Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5 - Журнал «Домашняя лаборатория»

эволюции могут каким-то образом размножаться в геноме и «перетасовываться» между разными генами. Такое явление получило название exon shuffling — перетасовка экзонов. Ниже показаны разные белки, в которых содержатся одинаковые экзоны. Таким образом, оказывается, что эволюция — это нередко именно блоковые изменения генома, а не точечные изменения.

Генные дупликации и "тасующиеся" экзоны

Ген фибронектина содержит 12 копий экзона, кодирующего "палец" белка. Этот же модуль найдет в продуктах других генов. Он содержит также модули, встречающихся в белках определенных типов, таких как мембранные клеточные рецепторы и белки внеклеточюго матрикса.

Классификация генов по их функциям

На 2001 год для более 40 % генов человека не было никаких предположений относительно выполняемых функций. А для остальных раскладка была достаточно условной. Принадлежность белка к одному функциональному классу не исключает его принадлежности также и к другому классу. Например, то, что белок связывается с ДНК, не означает, что он не может быть еще и ферментом и т. д. Это — характеристика, которая была дана гену по той его части, которая связана с охарактеризованной функцией, но, вообще говоря, такая функция у белка может быть и не одна.

Распределение функций 26 383 генов человека

Больше всего генов отвечают за экспрессию, репликацию и поддержание функций генома; около 20 % — за передачу сигналов между клетками, около 17 % — за то, чтобы клетка сама по себе была здорова, и для других функции не классифицированы.

Оказывается, что у человека, по сравнению с дрожжами, бактериями и т. д., в геноме имеется больше генов регуляторов транскрипции. То есть, транскрипционные регуляторы сильно размножились в эволюционной линии млекопитающих, в частности, человека. Предполагается, что разнообразие регуляторов транскрипции обеспечивает большую тонкость реакции генома на сигналы внешней среды. То есть у млекопитающих больше число ансамблей координировано транскрибируемых генов, чем в других группах.

Сложность организации человека и.о. связана с большим количеством генных ансамблей, управляемых единичными кнопками: генами активаторами транскрипции. В эволюционной линии человека они сильно амплифицированы

Схема структурных элементов фрагмента генома человек» размером 50 т. п.н. в локусе Т-клеточного рецептора (хромосома 7).

Около половины длины фрагмента занимают элементы, структура и функция которых понятна. Это пены (экзоны и нитроны) и псевдогены, короткие (SINE)и длинные (LINE) диспергированные повторы, длинные концевые повторы (LTR), транспозоны, микросателлиты.

Выше показано, как выглядит кусок генома человека («50 000 п.н.). Около половины длины этого фрагмента ДНК занимают элементы, структура и функция которых понятна. Среди этих элементов есть гены (экзоны и интроны) и псевдогены — есть гены функциональные, а есть их нефункциональные копии. Они, обычно, не содержат интронов (считается, что после транскрипции и при преобразовании зрелой РНК возможен процесс встраивания ее обратно в геном в виде ДНК-копии; тогда это будет ген, содержащий лишний «хвост» и не содержащий интронов). А также короткие (SINE) и длинные (LINE) диспергированные повторы, длинные концевые повторы (LTR) — следы, оставшиеся после транспозиции, транспозоны, микросателлиты.

К 2001 году в геноме человека было выявлено 1112 "генов болезней" (то есть таких, мутации в которых ведут к заболеванию) и еще есть 94 "составных" гена, образующихся при опухолевых перестройках генома. Пока, в основном, раскрыты по механизму те заболевания, которые затрагивают белок-кодирующую часть гена. Возможно, не меньшее количество мутаций, вызывающих болезни, будет найдено и в участках регуляции транскрипции, сплайсинга и стабильности РНК.

В геноме человека выявлено 1112 “генов болезней” + 94 “составных” гена, образующихся при опухолевых перестройках генома

суммарная частота менделирующих заболеваний <1 % новорожденных

Мутации в кодирующей части гена — лишь часть из возможных причин потери функции. Другая часть — дефекты процессинга генетической информации (сплайсинга, регуляции транскрипции и трансляции)

McKusick еа, Science (2001), v291, р.1224

По представлениям на март 2005 года, у человека 24000 белок-кодирующих генов, из них 1700 генов ассоциированы с заболеваниями. Обнаружено 44,500 мутаций в этих 1700 генах (в среднем 26 на ген), связанных к заболеваниям. А для остальных 10 000 000 известных мутаций подобная связь не выявлена.

20 % смертей в США происходит из-за того, что прием лекарства осуществлялся либо не того, либо не так. Но это связано не с некомпетентностью врачей, а с тем, что мы все генетически разные. У болезней много мишеней и если бить не по той мишени, то лекарство точно не будет полезным, а потому может быть и вредным. У человека может быть специфическая реакция на данное лекарство (слишком низкая или слишком высокая скорость метаболизма). А в нашей стране ведущая пока причина смертей взрослого населения — пьянство. Эта первопричина просто скрыта за определением «травматизм» (производственный, бытовой, дорожный и т. д.), который и указывают как причину смерти. Выявлена корреляция потребления алкоголя в нашей стране и продолжительности жизни: когда, снижается потребление алкоголя, продолжительность жизни идет вверх, и наоборот.

Если два белка характеризуются сходной последовательностью аминокислотных остатков (выше критической длины, до которой совпадения могут быть чисто случайными), то у них есть общая предковая последовательность, и соответствующий предковый ген. Количество таких предковых структур у белков весьма ограничено.

К примеру, был один ген в геноме, а потом их стало два (дупликация). Со временем мутации изменили эти гены каждый по-своему. А потом этот вид дал начало двум новым видам (см. рис. ниже). Все эти гены являются «родственниками» (гомологами), но по-разному называются. Гомологичные гены, которые мы рассматриваем в составе разных видов, называются ортологи, а гомологичные гены в одном геноме называют паралоги.

Гомологичные (сходные) последовательности, вероятно, являются родственными по происхождению, если их длина выше некоторого порога. Для генома человека этот порог равен последовательности длиной в 15 нуклеотидам

415 = 109 = длина генома человека в нуклеотидах.

Гомологичные последовательности нуклеотидов в геномах разных видов называются ортологи (А1 и В1; А2 и В2).

Гомологичные последовательности нуклеотидов в геноме одного вида называются паралоги (А1 и А2; В1 и В2)

Сравнения таких родственных генов часто используют при исследовании эволюции. Эволюционная геномика (сравнительная геномика), используется очень интенсивно в медицине. Пример ее практического применения. У людей по разным причинам бывает ожирение. В частности, есть семейные формы, менделирующие. У человека мутации, вызывающие это заболевание, картированы не