Структура генома человека (лекция 8) Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

6. Шмелев Н.А. Цитологический анализ крови и его значение при туберкулезе. - М.: Медгиз, 1959. -150 с.

7. Шмелев Н.А., Степанян Э.С. Побочное действие противотуберкулезных препаратов. - М.: Медицина, 1 977.-280 с.

8. 51щепко Т.Н., Мечева И.С. Руководство по лабора торным исследованиям при туберкулезе. - 1973. 260 с.

Лекции

© СЕМИ некий И.Ж. -

УДК 575.1 13+611.018.16]-001.5(042)

СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА (ЛЕКЦИЯ 8)

И.Ж. Семипский.

(Иркутский государственный медицинский университет, ректор - акад. МТА и АН ВШ д.м.н., проф. А.А. Майборода, курс медицинской генетики, зав. - нроф. И.Ж. Семинский)

Резюме В лекции представлен современный обзор генома человека по данным молекулярных исследований. Описаны основные элементы и структура генома человека, характеристика и организация человеческой ДНК.

Геном человека - это полная генетическая система клетки, т.е. вся генетическая информация, заключенная в ДНК. Обычно рассматривают ядерную и митохондриальную ДНК соматической клетки человека. Основные принципы структурной организации и функционирования генома полностью определяются свойствами молекулы ДНК. В каждой диплоидной клетке с 46 хромосомами содержится около 6 иг ДНК, состоящей из 3,5x109 нар нуклеотидов. Однако истинное число структурных генов но данным разных авторов колеблется от 50 до 100 тысяч. Из них кодирующими белками являются не более 10%. Остальная часть ДНК является регуляторной или, возможно, носит иной генетический код, который еще не расшифрован.

Анализ кинетики реассоциации молекул ДНК человека показал присутствие трех химически различных фракций: быстро ренатурирующая

ДНК состоит из относительно коротких высоко-новторяющихся последовательностей; средне ренатурирующая ДНК состоит из умеренных повторов, более протяженных, но представленных меньшим числом копий; медленно ренатурирующая фракция ДНК, объединяющая уникальные последовательности, встречающиеся в геноме не более двух раз. По данным молекулярного анализа повторяющихся последовательностей человеческой ДНК достаточно условно выделяют следующие ее классы: сателлитная ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низкоконийиые повторы, а также мини- и микросателлитные последовательности ДНК. В сумме повторяющиеся последовательности ДНК составляют примерно 35% всего генома человека.

Сателлитная ДНК присутствует в основном в центромерных, теломерных и гетерохроматино-

вых районах большинства хромосом и составляет примерно 10% генома. Выделяют три основных тина сателлитной ДНК:

• Короткие (микросателлитные) - от 2 до 20 нар оснований с кратностью в несколько десятков тысяч раз, которые иногда перемежаются с не-новторяющимися последовательностями,

• более протяженные повторы (минисателлит-ные) - от 3-4 до 10-15 повторов, слегка различающихся но нуклеотидной последовательности,

• длинные, достигающие нескольких сотен нар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности различной степени идентичности (альфа-сателлитные).

Хромосом-снсцифичныс последовательности сателлитной альфоидной ДНК нашли широкое применение в молекулярной цитогенетике в качестве ДНК-зондов, удобных для маркирования индивидуальных хромосом в мстафазных и интерфазных клетках человека. Возможно, что сателлитная ДНК играет важную роль в поддержании структур хромосом, в их спаривании в процессе мейоза.

Инвертированная или обращенная ДНК со случайным распределением но геному составляет 5% человеческой ДНК. Повторы состоят из двух тождественных копий длиной около 300 нар оснований, ориентированных в противоположных направлениях на одной нити ДНК и лежащих на расстоянии от нуля до десятка тысяч нар нуклеотидов друг от друга. Примерно треть обращенных повторов не разделены промежуточными последовательностями и носят название палиндромов.

Умеренно и низкокопийные последовательности ДНК составляют около 20% генома человека и очень гетерогенны но длине и числу копий. Они

дисперсно распределены по всем хромосомам (диспергированные повторы). Различают элементы типа Sine, которые встречаются в геноме сотни тысяч раз и имеют повторы длинной до 500 нуклеотидов. Среди элементов типа Sine выделяют Jl/м-повторы длинной около 300 пар оснований. Alu-повторы встречаются в геноме человека от 500 тыс. до 1 млн. раз и содержат последовательности, влияющие на характер экспрессии генов, кодирующих белки, транскрибируемые РНК-по-лимеразой 11. Alu-повторы являются мобильными элементами генома и напоминают классические транспозоны про- и эукариот. При этом кластеры Alu-повторов лежат чаще всего внутри R-дисков метафазных хромосом, окрашенных по методу Гимза. Члены Alu-семейства не полностью идентичны друг другу. Предполагается, что элементы генома, подобные Alu-семейству, участвуют в регуляции транскрипции, в процессинге РНК и в инициации репликации ДНК.

К числу L/ле-повторов (они более длинные и менее повторяющиеся, чем Sine) относится Крп-семсйство, по-видимому, относящиеся к числу мобильных элементов генома. Некоторые Крп-послсдоватслыюсти ис только транскрибируются, но и способны транслироваться. Имеются еще лЛ5-подобпые элементы генома, которые расположены в среднем через каждые 40 тыс. пар оснований и повторены около 100 тысяч раз.

В геноме человека имеются гены, которые повторены от нескольких единиц до нескольких сотен раз и образуют устойчивые мулътигепные семейства. Они занимают определенные локусы одной или нескольких хромосом. Во многих мультигенных семействах наряду с функционально активными генами содержатся псевдогены -мутационно измененные последовательности, не способные транскрибироваться или продуцирующие функционально неактивный генный продукт. Мультигснпыми семействами являются гены ри-босомальных, транспортных, и ядерных РНК, гены а- и в-глобипов, тубулинов, миоглобина, актина, интерферона и др. Особое место среди мультигенных семейств занимают супергеиы - очень большие кластеры из сотем функционально и структурно родственных генов, расположенных в определенных сегментах отдельных хромосом. Это HLA-комплекс, три комплекса, контролирующих синтез тяжелых и легких цепей иммуног-лобуллииов и др.

В геноме человека существует большое количество пссвдогенов, уникальных последовательностей, очень сходных по своей структуре с определенными нормальными генами, но в силу присутствия в них мутаций, не способных транскрибироваться лил правильно транслироваться с образованием активного белка. Псевдогспы могут располагаться сцеплено с нормальными генами или в других хромосомах.

В геноме человека присутствуют протоонкогены - пуклеотидные последовательности, гомологичные генам некоторых вирусов, вызывающих

опухоли. В настоящее время насчитывают около 100 протоонкогенов. Протоонкогепы через свои генопродукты регулируют пролиферативпые процессы на ранних стадиях эмбрионального развития, контролируя клеточный цикл и геномную программу клетки. При возникновении специфических мутаций в протоонкогепах, а также при нарушении регуляции их работы, они начинают вести себя как онкогены, стимулируя неконтролируемое размножение и пролиферацию определенных клеточных клонов, что может привести к развитию опухоли.

Предполагается, что кодирующие области всех генов человеческого генома занимают в молекуле ДНК менее 3%. Таким образом, основная часть молекулы ДНК не несет информации об аминокислотной последовательности белков и не кодирует структуру рибосомальиых, транспортных, ядерных РНК. Функции этой "избыточной" ДНК неясны. Хотя предполагается, что она выполняет функции регуляции экспрессии генов, участвует в процессинге РНК, выполняет структурные функции, повышает точность гомологичного спаривания, успешной репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально иного генетического кода. Существует еще гипотеза «паразитической» ДНК, внедрившейся в геном человека в процессе эволюции. Тем более, что в геноме человека есть гены идентичные или почти идентичные генам мыши, ретровирусов. Митохондриальная ДНК генома человека не содержит интронов и аналогична структуре генома прокариот.

По современным представлениям, - это ген участок ДНК. содерэ/сащий структурные и регуляторные последовательности нуклеотидов, обеспечивающих синтез транскриптата. Ген включает экзоиы (смысловые триплеты), интроны (бессмысленные триплеты) и регуляторные участки (промотор, терминатор транскрипции и др.). По своему функциональному значению гены могут быть разделены на две группы: 1) гены, кодирующие собственно белки, 2) гены синтеза РНК. По характеру экспрессии гены подразделяются на гены "домашнего хозяйства" (кодирующие белки, необходимые для нужд любой клетки), и гены, кодирующие специфические белки, обеспечивающие специализированные функции клеток.

Средние размеры гена человека составляют примерно от 10 до 30 тыс. пар нуклеотидов. Согласно последним данным, самый маленький из известных генов - МСС-7 - имеет размеры всего 21 пара нуклеотидов, а самый большой - ген дис-трофина - 2,2 млн. пар нуклеотидов. Гены отделены друг от друга протяженными промежутками - спейсерами, содержащими в своем составе большое количество повторяющихся последовательностей ДНК и нстрапскрибирусмые уникальные последовательности.

Кодирующие и регуляторные области структурных генов наиболее консервативны в процессе эволюции, мутации этих регионов полностью ре-парируются. Однако, около 90% генома человека

из некодирующих последовательностей. Эти участки значительно более изменчивы, содержат множество нейтральных мутаций (полиморфизмов), не имеющих фенотипического выражения. В геноме человека имеются мобильные генетические элементы - транспозоны. присутствие которых в геноме не является обязательным, а их топография и количество могут варьировать в различных клетках.

Геном человека можно рассматривать как мультигеномное симбиотическое сообщество, состоящее из облигатных и факультативных элементов. Облигатные элементы представлены структурными локусами, количество и расположение которых в геноме достаточно постоянно. Факультативные элементы - это мобильная часть

генома. Она играет значительную роль в процессах эволюции и видообразования и реорганизации генома.

Идентификация генов человека и выяснение первичной нуклеотидной последовательности человеческого генома проводятся исследователями разных стран в рамках международной программы "Геном человека". Сегодня клонировано около 30 тыс. генов, что составляет примерно половину их предполагаемого количества. Скорее всего, эта работа будет закончена в 2003 году. Когда будет установлена локализация всех генов человека, а также всех мутантных генов, отвечающих за наследственные болезни, можно будет говорить о молекулярной медицине, анатомии и патологической анатомии генома человека.

THE STRUCTURE OF HUMAN GENOME

I. J. Scminsky (Irkutsk State Medical University)

In the lecture is presented the modern review of human genome on the data of molecular investigations. The main elements and the structure of human genome, description and the system of human DNA are described.

Литература

1.Басв А.А. Программа "Геном человека", ее возникновение, содержание и развитие // В кн.: "Итоги науки и техники: Геном человека". Т.1. — М, ВИНИТИ, 1990.-С.4-33.

2. Барский В.Е., Бельговский А.И., Ершов Г.М. и др. Секвенирование ДНК генома человека // Итоги Науки и Техники: Геном человека. - М., ВИНИТИ, 1994, Т.2. - С.87-94.

3. Газарян К.Г., Тарантул В.З. Геном :>укариот. - М., 1983.-268 с.

4. Горбунова В.П., Баранов B.C. Введение в молекулярную диагностику и гемотерапию наследственных

заболеваний. - СПб., Специальная литература, 1997.-287 с.

5. Горбунова В.Н. Молекулярные основы медицинской генетики. - СПб.: Интермедика, 1999. - 212 с.

6. Гловер Д. Клонирование ДНК: Методы. - М., Мир, 1988,- 535 с.

7. Дейвис К. Анализ генома: Методы. - М.: Мир, 1990.-243 с.

8. Козлова С.И., Семанова Е., Демикова Н.С., Блинникова О.Е. Наследственные синдромы и медико-

генетическое консультирование. Справочник. Практика, 1996.-470 с.

9. Лыоин Б. Гены. - М.: Мир, 1987. - 647 с.

Педагогика

© ШЕВЧЕНКО Е.В., КОРЖУЕВ А.В., ХЛОПЕНКО Н.А., НЕЧАЕВА В.Г. -УДК 155.5:612.821.3

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МЫШЛЕНИЕ И ЕГО СТРУКТУРА

Е.В. Шевченко, А. В. Коржу ев, Н.А. Хлопепко, В.Г. Нечаева.

(Иркутский государственный медицинский университет, ректор - акад. МТА и АН ВШ д.м.н., проф.

А.А. Майборода, кафедра медицинской и биологической физики, зав. - проф. Е.В. Шевченко)

Резюме. Современный социальный заказ общества средней школе предполагает формирование умений проникать в сущность всего происходящего и потому одной из основных задач при формировании мышления сегодня следует считать развитие таких мыслительных умений, владение которыми позволило бы ученику выявлять и анализировать взаимосвязь и взаимообусловленность явлений, осуществлять обобщения на основе анализа механизмов протекания этих явлений, осмысливать характер собственных познавательных действий. Авторы пытаются проанализировать задачу формирования таких мыслительных умений, способность осуществлять которые будет свидетельствовать о сформированности теоретического мышления, предполагающего исследование объектов и явлений, которое учитывало бы их внутренние взаимосвязи, причины того или иного характера их протекания.