2. Общая характеристика генома человека

Мы рассмотрели, что* собой представляет ген, кодирую­щий полипептидную цепь и как осуществляется контроль за синтезом такой цепи. Надо, однако, заметить, что последова­тельность ДНК таких генов составляет менее 2 % всего гено­ма (весь геном представлен более чем 3 млрд п.н.)¹. Осталь­ная часть генома представлена последовательностями ДНК, не кодирующими белки. Около 73 % составляют так называе­мые однокопийные ДНК (гены, кодирующие белки, также яв­ляются однокопийными, но они в данном случае не включе­ны в 73 %). Как следует из их названия, однокопийные ДНК

Ш.н. — пары нуклеотидов, т.п.н. — тысячи пар нуклеотидов.

представлены в геноме однажды или в крайнем случае всего несколько раз. Однокопийные ДНК состоят в основном из ДНК-последовательностей интронов и последовательностей, расположенных между генами. Оставшиеся 25 % генома — это повторяющиеся последовательности, которые встречают­ся в геноме сотни или тысячи раз. Они делятся на диспергиро­ванные последовательности ДНК и сателлитные ДНК

Диспергированные последовательности ДНК (15 % всей ДНК) представлены SINE (короткие вставочные элементы) и LINE (длинные вставочные элементы) и некоторыми други­ми последовательностями. Отдельные SINE-последователь- ности имеют протяженность от 90 до 500 п.н., а отдельные LINE-последовательности могут включать до 7000 т.п.н. Один из типов SINE-последовательностей называется Alu-после- довательностями из-за того, что они разрезаются Alu-рест- риктазой. Всего в геноме содержится от 300 000 до 500 000 Alu-последовательностей. Особенностью этих последователь­ностей является то, что они могут копировать сами себя и копии могут вставляться в разные части геномной ДНК, в том числе в гены, нарушая их функцию. Следовательно, Alu-последовательности могут быть одним из типов мутаций. Сателлитные повторы собраны в пучки в разных районах раз­ных хромосом и состоят из одной и той же последовательно­сти, повторяющейся много раз. Сателлитные повторы ДНК не имеют никакого отношения к спутникам хромосом, о ко­торых пойдет речь в главе, посвященной хромосомам челове­ка. Сателлитная ДНК составляет примерно 10 % последова­тельности генома и подразделяется на а-сателлитную ДНК, мини- и микросателлиты. а-Сателлитная ДНК обычно обна­руживается рядом с центромерами всех хромосом. Ее базовая последовательность состоит из 171 нуклеотида и она может тандемно, т.е. стык в стык, повторяться тысячи раз. Ми- ни-сателлиты также представляют собой тандемно соединен­ные повторы. Базовая последовательность может состоять из

20. 70 п.н., повторяться такая последовательность может де­сятки раз. Микросателлиты — еще один тип тандемно соеди­ненных повторов. Их базовая последовательность короткая, всего 2—4 п.н., а общая длина не превышает нескольких со­тен пар нуклеотидов. Как микро-, так и мини-сателлиты ши­роко и успешно использовали для генетического картирова­ния и всего генома человека и отдельных генов, так как они обнаруживают широкую вариабельность по числу повторов и вследствие этого могут рассматриваться как полиморфные локусы¹.

Полиморфными называются такие локусы, в которых обнаружива­ются два и больше аллелей, и частота редкого аллеля превышает 1 %. Подробнее о полиморфизме см. главу 9.

Ген — это отрезок молекулы ДНК. Только эта макромоле­кула из огромного спектра макромолекул, существующих в каждой клетке каждого живого организма, способна са- мовоспроизводиться, а значит, передавать в поколениях клеток или организмов содержащуюся в ней информацию. Способность ДНК к самовоспроизведению обусловлена особенностями ее химической структуры.

В 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик опубликовали историче­скую статью о физической структуре ДНК. Согласно модели Уотсона и Крика, молекула ДНК представляет собой двой­ную спираль. Цепи этой спирали образуют дезоксирибоза и фосфатные группы. Через определенные промежутки к каж­дой цепи крепится азотистое основание, обращенное внутрь спирали. Каждое азотистое основание может соединиться только с другим строго определенным и комплементарным ему основанием, а именно: аденин с тимином, а гуанин с цитозином. Именно это свойство нуклеотидов комплемен­тарно спариваться обеспечивает основу для точного воспро­изведения последовательности нуклеотидов каждой цепи ДНК, или конвариантной редупликации.

Сохранение всей имеющейся в исходной молекуле ДНК информации в виде определенной последовательности нуклеотидов обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, кото­рый называется репликацией ДНК. Это достаточно слож­ный процесс, в котором участвуют разнообразные фермен­ты, прежде всего ДНК-полимераза и другие белки.

Последовательность нуклеотидов ДНК является кодом для построения всех белков организма и некоторых ти­пов РНК. Генетический код является триплетным (каж­дая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов), не- перекрывающимся и вырожденным (одна аминокислота может кодироваться несколькими разными триплетами нуклеотидов). Наиболее важны первые два нуклеотида каждого кодона.

Для того чтобы информация о структуре белка, записан­ная на языке кодонов ДНК, попала в цитоплазму клетки, он сначала переписывается (транскрибируется) на молеку­лу мРНК. Транскрипция обеспечивается большим количе­ством ферментов и белков, особая роль принадлежит РНК-полимеразе. После окончания транскрипции мРНК происходит ее созревание, или процессинг, который за­ключается в том, что из первичного транскрипта мРНК вы­резаются специальными ферментами интроны, а экзоны, представленные в мРНК, соединяются с помощью специа­льных ферментов вместе, образуя функционально зрелую мРНК.

В цитоплазме клеток происходят расшифровка информа­ции, закодированной с помощью генетического кода, и построение на матрице мРНК полипептидной цепи опре­деленного белка. В этом процессе участвуют еще два вида РНК — рибосомная (р) и транспортная (т). тРНК служат для переноса аминокислот. Комплементарность антикодо­на тРНК кодону мРНК является тем специфическим ме­ханизмом, который обеспечивает строгую трансляцию по­следовательности кодонов мРНК и соответственно гена в последовательность аминокислот кодируемой им поли­пептидной цепи. Образование полипептидной цепи из по­следовательно доставляемых к мРНК тРНК с соответству­ющими аминокислотами происходит на рибосомах.

Структура гена у высших организмов достаточно слож­ная. В нее входят промотор, содержащий сайт инициации транскрипции, экзоны и интроны. Экзоны содержат коди­рующие последовательности гена, функция интронов остается неизвестной. На границе экзонов и интронов располагается консенсусная последовательность, которая распознается ферментами сплайсинга, т.е. ферментами для вырезания интронов из первичного транскрипта мРНК. На З’-конце гена уже в некодирующей части рас­положен сайт, обеспечивающий добавление 100—200 остатков аденина к мРНК для обеспечения ее стабильно­сти. Для гена характерна так называемая открытая рамка считывания, т.е. наличие достаточно длинной последова­тельности триплетов, кодирующих аминокислоты, не пе­ребиваемые стоп-кодонами или бессмысленными трипле­тами.

Последовательность генов, кодирующих белки, состав­ляет менее 2 % всего генома (весь геном представлен бо­лее чем 3 млрд п.н.). Остальная часть генома представлена последовательностями ДНК, не кодирующими белки. Около 75 % составляют так называемые однокопийные ДНК. Оставшиеся 25 % генома — это повторяющиеся по­следовательности, которые встречаются в геноме сотни или тысячи раз. Они делятся на диспергированные после­довательности ДНК и сателлитные ДНК.