Сравнение десятков тысяч человеческих геномов показало, что абсолютно необходимых генов насчитывается 3230.

В биологии есть понятие минимального генома - минимального набора генов, без которых организм не выживет. Конечно, к этому понятию есть масса вопросов. Например, о каком именно организме идёт речь? Можно взять одноклеточную бактерию, а можно очень и очень многоклеточного человека – по образу жизни они настолько разные, что и набор необходимых генов у них, очевидно, тоже будет разным.

Х-хромосома человека под электронным микроскопом. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimited / Corbis.)

Человеческие хромосомы в момент клеточного деления. (Фото Lester V. Bergman / CORBIS.)

Опять же, есть пункт «образа жизни». При каких условиях минимальный геном будет достаточен? Та же бактерия может попасть в исключительно благоприятную питательную среду, с идеальными показателями температуры, содержания солей, питательных веществ и т. д., а может, наоборот, перейти на голодный паёк, да ещё испытать на себе повышение солёности или кислотности. И набор необходимых для выживания генов в обоих случаях будет разный. Поэтому при обсуждении минимального генома часто оговариваются, что речь идёт именно о благоприятных условиях жизни.

Вообще мысль о том, что одни гены нужнее других, возникла сравнительно давно: так, ещё в 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин оценили минимальный необходимый геном для бактериальной клетки в 256 генов; в 2004 году другими исследователями был предложен набор в 204 гена. Минимальный геном строили на сравнительном анализе нескольких бактериальных геномов; если же говорить о конкретном организме, то здесь неизбежно приходится вспомнить о бактерии Mycoplasma genitalium , возбудителе заболеваний мочеполовой системы человека – у неё насчитывается всего 517 генов, из которых 482 кодируют белки; жизненно важных из них 382. Геном микоплазмы некоторое время считался самым маленьким, пока не были прочитаны ДНК ещё нескольких микроорганизмов, которые могут существовать только в виде симбионтов внутри клеток хозяина. Пока что чемпионом здесь является бактерия Carsonella , обитающая в клетках листоблошек – её геном содержит всего 182 гена с белковой информацией.

Бактерии бактериями, а если попробовать оценить минимальное число генов у человека? Именно это попыталась сделать исследовательская группа под руководством Дэниэла Макартура (Daniel MacArthur ) из Института Броуда. Отделить важные гены от неважных можно, если предположить, что важные гены будут у разных людей полностью или почти полностью похожи друг на друга. Известно, что в генах могут проскакивать небольшие изменения в последовательностях, по которым одна особь отличается от другой; такие изменения могут вообще не сказываться на работе белка, кодируемого геном, или же сказываться незначительно. Но в случае важных генов их модификации с очень большой вероятностью плохо отразятся на организме, и он вряд ли выживет. Что до неважных генов, то они могут в определённых условиях позволить себе работать не очень хорошо, не подвергая нашу жизнь опасности.

И вот исследователи взялись сравнить между собой гены 60 тысяч человек (стоит уточнить, что сравнивали лишь экзоны, то есть те участки генов, которые несут информацию о последовательности аминокислот в белках). В сумме удалось найти 10 млн различий.

С другой стороны, для каждого гена оценивали теоретическое количество вариантов, которые бы он получил, если бы они возникали в нём случайно и так и оставались. Результат теоретической прикидки сравнивали с тем, что получили в ходе сравнительного анализа реальных последовательностей ДНК (взятых, напомним, у 60 тыс. человек). Как и ожидалось, какие-то гены легко «относились» к вариациям в собственной последовательности, другие же, напротив, старались от них избавиться. Посчитав гены, в которых изменений не было или почти не было, авторы работы получили цифру 3230 – именно столько человеческих генов не могут позволить себе никаких, даже малейших изменений в функционировании. То есть, можно сказать, что эти 3230 и есть жизненно необходимый генетический набор человека. (Напомним, что всего же человеческий геном насчитывает, по разным оценкам, от 20 до 25 тыс. генов.)

Очевидно, модификации в последовательностях таких генов сразу же приводят к каким-то тяжёлым расстройствам либо ещё во время эмбрионального развития, так что человек даже не успевает появиться на свет, либо уже после рождения, в детстве или ранней юности (человек умирает, не успев родить детей). Действительно, про 20% из описанных 3230 известно, что они связаны с разными заболеваниями, однако функцию большинства остальных генов ещё предстоит выяснить. Полученные результаты можно использовать в медицинских целях: очевидно, что поиск генетических причин тех или иных заболеваний лучше всего начинать именно с «минимального генетического набора».

Новые данные пока что существуют в виде препринта, статьи с ними пока нет. Возможно, что к моменту официальной публикации, после всех замечаний рецензентов, число генов как-то изменится. Впрочем, оно может измениться и так: кто знает, вдруг, если мы возьмём ещё больший набор последовательностей для анализа, то список необходимых генов увеличится? Не будем забывать и о том, что наш геном, как и любой другой, состоит не только из кодирующих последовательностей (то есть тех, что непосредственно несут информацию о белках) – в ДНК существует масса регуляторных участков, промоторов, энхансеров, инсуляторов, участков, кодирующих регуляторные РНК, и среди них, безусловно, есть жизненно важные.

Кстати говоря, одна из задач определения минимального генома – создание организма в буквальном смысле с нуля. Иными словами, можем ли мы, зная генетический набор минимального генома, создать живую бактериальную клетку, пусть и требующую для себя исключительно благоприятных условий? С бактериями, между прочим, это уже пытаются проделать; что ж, когда-нибудь дело дойдёт и до человека.

Всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20-25 тыс. активных генов , что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) - то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК . Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК , но которая, как оказалось, играет важную роль в регуляции активности генов и формирования всего организма в процессе развития .

Особенности

Хромосомы

В геноме присутствует 23 пары хромосом : 22 пары аутосомных хромосом, а также пара половых хромосом X и Y. У человека мужской пол является гетерогаметным и определяется наличием Y хромосомы. Нормальные диплоидные соматические клетки имеют 46 хромосом .

Гены

Предварительные оценки предполагали наличие в геноме человека более 100 тысяч генов. По результатам проекта «Геном человека » количество генов, а точнее открытых рамок считывания , составило около 28 000 генов. В связи с усовершенствованием методов поиска (предсказания) генов предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.

Число генов человека ненамного превосходит число генов у более простых организмов , например, круглого червя Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster . Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг . Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны , и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бендами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.

Кроме генов, кодирующих белки, человеческий геном содержит тысячи РНК-генов , включая транспортную РНК (tRNA), рибосомную РНК, микроРНК и прочие не кодирующие белок РНК последовательности.

МОСКВА, 4 июл — РИА Новости, Анна Урманцева . У кого геном больше? Как известно, одни существа имеют более сложное строение, чем другие, а раз все записано в ДНК, то и это тоже должно быть отражено в ее коде. Получается, человек с его развитой речью обязан быть сложнее маленького круглого червяка. Однако если сравнить нас с червяком по количеству генов, получится примерно то же самое: 20 тысяч генов Caenorhabditis elegans против 20-25 тысяч Homo sapiens.

Еще более обидными для "венца земных созданий" и "царя природы" являются сравнения с рисом и кукурузой — 50 тысяч генов по отношению к человеческим 25.

Впрочем, может, мы не то считаем? Гены — это "коробочки", в которые упакованы нуклеотиды — "буквы" генома. Может, посчитать их? У человека 3,2 миллиарда пар нуклеотидов. А вот японский вороний глаз (Paris japonica) — красивое растение с белыми цветами — имеет в своем геноме 150 миллиардов пар оснований. Получается, что человек должен быть устроен в 50 раз проще какого-то цветка.

А двоякодышащая рыба протоптер (двоякодышащая — обладающая как жаберным, так и легочным дыханием), получается, в 40 раз сложнее, чем человек. Может, все рыбы почему-то сложнее, чем люди? Нет. Ядовитая рыба фугу, из которой японцы готовят деликатес, имеет геном в восемь раз меньше, чем у человека, и в 330 раз меньше, чем у двоякодышащей рыбы протоптер.
Остается посчитать хромосомы — но это еще сильнее запутывает картину. Как может человек по количеству хромосом быть равным ясеню, а шимпанзе — таракану?

С этими парадоксами эволюционные биологи и генетики столкнулись давным-давно. Они были вынуждены признать, что размер генома, в чем бы мы его ни пытались посчитать, поразительно не связан со сложностью устройства организмов. Этот парадокс назвали "загадкой значений С", где С — это количество ДНК в клетке (C-value paradoх, точный перевод — "парадокс величины генома"). И все-таки какие-то корреляции между видами и царствами существуют.

© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина

© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина

Ясно, например, что эукариоты (живые организмы, клетки которых содержат ядро) имеют в среднем геномы больше, чем прокариоты (живые организмы, клетки которых не содержат ядро). Позвоночные животные имеют в среднем геномы больше, чем беспозвоночные. Однако тут есть исключения, которые никто пока не смог объяснить.

Были предположения, что размер генома связан с продолжительностью жизненного цикла организма. Некоторые ученые утверждали на примере растений, что многолетние виды имеют более крупные геномы, чем однолетние, причем обычно с разницей в несколько раз. А самые маленькие геномы принадлежат растениям-эфемерам, которые проходят полный цикл от рождения до смерти в течение нескольких недель. Этот вопрос сейчас активно обсуждается в научных кругах.

Поясняет ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н. И. Вавилова Российской академии наук, профессор Техасского агромеханического университета и Гёттингенского университета Константин Крутовский: "Размер генома не связан с продолжительностью жизненного цикла организма! Например, есть виды внутри одного рода, которые имеют одинаковый размер генома, но могут различаться по продолжительности жизни в десятки, если не сотни раз. В целом есть связь размера генома с эволюционной продвинутостью и сложностью организации, но со множеством исключений. В основном размер генома связан с плоидностью (копийностью) генома (причем полиплоиды встречаются и у растений, и у животных) и количеством высокоповторяющейся ДНК (простые и сложные повторы, транспозоны и другие мобильные элементы)".

Есть также ученые, которые придерживаются другой точки зрения на этот вопрос.

Команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинзом, подсчитав число генов у человека независимым способом и на основе своих данных, получила результат - около 32000 генов содержится в геноме каждой клетки человека.

Разнобой в окончательные оценки пока вносят два других коллектива ученых. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы «Хьюмэн Геном Сайенс») продолжает настаивать, что в их байке содержится приватизированная информация на 120 000 генов. Этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Фирма вложила деньги в патенты и собирается заработать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека.

Фирма «Инсайт» сообщила о том, что имеет в настоящее время каталог, состоящий из 140 000 идентифицированных ей генов человека, и также настаивает на этом количестве общего числа генов у человека.

Схема ДНК

Ген – участок ДНК кодирующий определенный белок.

Все гены как и люди имеют имена.

В ДНК участки кодирующие белки занимают лишь 1,1 – 1,4% её длины. Эти участки называют –экзонами. Остальные участки называют интронами.

Гены неравномерно распределены по хромосомам.

Гены человека в хромосомах как правило разорваны. Чтобы ген заработал он вначале подвергается сплайсингу – сшиванию.

Многие гены продублированы, чего нет у низших животных.

Генам свойственно явление полиморфизма по механизму замены, повторения или потери некоторого числа нуклеотидных пар (Insertion– наличие;Deletion – отсутствие).

Геном человека [Энциклопедия, написанная четырьмя буквами] Тарантул Вячеслав Залманович

Сколько же всего генов у человека?

Это наиболее интересный вопрос, ради которого собственно и затевалось полное секвенирование генома человека. После получения основной информации о структуре генома человека в первую очередь были произведены различные анализы по поиску генов и определению их числа. Однако задача оказалась не простой. Это может показаться странным для читателя, но однозначного ответа на поставленный вопрос до сих пор нет.

Сколько же всего генов в ДНК человека? Еще несколько лет назад полагали, что их около 100 тыс., затем решили, что не более 80 тыс. В конце 1998 г. пришли к выводу, что в геноме человека не более 50–60 тыс. генов и на их долю приходится около 3 % общей длины ДНК.

Последние подсчеты общего числа генов в геноме человека проводили несколько международных команд ученых. Уже упоминавшаяся компания «Celera» провела собственные исследования, результаты которого изложены в журнале «Science» в 2001 году. По ее оценкам общее число генов в геноме человека составляет от 26383 до 39114. Средний размер гена оценивается равным примерно 3000 п. н. Если принять, что число генов у человека порядка 30 тысяч и на каждый ген приходится примерно 3 тыс. п. н., то нетрудно подсчитать, что в кодировании белков принимает участие менее 1,5 % хромосомной ДНК. Таким образом, генетические инструкции по формированию человеческой личности занимают меньше 3 сантиметров на двухметровой молекуле ДНК. Удивляет и малое количество генов, несущих эти инструкции, - их всего в пять раз больше, чем, например, у такого на наш взгляд совершенно примитивного организма, как муха дрозофила.

Вторая команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинзом, подсчитав число генов у человека независимым способом и на основе своих данных, получила сходный результат - около 32000 генов содержится в геноме каждой клетки человека.

Разнобой в окончательные оценки пока вносят два других коллектива ученых. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы «Хьюмэн Геном Сайенс») продолжает настаивать, что в их банке содержится приватизированная информация на 120 тыс. генов. Этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Фирма вложила деньги в патенты и собирается заработать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека. Фирма «Инсайт» сообщила о том, что имеет в настоящее время каталог, состоящий из 140 тысяч идентифицированных ей генов человека, и также настаивает на этом количестве общего числа генов у человека.

Очевидно, что наспех приватизированная генетическая информация будет еще тщательно анализироваться и проверяться в ближайшие годы, пока точное число генов станет окончательно «канонизировано». Дело в том, что устройство генов весьма многообразно и до конца еще не поняты все возможные варианты. Вот мы прочитали последовательность нуклеотидов ДНК. Определено, что она способна кодировать белок. Но один ли? Выше уже говорилось о том, как транскрипция и последующие модификации РНК, а затем трансляция и модификации полипептидов, способны обеспечить огромное многообразие белков, кодируемых одним участком ДНК. И понять это исходя только из нуклеотидной последовательности ДНК очень часто просто невозможно. Тем не менее структура генома представляет собой единственную базу для осмысления данных, получаемых такими новыми направлениями, рожденными геномикой, как транскриптомика (исследует совокупность РНК-транскриптов организма), протеомика (исследует совокупность белков организма), метаболомика (исследует обмен веществ - метаболизм - в организме). Эти направления призваны дополнить лежащий в основе структурной геномики метод геномного секвенирования, дать возможность выйти за пределы его разрешающей способности.

Выше уже также говорилось об альтернативном сплайсинге. Сейчас хорошо известно, что за счет этого процесса с одних и тех же генов могут считываться разные белки, которые затем взаимодействуют друг с другом, образуя неповторимую смесь, как из основных цветов в живописи - желтого, красного и голубого можно получить мириады оттенков. Такой сплайсинг характерен не менее чем для половины генов человека. Считается, что в среднем с одного гена человека за счет альтернативного сплайсинга может образовываться три разных пептида. Но некоторые гены имеют до 10 альтернативно сплайсируемых экзонов, что позволяет теоретически получать более 1000 различных вариантов белков всего лишь на одном гене. В реальности число разных белков, кодируемых одним геном, достигает 10. Кроме того, существуют еще и альтернативные промоторы, альтернативные кодоны инициации трансляции, редактирование РНК (превращение Ц в У или А в аналог Г - инозин). Все вышесказанное пока еще невозможно учесть при оценке общего числа генов у человека.

Но и это не все. Кроме генов, кодирующих белки, имеются еще гены, конечным продуктом которых являются РНК. Вспомним об упоминавшихся выше генах-риборегуляторах - они не кодируют белки, но производят функционирующую в клетках РНК. Так что скорее всего окончательная оценка числа генов у человека будет сделана еще нескоро.

На сегодняшний день ученым известны функции всего лишь около восьми-десяти тысяч из них. А детальные сведения о механизмах их регуляции еще более скудны. Тем не менее, приведенные выше данные о строении и функционировании генов человека свидетельствуют о том, что у человека, царствующего в природе, в отличие от других существующих на нашей планете организмов, очень высока сложность протеома - полного набора функциональных белков в клетке, которая обеспечивается не просто за счет крупного размера генома или большого числа генов, а благодаря всевозможным инновациям, связанным с функционированием генов и формированием белков: большее число доменов-модулей, более высокая комбинаторика (перемешивание) этих модулей в белках, активное использование альтернативного сплайсинга и многое другое, о чем мы поговорим дальше.