Геном эукариот: общие сведения

В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина.

У эукариот около 5% ДНК составляют экзоны (участки гена, кодирующие белок), 25% – интроны (участки гена, которые транскрибируются, но затем удаляются при сплайсинге), а остальные 70% составляют спейсеры – нетранскрибируемые участки ДНК между генами. К ним относятся участки:

- принимающие участие в компактизации ДНК;

- принимающие участие в укладке хроматина в интерфазном ядре, в том числе прикрепляющие ДНК к ядерной оболочке изнутри;

- центромеры – участки, к которым прикрепляются нити веретена деления;

- теломеры – концевые участки хромосом, выполняющие роль буфера против концевой недорепликации;

- промоторы, операторы, энхансеры и терминаторы.

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.

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активных генов, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК.

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.

В клетках, из которых построены ткани и органы человека (за исключением половых), содержатся одинаковые хромосомы и гены, но строение и функции клеток значительно отличаются даже в пределах одного и того же органа. Это связано с тем, что в развивающихся тканях происходит включение в действие одних и прекращение активности других генов. Под генетическим контролем клетки развиваются в различных направлениях, что и приводит к формированию разных тканей и органов. Каждый ген действует на определенной стадии развития и в определенной клеточной системе. По мере развития эмбриона все большее количество генов проявляет свою активность и, вступая в различного рода взаимодействия, способствует ослаблению или усилению контролируемых ими признаков. Чаще происходит подавление активности какого-либо гена или же создаются условия, препятствующие включению его в действие. Взаимодействие различных генов приводит к тому, что проявление эффекта (результата действия) одного и того же гена сильно варьирует, т. е. ген имеет различную экспрессивность (выраженность действия). Некоторые гены контролируют появление только одного признака, в то время как действие других приводит к возникновению множественных эффектов (плейотропии). Последнее может быть связано с контролированием геном развития какой-либо одной закладки, из которой в дальнейшем образуются различные органы. Плейотропия может возникать также в результате того, что гены, действуя в какой-либо одной клеточной системе, обусловливают синтез продуктов, влияющих на развитие других органов.

Гены расположены в хромосомах в линейном порядке. Если в одинаковых локусах пары хромосом присутствуют одинаковые аллели (т. е. альтернативные формы генов), контролирующие одинаковые проявления признака, то такое состояние называют гомозиготным, а если различные — гетерозиготным. В случае гомозиготности гены равнозначно влияют на возникновение какого-либо признака. В случае гетерозиготности один аллельный ген подавляет эффекты другого. Более «сильный» ген называют доминантным, а подавленный — рецессивным. Эффекты доминантных генов сравнительно легко обнаруживаются, а передачу самих генов нетрудно проследить в нескольких поколениях. В противоположность этому передачу потомству рецессивных генов выявить значительно труднее, особенно в малочисленных семьях.

Наряду с доминантным и рецессивным типом наследования встречается кодоминантное наследование, когда у гетерозиготного организма проявляются эффекты обоих аллелей. Кодоминантность часто встречается при синтезе антигенов крови. Кроме того, проявление таких признаков, как рост, вес, телосложение и др., обусловлено суммарным действием многих генов. Такие гены, образующие полигенную систему, в отдельности дают слабый эффект, но их суммарное действие оказывается достаточно сильным.

Под влиянием внешних факторов, например ионизирующей радиации, химических веществ, а также биохимических процессов, идущих в клетке, в наследственном веществе могут возникать различные изменения, например замена одного нуклеотида другим, которые в силу особенностей наследственного материала могут передаваться либо последующим поколениям соматических клеток, либо, возникая в гаметах, потомкам данного организма, т. е. возникают мутации (см. Изменчивость).

Совокупность всех локализованных в хромосомах генов составляет генотип, а совокупность всех наследственно обусловленных признаков организма — фенотип. Часто термин «генотип» используют применительно к одной или нескольким парам генов, а фенотипом соответственно называют контролируемые этими генами признаки.

Митоз (др. греч. — нить) — непрямое деление клетки, наиболее распространенный способ репродукции эукариотических клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.

Митоз — один из фундаментальных процессов онтогенеза. Митотическое деление обеспечивает рост многоклеточных эукариот за счёт увеличения популяций клеток тканей. В результате митотического деления клеток меристем увеличивается количество клеток тканей растений. Дробление оплодотворённого яйца и рост большинства тканей у животных также происходит путём митотических делений.

На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на стадии: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу, телофазу. Первые описания фаз митоза и установление их последовательности были предприняты в 70—80-х годах XIX века. В конце 1870-х — начале 1880-х годов немецкий гистолог Вальтер Флемминг для обозначения процесса непрямого деления клетки ввёл термин «митоз».

Продолжительность митоза в среднем составляет 1—2 часа[1][4]. Митоз клеток животных, как правило, длится 30—60 минут, а растений — 2—3 часа.[5]. За 70 лет в теле человека суммарно осуществляется порядка 1014 клеточных делений

Мейоз (от др. греч. уменьшение) или редукционное деление клетки — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом — образованием специализированных половых клеток, или гамет, из недифференцированных стволовых.

С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса.

Значение

У организмов, размножающихся половым путем, предотвращается удвоение числа хромосом в каждом поколении, так как при образовании половых клеток мейозом происходит редукция числа хромосом.

Мейоз создает возможность для возникновения новых комбинаций генов (комбинативная изменчивость), так как происходит образование генетически различных гамет.

Редукция числа хромосом приводит к образованию «чистых гамет», несущих только один аллель соответствующего локуса.

Расположение бивалентов экваториальной пластинки веретена деления в метафазе 1 и хромосом в метафазе 2 определяется случайным образом. Последующее расхождение хромосом в анафазе приводит к образованию новых комбинаций аллелей в гаметах. Независимое расхождение хромосом лежит в основе третьего закона Менделя.