Страница 40 из 134
Гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.
Обобщая вышесказанное, гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.
На этом слайде показано, что существуют бактерии, у которых количество генов может быть больше, чем например у дрожжей. Мы привыкли считать, что бактерии устроены проще, но это не всегда так. Существуют бактерии, у которых генов порядка 10 тысяч.
Даже для прекрасно изученного организма — кишечной палочки, не понятны функции около трети из 4289 ее генов. Известна и последовательность нуклеотидов в этих генах, и как они транскрибируются и т. д., но все равно не известно, какую функцию они выполняют.
На этом слайде хотелось бы обратить ваше внимание на то, что хотя число генов разнится у разных видов, но число так называемых белковых доменов (структурные единицы в белке, отвечающие за единичную функцию) отличаются в пределах разных царств живого (прокариоты и эукариоты) до полутора раз, не более. Конечно комбинации этих доменов разные, но сами домены похожи, то есть они кодируются сходными по последовательности нуклеотидов участками генома и эти сходные участки имеют общее происхождение в эволюции.
Обратно заявление будет не верно. Если функции белков сходны, это не означает, что их структура будет одинакова. Одна и та же функция, например, один и тот же каталитический процесс, может выполняться разными, не родственными по происхождению белками. Один и тот же процесс может катализироваться даже и белком и РНК (рибозим), у которых нет ничего общего в происхождении.
На данном слайде показаны средние значения характеристик различных элементов генов человека. Средний размер экзона — 145 нуклеотидов, интрона — 3365 и т. д. В общей сложности получается, что белок-кодирующая часть гена невелика по сравнению с белок-некодирующей частью, поэтому, когда происходят какиенибудь мутации, велика вероятность, что промутирует белок-некодирующая часть. Такие мутации или вообще не скажутся на структуре белка, или приведут к изменению его количества, но не структуры (изменения регуляторных участков инициации транскрипции или стабильности РНК), или приведут к драматическим изменениям структуры РНК (мутации в мишенях для сплайсинга).
Общая структура генома такова. Напомню, что размер генома человека 3200 Mb. Гены занимают всего 1200 Mb. Основная часть этого пространства приходится на псевдогены (нефункциональные гены, инактивированные мутациями), различные фрагменты генов и интроны. А на экзоны функциональных генов (суммарная длина зрелых РНК) приходится 48 Mb. Здесь есть некоторое лукавство, так как на одну пре-мРНК в среднем приходится 1,4 зрелых РНК. А из одной зрелой мРНК в некоторых случаях может получиться до тысячи белков. Межгенная ДНК занимает 2000 Mb, она представлена главным образом короткими рассеянными по всему геному повторяющимися последовательностями, которые занимают 1400 Mb. Один из таких повторов — Alu-повтор, длиной около 300 п.н., повторен в геноме миллион раз. Другой примечательный тип рассеянных повторов — длинные концевые повторы (LTR, long terminal repeat). Эти элементы являются молекулярными свидетельствами перескока фрагмента ДНК внутри генома. Общая протяженность таких участков на молекуле ДНК-250 Mb.
Геном человека: размеры областей занятых элементами известной структуры
Число генов у человека оценено в 20–25 тысяч, (оценка 2001 г. — 35–40 тыс.).
Основная часть генома человека занята не генами: 63–74 % длины — межгенные пространства, половина из них — повторы. Ген человека внутри «пустой»: 95 % внутригенной ДНК вырезается (интроны). Общая длина белок кодирующих областей около 1 % от геномной ДНК человека. Это лишь в 3 раза больше длины генома бактерий.
От 26383 до 39114 генов человека были предсказаны компьютером (в 2001 г.), но лишь менее 7000 были подтверждены на человеке. И более чем для 80 % генов, хоть в чем-то была пересмотрена структура в период с 2001 по 2003 г и продолжает уточняться на микрочипах.
Сейчас предсказанное число генов у человека 20–25 тысяч и существование около 19 000 из них экспериментально подтверждено — с них образуются транскрипты.
Имеющееся на данный момент определение гена (ген — это фрагмент геномной ДНК с котранскрибируемыми субфрагментами) — не полное. Например, возможна транскрипция с двух цепей. Плохо выявляются короткие гены и белок-некодирующие гены. Их, по крайней мере, под тысячу, но точное число не известно. Такие гены — тоже гены, хоть белок они и не кодируют. Они — гены, потому что с них образуется РНК. Причем РНК некоторых белкнекодирующих генов состоит из нескольких экзонов. То есть, клетке эти РНК зачем-то нужны, но мы пока не понимаем, зачем.
Альтернативный сплайсинг, биологическая роль и механизмы
Предположим, образовался транскрипт зрелой мРНК, и он может содержать экзоны 1, 2, 3. Это вовсе не означает, что он обязательно будет содержать их все. У нас может появиться РНК, которая будет содержать экзоны 1 и 2 или экзоны 1 и 3, ив результате с них будут образовываться разные белки. Такой способ процессинга (обработки) генетической информации называется альтернативный сплайсинг.
Одному гену соответствует с среднем 14 зрелых мРНК Альтернативный сплайсинг — различные комбинации экзонов остающееся в зрелой мРНК получаемой из одной и той же пре-мРНК
У человека есть ген slo. Он «работает» во внутреннем ухе, в частности, этот белок присутствует в ворсинках, которые отвечают за распознавание высоты звука. Он состоит из 35 экзонов (на рисунке — прямоугольники), 8 из которых (синие) могут или присутствовать, или отсутствовать в зрелой мРНК. Возможны 8! = 40 320 вариантов сплайсинга, но только около 500 из них обнаружены. Других, может быть, и нет, то есть природа не должна, вообще говоря, реализовывать все возможные варианты.
Биологическая роль множественного сплайсинга заключается в следующем. Разные типы волосяных клеток внутреннего уха реагируют на звуки разных частот от 20 до 20 000 герц. Различия клеток в восприятии частоты частично определяются свойствами альтернативных сплайс-форм белка Slo. Как определяется выбор между вариантами сплайсинга неизвестно.