6631

Организация и структура генома, генетические карты

Научная статья

Биология и генетика

Организация и структура генома, генетические карты. В настоящее время термин геном используется для обозначения полной генетической системы клетки, определяющей характер развития организма и наследственную передачу всех его структурных и функциона...

Русский

2013-01-06

22.94 KB

23 чел.

Организация и структура генома, генетические карты.

В настоящее время термин «геном» используется для обозначения полной генетической системы клетки, определяющей характер развития организма и наследственную передачу всех его структурных и функциональных признаков. Геном в современном понимании это не только гаплоидный набор хромосом, но и внехромосомная ДНК, т.е. полный набор, необходимый для формирования и функционирования организма. Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика. Выделяют структурную, функциональную и эволюционную геномику. Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, границы и строение генов, составляет генетические карты организма (физические карты, карты сцепления и т.п.). Функциональная геномика занимается идентификацией функций каждого гена и участка генома, их взаимодействием в клеточной системе. Наконец, эволюционная геномика изучает эволюцию генов, происхождение генетического полиморфизма.

Процесс эволюции и дифференцировки отдельных видов, как правило, сопровождался накоплением изменений в структуре генома. Это касается количества ДНК, ее упаковки, соотношение и функции кодирующих и не кодирующих нуклеотидных последовательностей. В пределах одного вида основные параметры генома достаточно постоянны, а внутривидовое разнообразие обеспечивается за счет мутационной изменчивости. Структура генома человека, как и других высших эукариот, имеет две основные особенности: 1) наличие большого количества "избыточной" не кодирующей ДНК, назначение и функции которой остаются во многом неясными и 2) очень компактное хранение информации в кодирующих областях генома.

Генетическая информация упакована в хромосомы. Хромосомы варьируют по размерам и структуре. Пары аутосомных хромосом классифицируются в кариотипе от самой большой - 1 до самой маленькой - 22. По структуре хромосомы варьируют в зависимости от позиции центромеры и вида плеч. Если центрометра расположена в середине и плечи равны, то хромосома называется метацентрической. Если центромера удалена от центра, до хромосома субметаценгрическая, и в ней выделяют короткое плечо, называемое р (от petite - маленький), и длинное - q (следующая буква за р в латинской алфавите). Если центромера близка к концу хромосомы, то хромосома называется акроцентрическая и очень короткое плечо называется сателлитом. В зависимости от размеров хромосомы разделяют на 8 групп: А (от 1 до 3), В (4 и 5), С (от 6 до 12, Х-хромосома), D (от 13 до 15), Е (от 16 до 18), F (19 и 20), G (21 и 22, Y-хромосома).

В каждой диплоидной клетке с 46 хромосомами содержится около 6 пикограмм ДНК, а общая длина гаплоидного набора составляет 3,5×109 пар нуклеотидов. Основная часть молекул ДНК не несет информации об аминокислотной последовательности белков или РНК. Функции этих участков ДНК неясны, хотя структура некоторых из них изучена подробно. Эта часть ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомологичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально иного генетического кода с неизвестной пока функцией.

Кодирующие и регуляторные области структурных генов наиболее консервативны в процессе эволюции, так как изменения (мутации) в них подвержены жесткому давлению естественного отбора и приводят к нарушению синтеза или функции белка и к развитию патологического состояния, влияющего на жизнеспособности особей, несущих такие мутации. Однако, около 90% генома человека состоит из некодирующих последовательностей, подобных сателлитным повторам, интронам и спейсерным промежуткам между генами. Эти участки значительно более изменчивы и содержат множество, так называемых, нейтральных мутаций, или полиморфизмов, не имеющих прямого фенотипического выражения и не оказывающих заметного влияния на жизнеспособность или репродуктивные свойства носителей. Эта изменчивость не затрагивает общей структуры генома, определяющей различия между видами. Стабильность структурной организации генома в пределах вида также свидетельствует о важной эволюционной роли не кодирующий ДНК-последовательностей и об их участии в процессах онтогенеза.

В то же время информация очень компактно упакована в ДНК. Одна и та же последовательность ДНК в геноме может кодировать несколько различных белков. Это достигается за счет расположения одних генов в интронных областях других генов ("ген в гене"), а также действия различных, чаще всего тканеспецифических механизмов регуляции транскрипции и сплайсинга. Для многих генов человека показана альтернативная транскрипция - существование не одного, а нескольких промоторов, каждый из которых, как правило, работает в разных типах клеток и обеспечивает инициацию транскрипции с разных сайтов. Образующиеся при этом белковые продукты различаются по N-концевым последовательностям. Еще более широко распространена регуляция экспрессии генов на уровне процессинга РНК. Для очень большого числа генов человека характерным является ткане- и эмбрио-специфический альтернативный сплайсинг - образование разных мРНК за счет различного характера вырезания интронов из одной первичной пре-РНК, синтезируемой в клетках разных тканей. С учетом альтернативной транскрипции и альтернативного сплайсинга с одного гена может образовываться несколько десятков разнообразных продуктов.

Не все гены транскрибируются в определенных тканях. Определенный набор генов, получивших название гены "домашнего хозяйства", экспрессируется во всех типах клеток, независимо от их специализации. Эти гены обеспечивают фундаментальные процессы энергетического обмена, дыхания и др., без которых любая клетка существовать не может. Однако экспрессия большинства генов носит тканеспецифический характер, и процесс онтогенетической дифференцировки определяется набором работающих в данной клетке генов. При изучении молекулярных основ патогенеза какого-либо наследственного заболевания важнейшее значение имеет определение характера экспрессии ответственного за данное заболевание гена

Одной из основных характеристик генома является наличие в нем определенных повторяющихся последовательностей ДНК, составляющих около 36% всего генома человека. В зависимости от длины повторяющихся элементов, числа их копий и характера расположения в геноме условно выделяют сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низкокопийные повторы. Длина единиц повтора может варьировать от 1-2 до более чем 2.000 пар оснований, число копий также может меняться от десятков до сотен тысяч на геном. Повторы могут быть сгруппированы в кластеры, либо распределены по молекуле ДНК, могут быть сосредоточены только в определенном районе одной хромосомы или в разных. В подавляющем большинстве случаев повторяющиеся последовательности не входят в состав генов и особенно их кодирующих областей, поэтому они не транскрибируются и не реализуются в виде какого-либо продукта.

Около 10% всего генома составляют небольшие сателлитные повторы ДНК, распределенные по всему геному. Большое количество таких последовательностей локализовано в центромерных и в теломерных районах хромосом и в интенсивно окрашивающихся областях, так называемого гетерохроматина. Сателлитные ДНК могут играть важную роль в поддержании структурной организации хромосом, в их спаривании в процессе мейоза и в правильном расхождении хромосом по дочерним клеткам.

Большое внимание уделяется анализу так называемых микросателлитных ДНК повторов. Особенностями этих повторов являются их огромное число, разная локализация и достаточно равномерный характер расположения в геноме, высокая индивидуальная вариабельность по числу копий повторов в кластере. Эти свойства, особенно высокая индивидуальная вариабельность копий повторов, позволяют использовать эти последовательности в качестве очень удобных генетических маркеров генома. Именно эти повторы активно сейчас используют для картирования генома. Молекулярный анализ гипервариабельных микросателлитных повторов позволяет проводить идентификацию личности, что имеет большое практическое значение в судебной медицине.

Инвертированные или обращенные повторы занимают около 5% генома человека. Эти повторы состоят из двух одинаковых копий ДНК длиной около 300 пар оснований, ориентированных на разных нитях ДНК в противоположных направлениях. Парные копии лежат на различном расстоянии друг от друга или рядом (палиндромы), их распределение по геному носит случайный характер. Наличие инвертированных повторов обеспечивает нормальный процесс приближения удаленных точек генома для облегчения работы ферментов при репликации и транскрипции.

Наконец, умеренные и низкокопийные повторяющиеся последовательности очень гетерогенны по длине и числу копий и составляют около 20% генома. Короткие умеренные повторы длиной до 500 нуклеотидов, так называемые элементы типа Sine, могут встречаться в геноме сотни тысяч раз. Число копий более протяженных последовательностей типа Line, длина которых может достигать 2.000 пар оснований, обычно не превышает десяти тысяч. В этих участках расположены несколько сайтов распознавания рестриктаз, что используется при исследовании структуры ДНК.

Повторяющимися последовательностями являются также различные регуляторные элементы генома, и в частности области начала репликации хромосом. Такие повторы расположены в среднем через каждые 40 тысяч пар оснований и повторены в геноме человека около ста тысяч раз.

Структура митохондриального генома человека отличается от структуры хромосомного генома. Митохондриальные гены не содержат интронов и расположены в митохондриальной ДНК (мтДНК) с высокой плотностью, некодирующие участки сведены до минимума. Более 15 лет тому назад была полностью изучена последовательность митохондриального генома, состоящего из 16.569 нуклеотидов (59 генов, 22 из которых - это гены транспортных РНК, 2 гена рибосомальной РНК и 13 белковых генов, кодирующие субъединицы комплексов окислительного фосфорилирования; 56 субъединиц этого комплекса кодируется ядерными генами). К настоящему времени описаны заболевания, связанные с мутациями в митохондриальном геноме. Многие из них развиваются вследствие нарушений в системе окислительного фосфорилирования.

Взаимное расположение различных компонентов генома относительно друг друга заносится в генетические карты. Возможность построения таких карт определяется линейностью молекулы ДНК и относительной стабильностью расположения структурных элементов генома в пределах вида. Существуют различные типы генетических карт, различающиеся по масштабам и единицам измерения расстояний между отдельными элементами. Уже построены цитогенетические карты хромосом, физические карты участков ДНК и генетические карты сцепления, включая карты генов, карты микросателлитных индексных повторов и карты секвекированных последовательностей ДНК. Для полной молекулярной идентификации отдельных элементов генома, то есть определения их границ и нуклеотидной последовательности, необходимо совмещение всех типов карт в местах локализации этих элементов.

Основным методом построения карт сцепления является классический генетический анализ - наследования признаков в родословных. Генетические локусы, расположенные в разных хромосомах, не сцеплены, то есть независимо друг от друга передаются от родителей детям. Это обусловлено случайным характером расхождения негомологичных хромосом в мейозе. Для генов одной хромосомы часто наблюдается тенденция сохранения сочетания определенных аллелей в ряду поколений. Новые комбинации родительских аллелей в зародышевых клетках могут появиться только при кроссинговере, т.е. обмене участками гомологичных хромосом в процессе их спаривания в мейозе. Вероятность кроссинговера между двумя генами зависит от расстояния между ними. Чем ближе расположены гены, тем вероятность обмена меньше. На картах сцепления расстояние между генами меряют по вероятности обмена между ними (сантиморганиды или сМ). Одна сМ приблизительно равна 1 миллиону пар нуклеотидных оснований. В то же время частота рекомбинаций зависит от множества других условий. Существуют и особые «горячие» точки, где рекомбинация очень активна, и наоборот, участки, где рекомбинация подавлена (центромеры и теломеры хромосом и др.).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56446. Запалюємо «Тимурівські зірочки» 318.5 KB
  Наш проект Запалюємо Тимурівські зірочки передбачає відродження саме тимурівського руху як самостійного напрямку діяльності учнів. Мета проекту: відродження тимурівського руху як самостійного напрямку діяльності.
56447. Типы и структура урока технологии 31 KB
  По этим признакам выделяются: комбинированный урок теоретический урок практический урок уроклабораторная работа урок по решению технических задач контрольнопроверочный урок. Типы уроков технологии отличаются друг от друга своей структурой. Под этим понимается совокупность элементов входящих в урок их последовательность и взаимосвязь.
56448. Типы и структура уроков русского языка 40.5 KB
  В уроке реализуется и программа, и вся методика, осуществляется процесс обучения: деятельность ученика как субъекта учебного процесса и учителя, управляющего этим процессом. Общие требования к уроку русского языка...
56449. Синтаксические трансформации в художественном тексте при переводе с русского языка на украинский язык 245.5 KB
  Теория непереводимости. По этой теории полноценный перевод с одного языка на другой вообще невозможен вследствие значительного расхождения выразительных средств разных языков; перевод является лишь слабым и несовершенным отражением оригинала, дающим о нем весьма отдалённое представление.
56450. Типы уроков иностранного языка 53 KB
  Урок изучения и первичного закрепления новых знаний. Первичная проверка усвоения знаний. Первичное закрепление знаний. Контроль и самопроверка знаний.
56451. ТИПЫ УРОКОВ РУССКОГО ЯЗЫКА 72 KB
  Итак в школьной практике выделяют: урок повторения предшествующего учебного материала в начале учебного года; урок объяснения нового материала урок новых знаний; урок закрепления знаний формирования умений и навыков...
56452. Типы уроков русского языка 68.5 KB
  Применительно к организации учебного процесса на уроках русского языка можно выделить следующие структурные компоненты: а организационный момент начало урока; б проверка письменных домашних заданий...