Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 35. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМА ЛЮДИНИ

Пригадайте, що таке геном, особливості організації еукаріотичних геномів, будову хромосом, генетичні карти хромосом. Що таке аутосоми та гетерохромосоми? У чому полягає метод секвенування генома? Які завдання біоінформатики? Які гени називають білковими? Що таке локус? Яка будова та функції мітохондрій? Які мутації мають назву «делеція», «дуплікація» та «інверсія»?

Геном людини. Формально геном людини можна визначити як сукупність послідовностей молекул ДНК 22 аутосом і двох статевих хромосом (гетерохромосом — X та Y). Геном людини розшифровували в рамках одного з наймасштабніших проектів XX ст. — проекту «Геном людини» (Human Genome Project).

Цікаво знати

Проект «Геном людини» було розпочато в 1991 р. і завершено у 2003 р. Мета проекту — побудувати достатньо точні генетичні карти, отримати послідовність 3,2 млрд пар основ ДНК, ідентифікувати генні послідовності, визначити геномні варіації. У результаті виконання проекту побудовано генетичні карти, отримано послідовності 99,9 % еухроматинових ділянок генома з точністю 99,99 %, 15 000 повних змістовних послідовностей білкових генів та ідентифіковано близько 3 000 000 нуклеотидів, що варіюють у геномах людини.

Процес розшифрування генома людини відбувався в декілька етапів. Насамперед отримали його фрагменти. Далі клонували фрагменти молекул ДНК людини та створили геномну бібліотеку.

Геномна бібліотека — це набір молекул ДНК, притаманний геному певного організму. Для створення геномної бібліотеки молекули ДНК вилучають з клітин, за допомогою ферментів розрізають на фрагменти певного розміру. Далі отримані фрагменти вбудовують у вектори (наприклад, певні види вірусів). Потім ці фрагменти переносять у клітини, у яких вони зберігаються (зазвичай це клітини бактерії кишкової палички або дріжджів).

Методом секвенування визначили нуклеотидні послідовності фрагментів генома людини. Потім робили комп’ютерний аналіз цих послідовностей ДНК, зіставляли їх, об’єднували послідовності конкретних хромосом. І нарешті, здійснювали комп’ютерний пошук функціональних послідовностей генома людини.

За даними, отриманими в рамках цього проекту, кількість білкових генів у геномі людини не перевищує 25 000 (що значно менше, ніж передбачалося до розшифрування генома людини). Слід зазначити, що ідентифікацію усіх генів молекул РНК навіть тепер остаточно не завершено. Останні версії каталогу білкових генів людини включають близько 22 000 білкових генів і 6000 генів РНК (остання оцінка, напевно, занижена). Загальна довжина кодуючих ділянок білкових генів дорівнює приблизно 34 млн пар основ, тобто становить лише 1,2 % генома. Понад 45 % генома людини складають мобільні генетичні елементи.

У інтернет-базі даних OMIM (Менделівська спадковість у людини онлайн Online Mendelian Inheritance in Man; https://www.omim.org/), яка містить опис усіх відомих генів людини, лише для приблизно 4000 генів з’ясовано зв’язок між геномом і фенотипом.

Цікаво знати

Після завершення проекту «Геном людини» у 2003 р. розпочато проект ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements) — енциклопедія ДНК елементів (мал. 35.1), мета якого — провести повний функціональний аналіз елементів генома людини. Цікавим результатом виконання цього проекту (його ще не завершено) є те, що понад 80 % генома виконує регуляторну функцію.

Мал. 35.1. Емблема проекту ENCODE

На малюнку 35.2 наведено каріотипи обох статей людини. Хромосоми людини за розміром та особливостями будови поділяють на 7 груп, які позначають латинськими літерами від A до G. Для більш точної ідентифікації хромосом, їхніх специфічних ділянок та опису хромосомних аномалій застосовують спеціальні методи диференційного забарвлення хромосом, які базуються на використанні певних барвників і процедур попередньої обробки препаратів.

Мал. 35.2. Метафазні пластинки та розкладки хромосом (каріотипування) чоловіка (А) та жінки (Б). Хромосоми людини за своєю морфологією поділяють на 7 груп: А (1—3-тя пари), B (4-та, 5-та пари), C (6-та-12-та пари, а також Х-хромосома), D (13-та-15-та пари), E (16-та-18-та пари), F (19-та, 20-та пари), G (21-ша, 22-га пари та Y-хромосома)

Варіації генома людини. Одним з неочікуваних результатів аналізу генома людини стало виявлення високої подібності послідовностей ДНК у різних індивідуумів. Тобто будь-які дві людини ідентичні за нуклеотидними послідовностями на 99,5 %. Отже, уся сукупність різноманітних фенотипів у людини (навіть представників різних рас) зумовлена варіаціями тільки 0,5 % генома. Усі кардинальні відмінності є виключно культурними та політичними, а також зумовленими особливостями клімату, в умовах якого та чи інша раса була сформована.

Перші варіанти генома людини, які було описано задовго до появи методів секвенування ДНК, характеризувалися відмінностями в кількості та структурі хромосом. Анеуплоїдії (зміни кількості окремих хромосом) та хромосомні перебудови, про які ми згадували раніше, часто пов’язані з різними спадковими захворюваннями. Натомість варіації за розміром або морфологією гомологічних хромосом можуть бути і не пов’язаними з патологічними змінами фенотипу. Тому вони досить часто трапляються в людських популяціях. Великі геномні перебудови, розміром понад 2 млн пар основ ДНК, можна побачити на препаратах під світловим мікроскопом (мал. 35.3).

Мал. 35.3. Транслокація між хромосомами 7 та 13, яка не пов’язана з патологічними змінами фенотипу

У процесі аналізу нуклеотидних послідовностей людини виявлено численні «дрібномасштабні» варіанти генома, розмір яких не перевищує 1000 пар основ. Приблизно 80 % таких ДНК-варіантів представлено у вигляді поодиноких нуклеотидних замін. За приблизними оцінками, у людській популяції одна нуклеотидна заміна трапляється на кожні 300 нуклеотидних пар. Загалом у різних людських популяціях ідентифіковано 84 700 000 поодиноких нуклеотидних замін. Вважають, що саме «дрібномасштабні» варіації генома зумовлюють різноманітність фенотипових варіантів, а також можуть бути відповідальними за схильність людини до деяких хвороб у разі дії певних несприятливих факторів середовища.

«Дрібномасштабні» варіації генома використовують у медичній генетиці для виявлення носіїв рецесивних мутантних алельних генів (це ми розглянемо далі); у популяційній генетиці людини — для визначення спорідненості між різними популяціями людей; у судово-медичній експертизі — для встановлення особистості або батьківства.

Цікаво знати

Для встановлення особистості та батьківства широко використовують поліморфізм за варіабельними повторами нуклеотидів завдовжки до 9 пар основ. Їхня різноманітність така висока, що кожна людина (крім однояйцевих близнят) має індивідуальний набір варіантів цих послідовностей. За цими наборами одну людину можна відрізнити від іншої так само легко, як і за відбитками пальців. Оскільки дитина отримує половину хромосом від батька, а половину від матері, то її індивідуальний набір повторів включатиме частину батьківських і частину материнських варіантів.

Інформація про геном людини та, особливо, про індивідуальні структурні його варіанти розширила наше уявлення про зв’язок між геномом і фенотипом. Швидкий розвиток методів секвенування ДНК дає підстави говорити про «генетичну паспортизацію» (встановлення повних послідовностей геномів кожної людини) як про досить близьку перспективу.

Ключові терміни та поняття

геном людини.

Перевірте здобуті знання

1. Чим характеризується геном людини? 2. Яка роль мобільних генетичних елементів в урізноманітненні генома? 3. Чим можна пояснити, що геноми представників різних рас людини відрізняються не більше ніж на 0,5 %? 4. Які особливості каріотипу людини?

Поміркуйте

Чому геном людини складніше досліджувати, ніж геноми інших організмів?