2.Организация генома человека. Явление полиморфизма

Если выделить молекулу ДНК из всех хромосом одной клетки человека (гаплоидного набора) и соединить их в единую нить, то длина её будет примерно 1,5 метра. Но не следует думать, что геном человека наибольший из всех существующих в природе. У саламандры и лилии длина молекул ДНК, содержащихся в одной клетке, в тридцать раз больше, чем у человека. В полутораметровой молекуле ДНК человека предполагается наличие около 30 тысяч генов. Это только те гены человека, которые несут информацию о структуре белка. С этих генов транскрибируется иРНК. По подсчётам учёных эти гены занимают в геноме примерно 1%. Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК, мяРНК и другие) синтезируются примерно с 25 – 26% всей ДНК клетки. Из этого следует, что основную массу ДНК в геноме человека составляет неинформативная, молчащая ДНК. Причём гены в геноме располагаются не последовательно друг за другом, а участками, которые отделены друг от друга некодирующими последовательностями.

Деление всего генома на участки, несущие информацию о строении белка и не несущие, было характерно для первых этапов развития представлений о гено-

21

ме. В настоящее время классификация сегментов, составляющих геном клетки, значительно усложнилась. Рассмотрим самый простой вариант классификации.

Геном клетки человека состоит из следующих участков:

1. Уникальных генов.

2. Семейств генов.

3. Регуляторных зон.

4. Повторяющихся участков ДНК, которые несут какую-либо функцию, т.е. участвуют в каких-либо генетических процессах (транскрипции, трансляции, репликации, репарации, процессинге и т.д.).

5. Повторяющихся участков ДНК, у которых в настоящее время достоверно не выявлено какой-либо функции. Однако предполагают, что эти участки могут участвовать в процессах упаковки ДНК.

6. Транспозонов.

Всё вышесказанное относится к структуре генома отдельно взятого индивидуума. Если сравнить геномы двух и более индивидуумов, то окажется, что в основном они одинаковы. Однако будут выявлены локальные изменения в нуклеотидных последовательностях их ДНК. Эти различия небольшие, но именно они определяют индивидуальные фенотипы людей. Это явление носит название полиморфизм.

2.1. Уникальные гены

Это гены, представленные в геноме в одном экземпляре. К таким генам относятся некоторые структурные и регуляторные гены. Однако большинство структурных и регуляторных генов представлено в геноме не в единственном экземпляре, а в виде двух, трёх и большего числа копий. Возможно, это имеет какой-то биологический смысл в плане противостояния повреждающим факторам – при повреждении одного гена, функцию берёт на себя его дублёр. Все другие типы генов (кодирующие различные РНК) не являются уникальными.

2.2. Семейство генов

Тщательные исследования нуклеотидных последовательностей в геноме позволили выявить участки ДНК, которые по своей нуклеотидной последовательности удивительно схожи (копии) с некоторыми структурными и регуляторными генами, которые раньше считали уникальными. Дальнейшие исследования показали, что в геноме человека имеется генетический процесс, который тиражирует гены. Этот процесс хорошо описан и носит название дупликация (удвоение). Не касаясь механизмов дупликации, отметим, что итогом этого процесса является удвоение какого-либо участка ДНК, соответственно и гена (или нескольких генов), который содержится в этом участке. В результате дупликации в геноме наряду с уникальным геном появляется его копия.

Если учесть, что эволюция человека длилась несколько тысячелетий, то понятно, что за этот большой отрезок времени в результате дупликации гена-пред-

22

ка сформировалась не одна, а несколько его копий. Эти копии, если в них не происходили мутации, могли функционировать как основной ген. Если же в структуре копии происходило повреждение (мутация), которое в последующем не восстанавливалось, то экспрессия такой копии прекращалась, а в геноме появлялся не функционирующий псевдоген (неактивный, молчащий ген). Могло произойти и другое, когда ген, имеющий повреждение, продолжал функционировать, и на рибосомах синтезировался белок, отличающийся от первоначального. Если функция этого белка была совместима с жизнью, такой организм размножался и мутантный ген переходил его потомкам, сохраняясь в семействе генов. Варианты появления различных генов в результате двух процессов – дупликации и мутаций показаны на рисунке 11.

В последнее время обнаружен ещё один процесс, который связан с образованием копий. Он происходит во время сплайсинга, когда на сформировавшейся РНК синтезируется её ДНК-копия. Последняя, затем, встраивается в геном.

Набор генов, возникший от некоего гена-предка путем дупликации и последующих изменений, называется семейством генов. На рисунке 11 к семейству генов относятся Ст1, Ст1а, Ст1б, Ст1в.

В семейство могут входить три типа генов:

• функционирующий ген или его копии,

• нефункционирующие копии – псевдогены,

• функционирующие мутантные гены и т.д.

Как правило, у псевдогена всегда можно обнаружить мутацию, которая прекратила его функцию.

В последнее время вопрос о функционировании некоторых мутантных генов стал интересовать врачей-иммунологов. Имея нуклеотидную последовательность, отличающуюся (в результате мутации) от структуры нормального гена, такой ген будет транскрибироваться, а затем транслироваться в дефектный белок с изменённой структурой. Известно, что такие белки могут выступать в организме в качестве чужеродных и провоцировать появление различного рода аллергических реакций.

Семейства генов могут повторяться в геноме несколько раз, располагаясь на одной хромосоме, рядом друг за другом (тандемно) или отделённые друг от друга тысячами пар нуклеотидов (рис. 12). В некоторых случаях они могут быть разбросаны по разным хромосомам. В любом случае наличие дублеров в семействе генов обеспечивает большую устойчивость генома к повреждениям.

Объединение в семейства характерно для многих генов человека – кодирующих глобин, гистоны, интерфероны, актин и тубулин, тРНК, рРНК и др.

Приведём примеры. - и -цепи белка глобина (белковая часть молекулы гемоглобина человека) кодируются двумя генами  и . У взрослого человека глобиновые гены представлены двумя семействами —  и . - семейство включает в себя два гена  и один псевдоген ..- семейство состоит из одного гена  и одного псевдогена. Кроме того, в каждый кластер входят родственные гены, кодирующие глобин на разных этапах эмбриогенеза. Получается достаточно громоздкая конструкция.

23

Дупликация + мутация

ДНК

Ст1 Ст1а Ст1б Ст1в Ст1г

Ген-предок Копия Псевдоген Копия гена с Новый

изменённой ген

функцией

Рис. 11. Схема формирования копий структурного гена Ст1 в результате мутаций и дупликаций на одной молекуле ДНК. Ст1а – мутация не изменила функцию гена; Ст1б – мутация привела к выключению гена, ген не активен; Ст1в – мутация изменила количественные характеристики контролируемого продукта гена, уменьшилась или усилилась активность гена; СТ1г – мутация изменила качественную характеристику продукта, сформировался новый ген

Промежуточные последовательности ДНК

Семейство генов Это же семейство на этой же хромосоме

Рис. 12. Расположение двух семейств одного и того же гена на хромосоме

Наличие в - кластере двух идентичных генов, кодирующих -цепь глобина, а в -кластере только одного активного гена, позволяет предположить большую повреждаемость -цепи. И, действительно, из описанных 100 нестабильных гемоглобинов в большинстве случаев мутация затрагивает -цепь. Другими, чрезвычайно важными для клетки белками, являются гистоны. Взаимодействуя с молекулой ДНК, они формируют надмолекулярные структуры — нуклеосомы. Гистоны представлены пятью различными белками — Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4 и наделены самыми разнообразными функциями — участие в конденсации хромосом, экспрессии генов, репликации и т.д. Но есть в их деятельности одна особенность, которая привела к созданию особой системы организации их генов: в короткий период репликации ДНК (когда гистоны формируют с ДНК нуклеосомы) они требуются клетке сразу и в больших количествах. В эволюции было найдено универсальное решение этой проблемы — в геноме различных организмов все 5 гистоновых генов расположены в виде целого блока— кластера. Этот кластер повторяется множество раз. В геноме цыпленка часто-

24

та их повторяемости равна примерно 10, у человека примерно 20, а у некоторых видов морских ежей кластеры повторяются 300 – 600 раз. В нормальных условиях из множества повторов функционирует только незначительная часть. Однако в момент репликации транскрибируются все повторы, имеющиеся в геноме, что приводит к существенному увеличению необходимых для клетки гистонов. Многократный повтор генов обеспечивает не только быстрый синтез большого числа гистонов в короткий промежуток времени, но и одновременно повышает надёжность работы всего гистон-кодирующего комплекса.

Многочисленные копии генов кодируют и два вида РНК — транспортные (тРНК) и рибосомальные (рРНК). Последние у эукариот подразделяются на три типа 5,8S, 18S и 28S рРНК. Кодирующие их гены повторяются много раз.

Ранее мы писали, что мутационное повреждение одной копии гена останется незаметным на фоне десятка и сотни нормально функционирующих генов. Из этого следует вывод, что к моменту, когда эффект мутаций станет достаточно явным, чтобы быть отброшенным в процессе эволюции, в геноме уже может накопиться достаточное количество мутационных копий. Однако этого не наблюдается. Возникает вопрос: каким же образом в повторяющихся

генах не происходит постоянного накопления вредных мутаций? Очевидно, должен существовать некий механизм эволюционного отбора мутаций. Предполагается наличие нескольких механизмов, но ни один из них полностью не доказан. В любом случае механизм, направленный на защиту повторяющихся генов от вредных мутаций, эволюционно закреплён и является частью защитной системы генома клетки.

Исходя из сказанного, может показаться, что решить извечную проблему повышения устойчивости гена к мутациям очень просто – взять и увеличить число копий генов. Оказалось это далеко не так. Известны случаи, когда попытки размножить гены путём клонирования их в клетке бактерии не привели к снижению индуцированных мутаций, а наоборот, повысили уровень делеций. С чем это связано, пока не ясно.