Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 27. Геноми

Геном — сукупність спадкової інформації

Нагадаємо, що інформація про будову, розвиток і функціонування організмів зберігається в молекулах ДНК. Часто вона також зберігається у вигляді цитоплазматичних молекул РНК та у вигляді модифікацій білків, пов’язаних із ДНК. Проте частка такої інформації надзвичайно мала. Більша частина ДНК у клітині спакована у вигляді комплексу з білками — хромосом. У бактерій зазвичай одна хромосома, в еукаріотів — багато.

Також клітини містять позахромосомну ДНК. У бактерій це плазміди — невеликі молекули ДНК, що часто зумовлюють патогенність або стійкість до антибіотиків. Плазміди дуже різноманітні та, як правило, дають ту чи іншу перевагу в середовищі існування. Так, у присутності антибіотика бактерії, що мають плазміду, яка несе гени стійкості, отримують перевагу порівняно з бактеріями, позбавленими такого захисту. На щастя для бактерій (і на жаль для нас!), вони можуть обмінюватися своїми плазмідами, поширюючи гени стійкості. Однак якщо антибіотик вилучити із середовища, у якому ростуть бактерії (тобто стійкі бактерії більше не отримуватимуть переваги), то бактерії поступово почнуть втрачати ці плазміди.

Плазміди також були виявлені в деяких одноклітинних еукаріотів: хлорели, хламідомонади та хлібопекарських дріжджів. Використовуючи методи генної інженерії, учені можуть уводити плазміди до еукаріотичних клітин спеціально, щоб примусити їх синтезувати той чи інший білок або РНК. Проте в еукаріотів у великій кількості наявні позахромосомні ДНК іншого типу — ДНК органел. Мітохондрії та хлоропласти також несуть молекули ДНК, що кодують частину білків і РНК цих органел (рис. 27.1). Із ДНК мітохондрій, хлоропластів і плазмід пов’язана так звана цитоплазматична спадковість, тобто така, яку забезпечують структури поза ядром. Сукупність усієї спадкової інформації у вигляді ДНК, що міститься в клітині організму, називають геномом1.

Рис. 27.1. Строкате листя багатьох рослин — яскравий приклад ознаки, яка визначається генами хлоропласта

У білих частинах листя є хлоропласти, у яких у результаті мутації в їхній ДНК порушений синтез зеленого пігменту хлорофілу. Ці хлоропласти не можуть здійснювати фотосинтез, а людина, розводячи такі рослини з декоративною метою, побічно сприяє поширенню цієї мутації.

1 Нагадаємо, багато вірусів мають РНК-геном. Крім того, у багатьох багатоклітинних організмів сукупності ДНК відрізняються в різних клітинах і тканинах, тому правильніше використовувати визначення геному як сукупності ДНК у зиготі — клітині, що є результатом злиття статевих клітин — гамет.

Рис. 27.2. Приклади організмів та розміри їхніх геномів

A. Мікоплазми в еритроцитах людини (500 генів). Б. Пекарські дріжджі (5800 генів). B. Плодова мушка дрозофіла (13 600 генів). Г. Круглий черв ценорабдітіс (18 500 генів). Д. Гіллястовусий рачок дафнія (31000 генів). Е. Рис посівний (40 000 генів). Є. Людина розумна (23 000 генів).

Кількість генів у клітині не залежить від складності організму

Кількість генів у геномах різних організмів значно варіюється. Зазвичай витримується таке правило: в еукаріотів генів більше, ніж у прокаріотів, у багатоклітинних організмів більше, ніж в одноклітинних (рис. 27.2) Варті уваги внутрішньоклітинні паразити, у яких генів менше, ніж у їхніх непаразитичних родичів. Так, у вільноживучих бактерій мінімальний набір становить приблизно 1500 генів, а у бактерій внутрішньоклітинних паразитів (наприклад, у мікоплазм, різні види яких спричиняють у людини атипову пневмонію та захворювання статевої системи) — приблизно 500 генів. В одноклітинних еукаріотів мінімальна кількість генів становить приблизно 5000, у багатоклітинних — 13 000. У вищих рослин і ссавців — зазвичай 25 000 генів. Однак кількість генів усередині груп може значно варіюватися. Так, геном плодової мушки дрозофіли містить 13 600 генів. А в мікроскопічного круглого черва ценорабдітіса, який мешкає у рослинності, що гниє, — 18 500. Рекордсменом за кількістю генів серед досліджених геномів тварин є крихітний рачок дафнія — 31 000 генів. У цьому він значно випередив людину з її 23 000 генів. Однак геном рису посівного ще більший — 40 000 генів. Пояснюється це тим, що в дафнії та рису більшість генів у геномі мають по кілька копій. Розмір геному також не завжди пропорційний кількості генів. У пекарських дріжджів 5800 генів при розмірі геному у 12,2 млн пар нуклеотидів, а в дріжджів іншого виду — 5000 генів, хоча геном довший — 14,1 млн пар нуклеотидів. Цей парадокс пояснюється тим, що в геномі, окрім генів, є ще й некодувальна ДНК.

Не вся ДНК еукаріотів складається з генів

На запитання, що міститься в геномі, перша відповідь, яка спадає на думку, — гени. Справді, гени — це обов’язковий компонент геномів усіх живих організмів1. Утім гени не розташовані один за одним у вигляді неперервного ланцюга — між ними є міжгенна ДНК.

1 У рослин, щоправда, є особливі інфекційні РНК — віроїди, що з датні самостійно розмножуватися, не несучи в собі при цьому жодного гена. Звісно, такі РНК не більше живі, ніж віруси.

Ця частина ДНК не кодує молекули РНК, і транскрипція на них відбувається1. Частота мутацій у цих ділянках дуже висока, адже мутації в них зазвичай не призводять до порушень роботи організму. Такі мутації нешкідливі та, на відміну від мутацій у генах, не видаляються, бо ні на що не впливають. У бактерій такі міжгенні проміжки дуже короткі й представлені лише кількома нуклеотидами. Але якщо ми зазирнемо до послідовностей ДНК людини, то, на свій подив, виявимо, що проміжки між генами можуть бути утворені тисячами, десятками тисяч і навіть сотнями тисяч пар нуклеотидів некодувальної ДНК.

У людини лише невеличка частина ДНК кодує білки

У людини ДНК, що кодує РНК і білки, становить лише 1,5 % від всієї ДНК хромосом. Наявність такого величезного некодувального геному в еукаріотів (особливо багатоклітинних) тривалий час залишалася загадкою для вчених. Спочатку його вважали непотрібним і зневажливо називали «сміттєвою ДНК». Однак виявилося, що ця ДНК не така вже й непотрібна2. Отже, розглянемо, які послідовності є в геномі людини (рис. 27.3).

Як ми вже з’ясували, екзони, що кодують РНК та білки, становлять 1,5 % ДНК. На інтрони припадає приблизно 26 %. Ще приблизно 25 % становить некодувальний міжгенний матеріал, що включає регуляторні елементи, а також мертві нефункціональні гени, що колись працювали. Понад 5 % представлено повторами різного ступеня складності: від простих (типу ...АЦАЦАЦАЦ..., і так сотні разів) до значно складніших.

Проте найбільша частина геному, що залишилася (приблизно 45 %), — це так звана рухлива ДНК. Ця ДНК здатна так чи інакше змінювати своє положення в геномі й навіть розмножуватися в ньому, збільшуючи кількість своїх копій. Значна частина цієї ДНК (понад 8 %) — загиблі віруси, що колись вбудувались у геном наших предків, але втратили свою патогенність. Тепер вони пасивно подорожують із нами в часі. Велика частина цієї рухливої ДНК стала «нерухомою»: отримала мутації, що позбавили її здатності «стрибати» по геному. Але послідовність нуклеотидів свідчить про її походження від більш «динамічних» предків. Рухлива ДНК належить до так званої «егоїстичної» ДНК. Вона живе в геномі власним життям, розмножується, може навіть нашкодити ненавмисно. Уявіть собі, що фрагмент такої «стрибальної» ДНК раптом вбудується до екзону гена, що кодує білок. Це практично невідворотно призведе до того, що ген утратить свою функцію цього гена. Багато «мертвих» генів у нашому геномі несуть у собі сліди подібних «бомбардувань». Щоправда, клітина має системи захисту геному від такої «бурхливої» ДНК і намагається її приборкати. Клітина навіть використовує цю ДНК у своїх цілях. Питання, пов’язані з «егоїстичною» ДНК, учені продовжують активно досліджувати і зараз.

Рис. 27.3. Склад геному людини

1. Інтрони. 2. Послідовності, що кодують білки. 3. Послідовності, що не кодують білки.

1 Останні дослідження показують, що вона все-таки відбувається, проте здійснюється дуже своєрідно й невідомо навіщо.

2 Хоча сміття там теж багато.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. У результаті дослідження клітини організму вдалося виявити там усього лише одну хромосому й кілька плазмід. Найімовірніший об’єкт дослідження — це

  • А людина
  • Б метелик лимонниця
  • В черв ценорабдітіс
  • Г хлорела
  • Д дизентерійна бактерія

2. До цитоплазматичної спадковості НЕ належить такий вид спадкового матеріалу, як

  • А ДНК плазмід
  • Б мітохондріальна ДНК
  • В ДНК хлоропластів
  • Г ДНК амілопластів
  • Д хромосомна ДНК еукаріотів

3. Правильний порядок розташування організмів за зростанням кількості генів у їхньому геномі такий:

  • А мікоплазма — ведмідь — амеба
  • Б туберкульозна паличка — хлібопекарські дріжджі — тушкан
  • В бактерія ангіни — дафнія — плодова мушка
  • Г людина — черв ценорабдітіс — хлорела
  • Д рис — білка — молочнокисла бактерія

4. Виберіть правильне твердження.

  • А у геномі паразитів генів більше, ніж у геномі непаразитичних родичів
  • Б у геномі багатоклітинних еукаріотів генів більше, ніж у геномі одноклітинних
  • В кількість генів у геномі зменшується через їх копіювання
  • Г у геномі рису генів стількі ж, скільки і у геномі людини
  • Д у геномі людини генів більше, ніж у геномі дафнії

5. Небезпечність рухливої ДНК у тому, що вона

  • А може розірвати ДНК
  • Б знищує РНК
  • В блокує транскрипцію
  • Г розриває гени білків
  • Д споживає енергію клітини

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому курс приймання антибіотиків потрібно проходити до кінця, навіть якщо симптоми зникли?

7. Чому строкаті рослини доволі поширені в оранжереях, але їх майже немає в дикій природі?

8. Назвіть властивості організму, від яких залежить кількість генів у геномі.

9. Які частини геному людини найстабільніші та найконсервативніші й чому?

10. У яких формах існує ДНК у клітинах еукаріотичних і прокаріотичних організмів? Чим зумовлені відмінності?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Мітохондріальна міопатія спричинена порушеннями в ДНК мітохондрій людини. Чому захворювання передається від хворої матері до дитини і не передається від хворого батька?

12. Як мобільним генетичним елементам удається «подорожувати» геномом? Чи є вони корисними для організму?

13. Які гени є в ДНК хлоропластів? Чому для клітини виявилося вигідніше зберігати їх там, ніж у хромосомах ядра?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14. Міжгенні ділянки в геномі людини можуть бути використані для ідентифікації особи. Які частини геному для цього використовують і як?

15. Розмір геному виявляється не пов’язаним із його складністю та неабияк відрізняється навіть у споріднених організмів. Учені називають це парадоксом величини С. Як сучасна наука пояснює цей парадокс?

Доповнення VIII

Микита Каліберда

Закінчив Львівську загальноосвітню школу № 50 імені А. С. Макаренка у 2003 році. Навчався у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Магістерську роботу виконав в

Інституті біології клітини НАН України. Працює вчителем біології та хімії у Львівській загальноосвітній школі № 50 імені А. С. Макаренка. Член журі Всеукраїнського турніру юних хіміків.

Які геноми розшифровано?

Розшифрувати геном організму — означає дізнатися послідовність нуклеотидів у його нуклеїнових кислотах. Саме ця послідовність і визначає, як буде влаштований той чи інший організм.

Першим розшифрованим (учені кажуть «секвенованим»1) геномом був геном бактеріофага MS2. Бактеріофаги — це віруси бактерій, і їм пощастило бути першими розшифрованими не тому, що вони суперважливі. Просто 1976 року, коли геном бактеріофага MS2 розшифрували, була дуже доступна його нуклеїнова кислота — РНК. І ця РНК виявилася надкороткою: лише 3569 нуклеотидів та 4 гени для синтезу чотирьох білків.

Більшість організмів зберігає свою спадкову інформацію у вигляді молекули ДНК, яка більш стабільна. І наступним кроком мало б стати розшифрування її послідовності. І тут знову бактеріофагові пощастило ввійти в історію: наукова група Фредеріка Сенгера розшифрувала послідовність нуклеотидів у ДНК бактеріофага фХ174. У ній виявилося 5386 пар нуклеотидів та 11 генів.

Розміри розшифрованих геномів зростали, як і «апетити» дослідників. До 1995 року вдалося розшифрувати геном першого клітинного організму. Ним виявилася бактерія гемофільна паличка, у геномі якої було близько 1,8 млн пар нуклеотидів і 1789 генів.

1 Від англійського sequence — послідовність.

Першим еукаріотичним організмом із секвенованим геномом стали хлібопекарські дріжджі. На радість науковому світу, перехід від прокаріотів з однією хромосомою до еукаріотів із великою кількістю хромосом (а отже, і молекул ДНК) відбувся легко й без проблем. Для еукаріотів геном — це спадковий матеріал гаплоїдного набору хромосом. Уже 1996 року послідовність усіх 12 млн пар нуклеотидів 16 хромосом дріжджового геному була опублікована в науковому журналі Science. Виявилося, що для життя одного з найпростіших ядерних організмів потрібно всього лише 6692 гени!

А як щодо складніших — багатоклітинних організмів? Першою твариною з розшифрованим геномом виявився круглий черв ценорабдітіс завдовжки 1 мм. У кожній із його тисячі клітин аж 103 млн пар нуклеотидів і 20,4 тисячі генів. Першою «розшифрованою» рослиною стала різушка Таля (учені називають її арабідопсисом). Ця рослина, що росте і в Україні, у геномі має 5 хромосом із 136 млн пар нуклеотидів, що кодують 27,7 тисяч генів.

Такі успіхи надихнули на секвенування геному найважливішого організму, на думку людини, — Людини розумної! Проект «Геном людини» було розпочато 1990 року, а повний геном опубліковано 2003 року. Однак невеликі ділянки ДНК (близько 1 %) і до сьогодні розшифрувати не вдалося через особливості їхньої організації та методів секвенування. Геном людини містить 3,1 млрд пар нуклеотидів і близько 23 тисяч генів. У жінок, щоправда, менше на 57 млн пар нуклеотидів (близько 2 %) та на 71 ген через відсутність Y-хромосоми. Багатьом ученим виявилося дивним те, що генів у людини майже стільки ж, скільки й в одноміліметрового черва ценорабдітіса, хоча пар нуклеотидів у 30 разів більше!

На сьогодні рекордсменом серед розшифрованих геномів є геном ячменю, що містить 5,3 млрд пар нуклеотидів. Хоча є геноми й більші, але вони ще не секвеновані.

На кінець 2016 року було розшифровано нуклеотидні послідовності геномів близько 140 багатоклітинних тварин і 150 найпростіших, 45 рослин, 200 грибів і кількох десятків тисяч видів бактерій та архей.

Щоб геном було розшифровано, організм має бути важливим для науки, побуту чи промисловості. Так, кишкова паличка, плодова мушка, миша чи шимпанзе є модельними організмами, тобто класичними біологічними об’єктами, які використовують для вивчення різноманітних процесів і закономірностей. Тому, аби краще розуміти, що відбувається з ними під час експериментів, треба знати, які гени в них є та як вони працюють. Окрім того, розшифрування геномів вірусу грипу, бактерій туберкульозу та дифтерії, малярійного плазмодія важливі, щоб створювати ліки проти хвороб, які вони спричиняють. Геноми пшениці, картоплі й корови важливі для сільського господарства: знаючи ці геноми, можна поліпшити продуктивність цих видів чи краще захистити їх від хвороб. Ось чому геноми всіх названих організмів уже секвеновано. Крім того, що менший геном організму, то простіше та дешевше його розшифрувати. Невеличкі геноми бактерій швидко й дешево піддаються секвенуванню. Саме тому геноми багатьох видів бактерій на сьогодні вже розшифровані.

З упровадженням нових, автоматизованих та економніших методик ціна секвенування постійно знижувалася. Якщо на початку 2000-х років ціна розшифрування 1000 нуклеотидів була близько 5000 доларів США, то зараз вона становить менше одного цента. Тобто лише за 15 років ціна впала у півмільйона разів! Сьогодні секвенування людського геному обійдеться лише в 1000 доларів США, хоча весь проект «Геном людини» коштував 18 млн доларів! Імовірно, зовсім скоро за ціною нового смартфона можна буде отримати всю нуклеотидну послідовність власного геному!

Рис. VIII.1 Логотип проекту «Геном людини»