Ген, геном, хромосома: определение, структура, функции. Сколько у нас генов? Сколько генов содержится в каждой клетке человека

В новом исследовании показано, что до 20% генов, классифицированных как кодирующие гены (те, которые производят белки, и являются строительными блоками всех живых существ), возможно, не кодируются, поскольку они имеют характеристики некодирующих генов или псевдогенов. Работа , опубликованная в журнале , является результатом международного сотрудничества под руководством автора исследования Майкла Трэса (Michael Tress).

Сколько генов у человека?

Эта работа еще раз подчеркивает сомнения в отношении количества реальных генов, присутствующих в клетках человека через 15 лет после секвенирования генома человека. Последующее сокращение размера генома человека может иметь важные последствия в биомедицине, поскольку количество генов, продуцирующих белки, и их идентификация имеет жизненно важное значение для исследования множества заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и т.д.

С момента завершения секвенирования генома человека в 2003 году специалисты со всего мира работали над составлением конечного протеома человека (общее количество белков, генерируемых генами), и генов, которые их производят. Эта задача огромна, учитывая сложность генома человека и тот факт, что у нас около 20 000 отдельных кодирующих генов.

Исследователи проанализировали гены, каталогизированные как кодирование белка в основных эталонных протеомах человека.

Результаты научной работы

При детальном сравнении эталонных протеомов из международного консорциума GENCODE / Ensembl, RefSeq и UniProtKB обнаружило 22 210 кодирующих генов, но только 19 446 из этих генов присутствовали во всех 3 аннотациях.

Когда они проанализировали 2764 гена, которые присутствовали только в одной или двух из этих эталонных аннотаций, они с удивлением обнаружили, что экспериментальные данные предполагают, что почти все эти гены, скорее всего, являются некодирующими генами или псевдогенами . Фактически, эти гены вместе с другими 1470 кодирующими генами, которые присутствуют в трех справочных каталогах, не эволюционировали, как типичные гены, кодирующие белок. Заключение исследования состоит в том, что большинство из этих 4234 генов, вероятно, не кодируют белки.

По словам ученых, исследование уже оправдывает себя.

«Мы смогли подробно проанализировать многие из этих генов, и более 300 генов уже были реклассифицированы как некодирующие» — объясняет Тресс.

Результаты уже включены в новые аннотации генома человека международным консорциумом GENCODE, частью которого являются исследователи CNIO.

Эта работа еще раз подчеркивает сомнения в отношении количества реальных генов, присутствующих в клетках человека через 15 лет после секвенирования генома человека. Хотя самые последние данные показывают, что количество генов, кодирующих человеческие белки, может превышать 20000, Федерико Абаскаль (Federico Abascal, of the Wellcome Trust Sanger Institute in the United Kingdom), автор исследования, из Института Велком Траст Сэнгер (Wellcome Trust Sanger Institute) в Соединенном Королевстве утверждает: «Наши данные свидетельствуют о том, что у людей может быть только 19 000 кодирующих генов, но мы до сих пор подробно не знаем о них».

«Удивительно, что некоторые из этих необычных генов были хорошо изучены и имеют более 100 научных публикаций, основанных на предположении, что ген продуцирует белок».

Выводы

Это исследование показывает, что все еще существует большая неопределенность, поскольку конечное количество кодирующих генов может быть на 2000 больше или 2000 меньше, чем сейчас. Человеческий протеом все еще требуется дополнительно исследовать, особенно учитывая его важность для медицинского сообщества.

Особенности

Хромосомы

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

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 .

Прочие объекты в геноме

Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома . 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
- 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

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

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 , .

См. также

Примечания

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 .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Геном человека" в других словарях:

Геном человека это геном биологического вида Homo sapiens . В нормальной ситуации у человека может присутствовать 24 различных хромосомы (22+X+Y): 22 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), 2 X хромосома и Y хромосома зависят от пола.… … Википедия

Логотип проекта Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) международный научно исследовательский проект, главной целью которого было опр … Википедия

Логотип проекта Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) международный научно исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и… … Википедия

Проект «Геном человека» - * праект «Геном чалавека» * Human Genome Project or HGP многолетний научно исследовательский проект, задачей которого было получение полной генетической информации, записанной в геноме человека, «прочтение» нуклеотидных последовательностей во… … Генетика. Энциклопедический словарь

проект «Геном Человека» - — Тематики биотехнологии EN Human Genome Project … Справочник технического переводчика

Сравнение десятков тысяч человеческих геномов показало, что абсолютно необходимых генов насчитывается 3230.

В биологии есть понятие минимального генома - минимального набора генов, без которых организм не выживет. Конечно, к этому понятию есть масса вопросов. Например, о каком именно организме идёт речь? Можно взять одноклеточную бактерию, а можно очень и очень многоклеточного человека – по образу жизни они настолько разные, что и набор необходимых генов у них, очевидно, тоже будет разным.

Х-хромосома человека под электронным микроскопом. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimited / Corbis.)

Человеческие хромосомы в момент клеточного деления. (Фото Lester V. Bergman / CORBIS.)

Опять же, есть пункт «образа жизни». При каких условиях минимальный геном будет достаточен? Та же бактерия может попасть в исключительно благоприятную питательную среду, с идеальными показателями температуры, содержания солей, питательных веществ и т. д., а может, наоборот, перейти на голодный паёк, да ещё испытать на себе повышение солёности или кислотности. И набор необходимых для выживания генов в обоих случаях будет разный. Поэтому при обсуждении минимального генома часто оговариваются, что речь идёт именно о благоприятных условиях жизни.

Вообще мысль о том, что одни гены нужнее других, возникла сравнительно давно: так, ещё в 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин оценили минимальный необходимый геном для бактериальной клетки в 256 генов; в 2004 году другими исследователями был предложен набор в 204 гена. Минимальный геном строили на сравнительном анализе нескольких бактериальных геномов; если же говорить о конкретном организме, то здесь неизбежно приходится вспомнить о бактерии Mycoplasma genitalium , возбудителе заболеваний мочеполовой системы человека – у неё насчитывается всего 517 генов, из которых 482 кодируют белки; жизненно важных из них 382. Геном микоплазмы некоторое время считался самым маленьким, пока не были прочитаны ДНК ещё нескольких микроорганизмов, которые могут существовать только в виде симбионтов внутри клеток хозяина. Пока что чемпионом здесь является бактерия Carsonella , обитающая в клетках листоблошек – её геном содержит всего 182 гена с белковой информацией.

Бактерии бактериями, а если попробовать оценить минимальное число генов у человека? Именно это попыталась сделать исследовательская группа под руководством Дэниэла Макартура (Daniel MacArthur ) из Института Броуда. Отделить важные гены от неважных можно, если предположить, что важные гены будут у разных людей полностью или почти полностью похожи друг на друга. Известно, что в генах могут проскакивать небольшие изменения в последовательностях, по которым одна особь отличается от другой; такие изменения могут вообще не сказываться на работе белка, кодируемого геном, или же сказываться незначительно. Но в случае важных генов их модификации с очень большой вероятностью плохо отразятся на организме, и он вряд ли выживет. Что до неважных генов, то они могут в определённых условиях позволить себе работать не очень хорошо, не подвергая нашу жизнь опасности.

И вот исследователи взялись сравнить между собой гены 60 тысяч человек (стоит уточнить, что сравнивали лишь экзоны, то есть те участки генов, которые несут информацию о последовательности аминокислот в белках). В сумме удалось найти 10 млн различий.

С другой стороны, для каждого гена оценивали теоретическое количество вариантов, которые бы он получил, если бы они возникали в нём случайно и так и оставались. Результат теоретической прикидки сравнивали с тем, что получили в ходе сравнительного анализа реальных последовательностей ДНК (взятых, напомним, у 60 тыс. человек). Как и ожидалось, какие-то гены легко «относились» к вариациям в собственной последовательности, другие же, напротив, старались от них избавиться. Посчитав гены, в которых изменений не было или почти не было, авторы работы получили цифру 3230 – именно столько человеческих генов не могут позволить себе никаких, даже малейших изменений в функционировании. То есть, можно сказать, что эти 3230 и есть жизненно необходимый генетический набор человека. (Напомним, что всего же человеческий геном насчитывает, по разным оценкам, от 20 до 25 тыс. генов.)

Очевидно, модификации в последовательностях таких генов сразу же приводят к каким-то тяжёлым расстройствам либо ещё во время эмбрионального развития, так что человек даже не успевает появиться на свет, либо уже после рождения, в детстве или ранней юности (человек умирает, не успев родить детей). Действительно, про 20% из описанных 3230 известно, что они связаны с разными заболеваниями, однако функцию большинства остальных генов ещё предстоит выяснить. Полученные результаты можно использовать в медицинских целях: очевидно, что поиск генетических причин тех или иных заболеваний лучше всего начинать именно с «минимального генетического набора».

Новые данные пока что существуют в виде препринта, статьи с ними пока нет. Возможно, что к моменту официальной публикации, после всех замечаний рецензентов, число генов как-то изменится. Впрочем, оно может измениться и так: кто знает, вдруг, если мы возьмём ещё больший набор последовательностей для анализа, то список необходимых генов увеличится? Не будем забывать и о том, что наш геном, как и любой другой, состоит не только из кодирующих последовательностей (то есть тех, что непосредственно несут информацию о белках) – в ДНК существует масса регуляторных участков, промоторов, энхансеров, инсуляторов, участков, кодирующих регуляторные РНК, и среди них, безусловно, есть жизненно важные.

Кстати говоря, одна из задач определения минимального генома – создание организма в буквальном смысле с нуля. Иными словами, можем ли мы, зная генетический набор минимального генома, создать живую бактериальную клетку, пусть и требующую для себя исключительно благоприятных условий? С бактериями, между прочим, это уже пытаются проделать; что ж, когда-нибудь дело дойдёт и до человека.

Что такое геном человека? Как давно используется этот термин в науке и , и почему данное понятие имеет такое большое значение в наше время?

Геном человека - совокупность наследственного материала, заключенного в клетке . Он состоит из 23 пар .

Гены – это отдельные части ДНК. Каждый из них отвечает за какой-то признак или часть тела: рост, цвет глаз и т.п.

Когда ученым удастся полностью «расшифровать» записанную на ДНК информацию, люди смогут бороться с теми болезнями, которые передаются по наследству. Более того, возможно тогда удастся решить проблему старения.

Ранее считалось, что количество генов в нашем организме составляет более сотни тысяч. Однако международные исследования последнего времени подтвердили, что в нашем организме приблизительно 28 000 генов. На сегодняшний день из них исследовано только несколько тысяч.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Отчего это так – ученые пока не знают.

Клетки тела все время считывают информацию, которая записана в ДНК. Каждая из них выполняет свою работу: разносит по телу кислород, уничтожает вирусы и и т.п.

Но существуют и особые клетки – половые. У мужчин это сперматозоиды, а у женщин – яйцеклетки. В них содержится не 46 хромосом, а ровно половина – 23.

Когда половые клетки сливаются, в новом организме оказывается полный набор хромосом: половина от отца и половина от матери.

Вот почему дети в чем-то похожи на каждого из своих родителей.

За один и тот же признак обычно отвечают несколько генов. Например, наш рост зависит от 16 единиц ДНК. В то же время некоторые гены влияют сразу на несколько признаков (так, обладатели рыжих волос имеют светлый оттенок кожи и веснушки).

Цвет глаз у человека определяется двумя генами, и тот, который отвечает за карие глаза – доминантный. Это означает, что у него больше шансов проявиться при «встрече» с другим геном.

Поэтому у кареглазого папы и голубоглазой мамы малыш, скорее всего, будет кареглазым. Темные волосы, густые брови, ямочки на щеках и подбородке – тоже доминантные признаки.

А вот ген, отвечающий за голубые глаза – рецессивный. Такие гены проявляются значительно реже, если есть у обоих родителей.

Надеемся, что теперь вы знаете, что собой представляет геном человека. Конечно, в ближайшее время наука может удивить нас новыми открытиями в этой области. Но это дело будущего.

Если вам нравятся интересные факты обо всем – подписывайтесь на в любой социальной сети. С нами всегда интересно!

Понравился пост? Нажми любую кнопку.

Геном рыбы фугу примерно в восемь раз меньше, чем геном человека, и в 330 раз меньше, чем геном двоякодышащей рыбы протоптер. Какие« призраки» живут на «кладбищах геномов», и сколько мусора в нашей с вами ДНК?

Александр Панчин

Известный молекулярный биолог Дэвид Пенни из Центра молекулярной экологии и эволюции Аллена Вилсона в новозеландском Университете Массей как-то сказал: «Я бы весьма гордился работой в группе, которая разработала геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что участвовал в проектировании генома человека. Ни в одном университете этот проект не смогли бы настолько испортить». Тема о количестве мусора в нашей ДНК — одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии.

Репликация (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской. При следующем за этим делении каждая из дочерних клеток получает по одной копии молекулы ДНК, идентичной ДНК исходной материнской клетки. Репликацию ДНК осуществляет реплисома — сложный ферментный комплекс, состоящий из 15−20 различных белков.

Немного молекулярной генетики

Напомним, что в основе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК. Она представляет собой полимер из четырех типов мономеров (нуклеотидов): аденина (A), тимина (T), цитозина (С) и гуанина (G) — и уложена в хромосомы. У человека 23 пары расположенных в ядре хромосом (22 пары неполовых и одна пара половых). Они и составляют основу нашего генома (еще 37 генов содержат кольцевые ДНК митохондрий). Если бы мы взяли одну клетку человека, сшили весь диплоидный (парный) набор хромосом вместе и вытянули в нить, то получили бы молекулу длиной в два метра, состоящую из шести миллиардов пар оснований (нуклеотидов). Три миллиарда от папы и три — от мамы.

Плодовая муха дрозофила Drosophila melanogaster. Геном модельной мухи. Геном: 120 млн пар оснований. Генов: 13 500.

Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК — гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула РНК, которая затем играет роль матрицы для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность. Кодирующая часть молекулы РНК может быть разделена на тройки нуклеотидов (кодоны), которые либо соответствуют некоторой аминокислоте, либо определяют место окончания синтеза белка (стоп-кодоны). Правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом. Например, кодон GCC кодирует аминокислоту аланин.

Частично синтетическая бактерия Mycoplasma laboratorium. Синтетический геном, в котором закодированы имена синтезировавших его ученых. Геном: 580 000 пар оснований. Генов: 381.

Померимся генами?

Когда-то думали, что у столь сложного организма, как человек, должно быть очень много генов. Когда проект «Геном человека» подходил к завершению, ученые даже устроили тотализатор: сколько генов будет обнаружено? Каково же было их удивление, когда оказалось, что количество генов у человека и маленького круглого червя Caenorhabditis elegans примерно одинаковое. У червяка около 20 000 генов, а у нас — 20−25 тысяч. Для «венца творения» факт довольно обидный, особенно если учесть, что существует много организмов как с бОльшим по размеру геномом (геном двоякодышащей рыбы протоптер, Protopterus aethiopicus, в 40 раз больше человеческого), так и с бОльшим количеством генов (у риса — 32−50 тысяч генов).

Свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans. Маленький модельный геном животного. Геном: 100 млн пар оснований. Генов: ~20 000.

Но на самом деле у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же нужны остальные 98%? Может, там скрывается секрет нашей сложности? Оказалось, что существуют важные некодирующие участки ДНК. Например, это участки промоторов — последовательностей нуклеотидов, на которые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих работу генов. Это теломеры, защищающие концы хромосом, и центромеры, необходимые для правильного расхождения хромосом по разным полюсам клеток при делении. Известны некоторые регуляторные молекулы РНК (например, микроРНК, препятствующие синтезу белков соответствующих генов на матричной РНК — копии гена-исходника), а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментативных комплексов — например, рибосом, которые собирают из отдельных аминокислот белки, передвигаясь по матричной РНК. Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.

Резуховидка Таля Arabidopsis thaliana. Маленький модельный растительный геном. Геном: 119 млн пар оснований. Генов: ~25 000.

Тем не менее бОльшая часть нашего генома напоминает пустыню: повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков; так называемые эгоистичные мобильные элементы — последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой; различные псевдогены — нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но все еще сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список «призраков», обитающих на «кладбище генома».

Вдвое умнее мух

Идея тотализатора по поводу числа человеческих генов пришла в голову доктору Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-Спринг-Харбор незадолго до завершения проекта «Геном человека». По мере приближения к финалу, с 2000 по 2002 год, ставки выросли с 1 доллара до 20. В результате банк разделили «на троих»: Пол Дир из Британского совета по медицинским исследованиям, который еще в 2000 году поставил на дату своего рождения — 27.04.1962 — 27 462, Ли Роуэн из Института системной биологии в Сиэтле — в 2001 году она поставила на число 25 947, и Оливер Джейлон из французской компании Genoscope (26 500). Когда главного победителя — доктора Дира — спросили, как ему удалось еще три года назад, когда все думали, что генов у человека не меньше 50 000, угадать число с такой точностью, он ответил: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно».

Минимальная мышь

Существует точка зрения, что бОльшая часть генома человека нефункциональна. В 2004 году журнал Nature опубликовал статью, описывавшую мышей, из генома которых были вырезаны значительные фрагменты некодирующей ДНК размером в 0,8 и даже 1,5 млн нуклеотидов. Было показано, что эти мыши не отличаются от обычных строением тела, развитием, продолжительностью жизни или способностью оставлять потомство. Разумеется, какие-то отличия могли остаться незамеченными, но в целом это был серьезный аргумент в пользу существования «мусорной ДНК», от которой можно избавиться без особых последствий. Конечно, было бы интересно вырезать не пару миллионов нуклеотидов, а миллиард, оставив только предсказанные последовательности генов и известные функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную «минимальную мышь», и сможет ли она нормально существовать? Может ли человек обойтись геномом длиной лишь в полметра? Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем. Тем временем еще один важный аргумент в пользу существования мусорной ДНК — наличие достаточно близких организмов с очень разными размерами геномов. Геном рыбы фугу примерно в восемь раз меньше, чем геном человека (хотя генов в нем примерно столько же), и в 330 раз меньше, чем геном уже упомянутой рыбы протоптер. Если бы каждый нуклеотид в геноме был функционален, то непонятно, зачем луку геном в пять раз больший, чем у нас?

На колоссальные различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно. Считается, что именно Оно ввел термин «мусорная ДНК» (junk DNA). Еще в 1972 году, задолго до того, как был прочитан геном человека, Оно высказал правдоподобные представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора» в нем. В своей статье «Столько мусорной ДНК в нашем геноме» он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30000 генов. Это число, на тот момент совсем не очевидное, оказалось удивительно близко к реальному, которое узнали десятки лет спустя. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.

Мимивирус Acanthamoeba polyphaga mimivirus. Самый большой известный геном вируса. Геном: 1 181 404 пар оснований. Генов: 979.

Находка или мусор?

Вызов представлению о существовании мусорной ДНК бросил проект ENCODE — The Encyclopedia of DNA Elements, «Энциклопедия элементов ДНК» (первые его результаты опубликованы в журнале Nature в 2012 году). Получив многочисленные экспериментальные данные о том, какие части генома человека взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции — синтезе РНК-копий генов для последующей трансляции (синтеза белка из аминокислот на матрице информационной РНК) — или других биохимических процессах, авторы пришли к выводу, что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Разумеется, данный тезис вызвал бурное обсуждение в научном сообществе.

Двоякодышащая рыба протоптер Protopterus aethiopicus. Самый большой известный геном. Геном: 133 млрд пар оснований. Генов: много.

Одна из наиболее ироничных статей, опубликованная Дэном Грауром, специалистом по молекулярной эволюционной биоинформатике, профессором Хьюстонского университета, и его коллегами в 2013 году в журнале Genome biology and evolution, называется так: «О бессмертии телевизоров: «функция» в геноме человека по лишенному эволюции Евангелию от ENCODE». Ее авторы отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна. Так, один из них вскоре уточнил в журнале Genomicron, что речь идет не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40%, а другой (в статье в Scientific American) и вовсе снизил показатель до 20%, но при этом продолжал настаивать, что термин «мусорная ДНК» нужно устранить из лексикона.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Быстро меняющийся геном вируса иммунодефицита человека. Геном: 9749 пар оснований (но уже мутировал). Генов: 9, но они кодируют 18 белков.

По мнению авторов статьи «О бессмертии телевизоров», члены консорциума ENCODE слишком вольно интерпретируют термин «функция». Например, существуют белки, которые называют гистонами. Они могут связывать молекулу ДНК и помогают ей компактно укладываться. Гистоны могут подвергаться определенным химическим модификациям. Согласно ENCODE, предположительная функция одной из таких модификаций гистонов — «предпочтение находиться в 5"-конце генов» (5"-конец — это конец гена, от которого движутся ферменты ДНК- и РНК-полимеразы при копировании ДНК или при транскрипции). «Примерно так же можно сказать, что функция Белого дома — занимать площадь земли по адресу 1600, Пенсильвания-авеню, Вашингтон, округ Колумбия», — отмечают оппоненты.

Каша ехала на мотоцикле

Иногда в СМИ можно услышать некорректную фразу «генетический код мутировал». Но мутации происходят не в коде, а в молекуле ДНК (в геноме). В результате меняются нуклеотидные последовательности. Это можно сравнить с заменой буквы в слове. Например, фраза «Маша ехала на мотоцикле» превращается во фразу «Саша ехала на мотоцикле», если одна буква М «мутировала» в букву С. Изменение генетического кода намного серьезней — это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буква М внезапно превратилась в букву К. Теперь у нас «Каша ехала на котоцикле». Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и поэтому в природе происходят крайне редко. Но происходят! Например, у некоторых инфузорий один из стоп-кодонов может кодировать аминокислоту глутамин. Но это скорее исключение, чем правило. У большинства организмов один и тот же генетический код: например, у человека, у червяка или огурца. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.

Возникает проблема и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что к определенному участку ДНК способен прикрепляться важный для функционирования клетки белок, и поэтому ENCODE приписывает этому участку «функцию». Например, некоторый транскрипционный фактор — белок, инициирующий синтез информационной (матричной) РНК — связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA в разных частях генома. После того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза другого важного белка. Мутации (замены любого из нуклеотидов) в этой последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться плохо, белок не будет синтезирован, и это, скорее всего, негативно скажется на выживании организма. Поэтому правильная последовательность TATAAA будет поддерживаться в данном месте генома с помощью естественного отбора, и в этом случае уместно говорить о наличии у нее функции.

Рыба фугу Fugu rubripes. Самый маленький известный геном позвоночного. Геном: 390 млн пар оснований. Генов: 20−28 тысяч.

Другая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку она идентична первой, с ней тоже связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, поэтому связывание ни к чему не приводит. Если в этом участке возникнет мутация, ничего не изменится, организм не пострадает. В данном случае говорить о функции второго участка TATAAA нет смысла. Впрочем, может оказаться, что наличие в геноме большого количества последовательностей TATAAA вдали от генов нужно просто для того, чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его эффективную концентрацию. В таком случае отбор будет регулировать число таких последовательностей в геноме.

Лук репчатый Allium cepa. Один из самых больших растительных геномов. Геном: 16 млрд пар оснований. Генов: неизвестно.

Чтобы доказать, что некоторый участок ДНК функционален, недостаточно показать, что в этом участке происходит некий биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией обладают участки ДНК, которые вовлечены в транскрипцию. «Но почему нужно акцентировать внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, в то время как можно сказать, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом биохимическом процессе — репликации!», — снова шутит Граур.

Антарктические бескрылые комары-звонцы Belgica antarctica. Самый маленький геном членистоногих. Геном: 99 млн пар оснований. Генов: ~14 000.

Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в нем достаточно вредны и значительные изменения этого участка не наблюдаются из поколения в поколение. Как определить такие участки? Здесь на помощь и приходит биоинформатика, современная наука на стыке биологии и математики об анализе последовательностей генов и белков. Мы можем взять геномы человека и мыши и найти в них все похожие участки ДНК. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов очень похожи. Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, довольно консервативны, то есть мутации в них достаточно вредны, чтобы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства. Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от вредных мутаций. Другие участки геномов будут иметь значительные расхождения между видами, что указывает на то, что мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, а значит, их функциональная роль невелика или не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов. В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора. Оказалось, что к ним относятся только около 6,5−10% генома, причем некодирующие участки, в отличие от кодирующих, гораздо меньше подвержены отрицательному отбору. Получается, что с точки зрения эволюционных критериев функциональны менее 10% генома человека. Обратите внимание, как близок к этой оценке был Оно в 1972 году!

Бактерия Hodgkinia cicadicola. Самый маленький известный геном бактерии. Бактерия-симбионт с нестандартным генетическим кодом. Геном: 144 000 пар оснований. Генов: 189.

Мусорная крепость

Но неужели остальные 90% генома человека — мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома служит серьезным ограничивающим фактором, требующим значительных затрат энергии. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергозатрат организма на фоне расходов на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и т. д. В то же время большой геном может быть важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций, потенциально полезных в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. То есть организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим у отдельного организма, но он может играть важную роль на уровне популяции.

Человек разумный Homo sapiens. Геном предположительно на 90% состоит из мусора. Геном: 3 млрд пар оснований. Генов: 20−25 тысяч.

Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на сохранение определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и т. д.

Впрочем, хотя идея, что только 80% или даже 20% генома человека функциональны — спорна, это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В его рамках получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и т. д. Эти данные представляют большой интерес для специалистов. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.