Геном человека

Графическое представление нормального человеческого кариотипа.

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований^[1].

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используется по всему миру в биомедицинских исследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20 000—25 000 генов^[2], что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта. Только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональную РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК^[3].

Особенности

Хромосомы

Геном человека состоит из 23 пар хромосом (в сумме 46 хромосом), где каждая хромосома содержит сотни генов, разделённых межгенным пространством. Межгенное пространство содержит регуляторные участки и ничего не кодирующую ДНК.

В геноме присутствует 23 пары хромосом: 22 пары аутосомных хромосом, а также пара половых хромосомы X и Y. У человека мужской пол является гетерогаметным и определяется наличием Y хромосомы. Нормальные диплоидные соматические клетки имеют 46 хромосом.

Гены

По результатам проекта Геном человека, количество генов в геноме человека составляет около 28000 генов. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. В связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.

Число генов человека не намного превосходит число генов у более простых организмов, например, круглого червя Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster. Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бандами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.

Кроме кодирующих белок генов человеческий геном содержит тысячи РНК-генов, включая транспортную РНК (tRNA), рибосомную РНК, микро РНК (microRNA) и прочие не кодирующие белок РНК последовательности.

Регуляторные последовательности

В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.

Идентификация регуляторных последовательностей в человеческом геноме частично была произведена на основе эволюционной консервативности (свойства сохранения важных фрагментов хромосомной последовательности, которые отвечают примерно одной и той же функции). Согласно некоторой гипотезе, в эволюционном дереве ветвь разделяющая человека и мышь появилась приблизительно 70-90 миллионов лет назад^[4]. Для двух геномов компьютерными методами были выявлены консервативные последовательности (последовательности идентичные или очень слабо отличающиеся в сравниваемых геномах) в не кодирующей части и оказалось, что они активно участвуют в механизмах регуляции генов для обоих организмов^[5].

Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу. Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8-раз меньший объём «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов^[6].

Прочие объекты в геноме

Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома^[3]. Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома. К таким объектам относятся:

• повторы
  • тандемные повторы
    • сателлитная ДНК
    • минисателлиты
    • микросателлиты
  • диспергированные повторы
    • SINE-ы (short interspersed nuclear element)
    • LINE-ы (long interspersed nuclear element)
• транспозоны
  • Ретротранспозоны
    • LTR-ы (long terminal repeat)
      • Ty1-copia
      • Ty3-gypsy
    • Не LTR-ы
  • ДНК транспозоны
• псевдогены

Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.

Соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на «мусорную ДНК». Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.

Псевдогены

Эксперименты с ДНК-микрочипами показали, что много участков генома, не являющихся генами, вовлечены в процесс транскрипции^[7].

Вирусы

Около 1 % в геноме человека занимают встроенные гены ретровирусов (эндогенные ретровирусы). Эти гены обычно не приносят пользы хозяину, но существуют и исключения. Так, около 43 млн. лет назад в геном предков обезьян и человека попали ретровирусные гены, служившие для построения оболочки вируса. У человека и обезьян эти гены участвуют в работе плаценты.

Большинство ретровирусов встроились в геном предков человека свыше 25 млн. лет назад. Среди более молодых человеческих эндогенных ретровирусов полезных на настоящий момент не обнаружено^[8],^[9].

См. также

• Гаплогруппы
• Проект «Геном человека»

Примечания

1. ↑ Talking glossary of genetic terms: genome  (англ.). National Human Genome Research Institute. Архивировано из первоисточника 4 ноября 2012. Проверено 1 ноября 2012.
2. ↑ International Human Genome Sequencing Consortium (2004). «Finishing the euchromatic sequence of the human genome.». Nature 431 (7011): 931-45. PMID 15496913. [1]
3. ↑ ^{1 2} International Human Genome Sequencing Consortium (2001). «Initial sequencing and analysis of the human genome.». Nature 409 (6822): 860-921. PMID 11237011. [2]
4. ↑ Nei M, Xu P, Glazko G (2001). «Estimation of divergence times from multiprotein sequences for a few mammalian species and several distantly related organisms.». Proc Natl Acad Sci U S A 98 (5): 2497-502. PMID 11226267.
5. ↑ Loots G, Locksley R, Blankespoor C, Wang Z, Miller W, Rubin E, Frazer K (2000). «Identification of a coordinate regulator of interleukins 4, 13, and 5 by cross-species sequence comparisons.». Science 288 (5463): 136-40. PMID 10753117. Summary
6. ↑ Meunier, Monique Genoscope and Whitehead announce a high sequence coverage of the Tetraodon nigroviridis genome  (англ.). Genoscope.(недоступная ссылка — история) Проверено 12 сентября 2006.
7. ↑ Claverie J (2005). «Fewer genes, more noncoding RNA.». Science 309 (5740): 1529-30. PMID 16141064.
8. ↑ Eugene D. Sverdlov. Retroviruses and primate evolution. BioEssays Volume 22, Issue 2, pages 161–171, February 2000
9. ↑ Anders L Kjeldbjerg, Palle Villesen, Lars Aagaard, Finn Skou Pedersen. Gene conversion and purifying selection of a placenta-specific ERV-V envelope gene during simian evolution // BMC Evolutionary Biology. 2008. V. 8. P. 266.

Список литературы

• Тарантул В. З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. — Языки славянской культуры, 2003. — 396 с. — ISBN 5-94457-108-X.
• Ридли Мэтт. Геном: автобиография вида в 23 главах. — М.: Эксмо, 2008. — 432 с. — ISBN 5-699-30682-4

Ссылки

• Всеобщая декларация о геноме человека и правах человека ЮНЕСКО, 1997
• Lindblad-Toh K, et al. (2005). «Genome sequence, comparative analysis and haplotype structure of the domestic dog.». Nature 438 (7069): 803-19. PMID 16341006.[3]
• The National Human Genome Research Institute
• The National Office of Public Health Genomics