Геном человека

ПРОГРАММА «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА» Начата в 1998 году К 2000 году геном человека был прочтен с точностью в 10 раз ниже необходимой ( не более 1 ошибки на нуклеотидов) Коммерческая фирма Селера выполнила проект за 9 месяцев 10 дней и сообщила об этом накануне конгресса в Ванкувере, где были представлены данные выполнения программы Международным сообществом ученых

Прочитана последовательность нуклеотидов, собранных у человека в 25 томов – 22 аутосомы, Х- иY-хромосомы и М-хромосома В геноме человека 3,5 млрд пар нуклеотидов С-парадокс – у человека ДНК в геноме столько же, сколько у гороха и кукурузы, но в 5 раз меньше, чем у репчатого лука и в 20 раз меньше, чем у сосны Лягушки, жабы и тритоны – чемпионы по содержанию ДНК в геноме, у них ДНК приблизительно в 25 раз больше, чем у любого из видов млекопитающих

У С.Elegans 1 тыс клеток и 40 тыс генов, у человека 10 в 14 степени клеток и 25 тыс генов Экономичность в использовании генов достигается альтернативным сплайсингом Пример- альтернативный сплайсинг в гене Bcl-x дает две формы белка. Bcl-x L запускает апоптоз, а Bcl-x S ингибирует

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА генов по данным Международного проекта генов по данным коммерческой орг. Селера –Вильям Хозелтайм фирма Инсайт Геном сложных организмов содержит больше генов ферментов и белков, участвующих в посттрансляционной модификации белков Протеом человека содержит более белков

Геном можно разделить на 2 составляющие 1.Конститутивный геном, - набор структурных генов, для разных систем универсальный. Это уникальные последовательности ДНК, в том числе фланкирующие структурные гены 2.Факультативный – повторяющиеся последовательности, подвижные элементы, характеризующиеся непостоянством состава и положения

СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА Кодирующая часть ДНК – менее 10% Гены кодирующие белки – 2 % Гены кодирующие РНК – 20% Некодирующая ДНК – уникальные последовательности, фланкирующие структурные гены, повторяющиеся последовательности, транспозоны и ДНК, функция которой не идентифицирована, интроны Протеом человека составляет белков Подготовлен список 923 генов, вызывающих моногенные наследственные заболевания или повышающих вероятность развития заболевания ДНК человека и шимпанзе идентичны на 99 %

У человека генов Ср. Длина гена п.н. Такой усредненный ген содержит 9 экзонов, 8 интронов по 3400п.н. Самые короткие гены содержат приблизительно 20 п.н. (гены эндорфинов) Самый большой ген – ген дистрофина – 2,4 млн п.н. Получается, что в кодировании принимает участие менее 1,5 % ДНК, т.е. 3 см из 2 м

Повторяющиеся последовательности в ДНК Общее число 5 млн, 50% генома Обращенные повторы или палиндромы ( уж редко рукою окурок держу) Простые тандемные повторы – сателлиты, в геноме человека 6 видов таких повторов 1.42 п.н. – на 7 разных хромосомах 2.5 п.н. – на 4 разных хромосомах 3.5 п.н. – на 20 разных хромосомах п.н. –α-сателлиты 5.68 п.н. –β-сателлиты п.н. – γ-сателлиты Микросателлиты – – повторы, занимающие 0,5 % генома

Мегасателлиты – п.н., повторяются 50 – 400 раз Диспергированные повторы – постоянной прописки не имеют, могут менять положение LINE – дл. диспергированные повторы кодируют 2 белка, обеспечивающих перемещение Alu – короткие по 300 п.н. диспергированные повторы, в геноме их около 1 млн. Могут находиться в генах. Так, в гене 8 фактора при гемофилии есть Alu-повтор

В геноме человека обнаружено 223 гена, продукты которых похожи на белки бактерий. Предполагают, что это результат горизонтального переноса генов 1% человеческого генома представлен эндогенными ретровирусами Усложнение генома человека произошло не за счет увеличения числа генов, а за счет усложнения механизмов регуляции, альтернативного сплайсинга, редактирования РНК идр. Механизмов, приводящих к увеличению численности и разнообразия протеома

Геном прокариот и эукариот Прокариота (E.coli )Эукариота (человек) Гены – 90% 10% 1% 50% Гены – 30% 20% МГЭ и умеренные повторы Сателлит- ная ДНК Экзоны – 1.5%

HUMAN GENOME Гены и родств последоват-ти меж- генная ДНК Ядерный геном ~3,000 Mb генов Митохондриальный геном 16.6 kb 37 генов Кодирующая ДНК Некодирующая ДНК Умеренно повторены Высоко повторенные Псевдогены Генные фрагменты Интроны, регулят. сайты Тандемные повторы и другие Мобильные элементы Уникальны или несколько копий Два р-РНК гена 22 т-РНК гена 13 генов белков 30%70% 10% 90% 30%70% Структура генома человека

Мобильные элементы > 50% Экзоны – 1.5%

Мультигенные семейства Гены, имеющие общее происхождение и сходные, хотя не одинаковые функции. Часто располагаются кластерами, хотя могут быть рассеяны по геному. Кластер из 5 генов α-субъединицы в хромосоме 16 Кластер из 7 генов β-субъединицы в хромосоме 11 Интроны Экзоны

Псевдогены Число уже открытых псевдогенов ~ 20,000 Два типа – процессированные 70% непроцессированные 30% Процессированные псевдогены являются копией зрелой м-РНК гена – у них отсутствуют интроны и часто есть полиА-хвост Torrents et al. Genome Res :

Синтенныегруппы в хромосомах мыши и человека

ТРАНСПОЗОНЫ Названия отражают их главное свойство – у них нет постоянной прописки в геноме – бродяга, цыган, Бигль, Магеллан, блоха, турист, Улисс и т.д. Транспозоны вездесущи – они есть у бактерий и у эукариот Перемещение транспозонов происходит 2 способами 1.Путем вырезания с одного места и встраивания в другое 2.Путем образования копии, которая внедряется на новое место. При этом мобильные элементы размножаются

Мобильные элементы делятся на 2 группы Транспозоныретротранспозоны 1-й способ перемещения2-ой способ перемещения Для перемещения ретротранспозонов необходим фермент интеграза, разрезающий ДНК перед вставкой и элемент L1, в человеческом геноме он составляет 20% от всей ДНК Транспозоны могут содержать инсуляторы

Эффекты перемещения транспозонов 1.Инсерционный мутагенез – у дрозофилы 80% мутаций связано с перемещением моб. Элементов 2.Изменение экспрессии генов за счет наличия в транспозонах регулирующих элементов 3. Хромосомные аберрации ( инверсии, делеции) 4. Могут изменить границы гена, внедряясь в петлю ДНК и имитируя эффект инсулятора

Отличие мобильных элементов от обычных генов 1948 – Барбара МакКлинток, МЭ у кукурузы 1976 – Г.П. Георгиев, Д. Хогнесс, МЭ у дрозофилы представлены в геноме одной копией Гены имеют постоянное место в определенной хромосоме Мобильные элементы число копий у разных особей – разное, от 0 до десятков и сотен могут менять свое место, перемещаясь в новые локусы той же хромосомы или других

Uc1-66-#5 FISH hobo на политенные хромосомы слюнных желез линий Uc-1 и flr3 Drosophila melanogaster flr3 Л.П. Захаренко

Строение мобильного элемента Гены белков транспозиции ДНК хромосомы Инвертированные или прямые повторы Мобильный элемент В повторах и самом элементе часто содержатся регуляторные элементы – промоторы, энхансеры транскрипции. Кроме того, могут быть уникальные гены, захваченные при перемещениях

Мобильные элементы в геноме человека % генома Длина Число копий Ретро транспозоны

Роль мобильных элементов в геноме Вызывают мутации – встраиваясь в ген или его регуляторную часть. В отличие от обычных мутаций, транспозиции происходят гораздо чаще, особенно в неблагоприятных условиях среды. Большинство МГЭ содержат регуляторные сайты – энхансеры и сайленсеры. Их встраивание рядом с генами – быстрый способ изменения характера транскрипции генов. Могут играть роль в видообразовании – часто близкие виды отличаются именно мобильными элементами.

Мобильные элементы в геномах эукариот: человека, дрозофилы и нематоды Количество МГЭ в эухроматине человека гораздо больше, чем у мухи и нематоды.

Есть ли у сателлитной ДНК какие-либо функции? Наиболее вероятная – упаковка хромосом, организация их в целостную структуру Обеспечение конъюгации и рекомбинации в мейозе. Защита от соматических мутаций? Роль в видообразовании? Неизвестные

Геном мыши Mus musculus 2002

Мышь Mus musculus Геном мыши на 14% меньше человеческого Генов ~ 22 тыс. 99% из них имеют гомологов у человека Средняя гомология генов с человеческими по аминокисл. последовательности – 78% –мышь – крыса 97% –мышь – нематода 49% Интроны и экзоны мыши короче, чем у чел. Nature 420, ( ).

Гомология генов человека и мыши выше в экзонах, чем в интронах  как и ожидалось, экзоны находятся под большим давлением отбора.

Геном шимпанзе Nature. Vol 437 №1 September 2005 Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome 2005

Человек – шимпанзе Генов, абсолютно идентичных – 29% В остальных – в среднем 2 а.к. на ген изменено. Наиболее быстро эволюционировали гены –иммунной системы –репродуктивной сферы –обоняния –белков-регуляторов транскрипции Последнее подтверждает старую гипотезу о том, что эволюция высших организмов шла прежде всего за счет изменения регуляции генов, а не их структуры.

Полиморфизм ДНК человека