расположены тандемно. Иногда псевдогены и соответствующие им нормальные гены локализованы в разных хромосомах.