Днк и хромосома – Молекула ДНК человека. Как работают гены, что такое РНК, нуклеотиды, синтез белка :: Polismed.com

Содержание

ДНК и хромосома 2020

И ДНК, и хромосомы лежат за нашим основным пониманием человеческого тела. Однако между ними существуют тонкие различия, которые в значительной степени определяют их действия.

Итак, что вы понимаете по ДНК в любом случае? ДНК можно описать как длинное волокно, которое напоминает волосы под мощным микроскопом. Единственная разница в том, что они намного тоньше и длиннее. Вся структура состоит из двух нитей, которые переплетаются друг с другом. Когда клетки готовятся к делению, белки присоединяются к ДНК и приводят к созданию хромосомы.

ДНК в организме человека организована во множество участков генов. Белки присоединяются к этим участкам и обматывают их так, что они образуют хромосомы. Эти участки очень важны для формирования организма. Ты знаешь почему?

Это потому, что это участки, которые определяют, какие гены будут включены и которые должны быть отключены. Когда ген включается, он определяет, как белки будут образовываться в клетке. Это, в свою очередь, определяет многие аспекты человеческого существа — начиная от цвета его глаз до наследования ряда заболеваний и состояний.

Хромосома — это просто продукт ДНК и присоединенных к ней белков. В каждом человеке есть 23 пары хромосом. Один набор унаследован от отца, и один набор унаследован от матери. ДНК — это своего рода биомолекула. Вся ДНК в клетках может быть обнаружена в отдельных частях, которые называются хромосомами.

Основное различие между ДНК и хромосомой заключается в роли генов. ДНК обозначает дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК в основном состоит из цитозина, аденина, тимина и гуанина. Когда вы организовываете эти четыре базы для создания определенного сегмента, он называется геном. Когда эти сегменты свернуты в форме, которую можно легко продублировать, они известны как хромосомы.

Смущенный? Попытайтесь запомнить это так: ген состоит из крошечных хромосом, каждый из которых определяет конкретную характеристику у человека. Эти хромосомы далее делятся на кусочки ДНК. Хромосомы в основном являются фрагментами ДНК. Если бы мы посмотрели на хромосому в виде переплетенного ожерелья, то на ней были бы разные ДНК. Образец, образованный этим переплетением нитей, называется двойным спиральным рисунком.

Все это основные строительные блоки тела. ДНК — самая маленькая часть, которая вместе с белками образует хромосому. Следовательно, хромосома — это не что иное, как цепочка ДНК, которая была сделана достаточно компактной, чтобы вписаться в клетку.

Резюме: 1. Как хромосомы, так и ДНК составляют важную часть генов человека 2. Хромосома является частью генов человека, а ДНК — частью хромосомы. 3. Когда белки добавляют к ДНК, образуется хромосома.

Разница между ДНК и хромосомой

Главное отличие — ДНК против хромосомы

Все известные живые организмы и многие вирусы используют ДНК в качестве своего генетического материала для хранения своей генетической информации. ДНК представляет собой двухвалентную структуру, которая существует в виде двойной спирали. Двойная спираль ДНК конденсируется с белками гистонов с образованием хромосомы.

ключевое отличие между ДНК и хромосомой является то, что ДНК является неорганизованной структурой носителя генетической информации у большинства организмов, а хромосома — наиболее организованной структурой ДНК с гистонами в клетке. В дальнейшем, ДНК хранит генетические инструкции, тогда как хромосомы позволяют регулировать гены цепи ДНК.

Эта статья объясняет,

1. Что такое ДНК
— определение, структура, особенности
2. Что такое хромосома
— определение, структура, особенности
3. В чем разница между ДНК и хромосомой


Что такое ДНК

ДНК — это химическая форма хранения генетической информации, используемой для развития, функционирования и размножения. Это макромолекула, состоящая из нуклеотидов как мономерных звеньев. Нуклеотид состоит из азотистого основания и фосфатной группы, которая присоединена к фосфатному сахару. В ДНК могут быть идентифицированы четыре различных типа азотистых оснований: цитозин (C), гуанин (G), аденин (A) и тимин (T). Фосфатная группа одного нуклеотида присоединяется к сахару другого нуклеотида через фосфодиэфирные связи с образованием сахарофосфатного остова. Полинуклеотидные остатки соединены вместе водородными связями, образующимися между двумя азотистыми основаниями комплемента: A с T и C с G. Следовательно, образуется двухцепочечная ДНК, каждая цепь комплементарна другой цепи. Кроме того, две нити идут в противоположных направлениях, что делает нити антипараллельными. Двухцепочечная ДНК наматывается вокруг друг друга, образуя двойную спираль ДНК.

ДНК организована в хромосомы для легкой упаковки внутри клетки. Последовательность из четырех оснований вдоль цепи ДНК кодирует генетическую информацию в виде генов. Размер человеческого генома составляет 3,2 миллиарда пар оснований. У людей около 21 000 генов. Более 98% человеческой ДНК состоит из некодирующих последовательностей, тогда как другие последовательности кодируются для белков. Несколько различий между последовательностями генов делают человека идентичным. Во время клеточного деления точная копия оригинальной ДНК синтезируется путем репликации.

Рисунок 1: Структура ДНК

Что такое хромосома

Хромосома является наиболее организованной структурой ДНК. У эукариот двойная спираль ДНК конденсируется с белками гистонов с образованием нуклеосом. Нуклеосомная структура далее свернута в волокнообразную структуру, называемую хроматиновыми волокнами, диаметром 250 нм.

хроматин это нормально существующая форма ДНК внутри ядра. Они имеют нитевидную структуру и менее конденсированы по сравнению с хромосомой. Затем хроматин дополнительно сворачивается для образования хромосом. Диаметр хромосомы составляет 30 нм. Хромосомы можно увидеть во время события деления ядра.

Эукариоты состоят из крупных линейных хромосом, тогда как прокариоты состоят из одной круглой хромосомы, сконденсированной с гистоноподобными белками. Организация в хромосомы обеспечивает структурную целостность двойной спирали ДНК. Хромосома состоит из тысяч генов. Доступность последовательности ДНК на хромосомном уровне регулирует экспрессию генов. У людей есть 46 отдельных хромосом. Есть 22 гомологичных пары аутосом и 2 половых хромосомы. Хромосома также содержит источник репликации, центромер и теломер. Метафазные хромосомы клетки используются для генерации кариотипов для анализа хромосомных аномалий.

Рисунок 2: ДНК и хромосома

Разница между ДНК и хромосомой

Определение

ДНК: ДНК — это химическая форма, которая хранит генетическую информацию.

Хромосома: Хромосома — самая организованная структура двойной спирали ДНК с белками.

содержание

ДНК: ДНК состоит из нуклеотидных мономеров четырех оснований A, T, C и G.

Хромосома: Хромосома состоит из двойной спирали ДНК с гистоновым белком.

функция

ДНК: ДНК несет генетическую информацию внутри клетки.

Хромосома:Организация ДНК вместе с гистоновыми белками в хромосомы позволяет контролировать транскрипцию.

Заключение

ДНК — это химическая форма хранения генетической информации для развития, функционирования и размножения. Поскольку ДНК представляет собой длинную цепь, она должна быть хорошо упакована в клетке. Таким образом, ДНК конденсируется с гистонами с образованием хромосом. Следовательно, ключевое различие между ДНК и хромосомой заключается в том, что хромосома является упаковочной структурой ДНК.

Ссылка:
1. «ДНК».

Что такое ДНК — и еще 15 простых и важных вопросов про генетику

В де­каб­ре в из­да­тель­стве «Ин­ди­ви­ду­ум» вы­шла кни­га швед­ской жур­на­лист­ки Ка­рин Бойс «Моя до­и­сто­ри­че­ская се­мья. Ге­не­ти­че­ский де­тек­тив». Че­рез ис­то­рию сво­ей се­мьи ав­тор по­ка­зы­ва­ет, как в ге­нах со­вре­мен­ных ев­ро­пей­цев спле­та­ют­ся судь­бы мно­же­ства на­ро­дов, и рас­ска­зы­ва­ет о до­сти­же­ни­ях и от­кры­ти­ях со­вре­мен­ных ге­не­ти­ков. «Цех» пуб­ли­ку­ет от­ры­вок из гла­вы «ДНК: во­про­сы и от­ве­ты» но­вой кни­ги Бойс.

Что та­кое ДНК?

ДНК — со­кра­ще­ние от «дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та». Это хи­ми­че­ское со­еди­не­ние, ко­то­рое на­хо­дит­ся во всех на­ших клет­ках и слу­жит по­сред­ни­ком при пе­ре­да­че из по­ко­ле­ния в по­ко­ле­ние био­ло­ги­че­ской ин­фор­ма­ции.

ДНК-мо­ле­ку­ла со­сто­ит из че­ты­рех со­еди­не­ний, так на­зы­ва­е­мых азо­ти­стых ос­но­ва­ний или нук­лео­ти­дов. Они на­зы­ва­ют­ся аде­нин, гу­а­нин, ци­то­зин и ти­мин (со­кра­щен­но А, G, C, и T). Ге­ном че­ло­ве­ка со­сто­ит при­мер­но из трех мил­ли­ар­дов та­ких А, G, C, и T. Два слу­чай­но вы­бран­ных че­ло­ве­ка бу­дут раз­ли­чать­сяь­в­се­го на одну ты­сяч­ную доли этих азо­ти­стых со­еди­не­ний; все осталь­ное иден­тич­но. Но, хотя раз­ли­чия ни­чтож­ны, они опре­де­ля­ют наши от­ли­чия друг от дру­га, и срав­не­ние меж­ду со­бой по­сле­до­ва­тель­но­стей этих ос­но­ва­ний, или, как мы го­во­рим, «букв», мо­жет дать очень мно­го ин­фор­ма­ции о про­ис­хож­де­нии каж­до­го от­дель­но­го че­ло­ве­ка и его род­ствен­ных свя­зях.

Что та­кое гены?

Гены — это часть ДНК, ко­ди­ру­ю­щая ин­фор­ма­цию о стро­е­нии бел­ков ор­га­низ­ма. Они со­став­ля­ют все­го несколь­ко про­цен­тов от об­щей по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК. Кро­ме того, в мо­ле­ку­ле ДНК есть так на­зы­ва­е­мые ре­гу­ля­тор­ные об­ла­сти, ко­то­рые опре­де­ля­ют, ко­гда и в ка­ком ко­ли­че­стве бу­дет син­те­зи­ро­вать­ся тот или иной бе­лок. Кро­ме того, до­ста­точ­но боль­шая часть ДНК пред­став­ле­на так на­зы­ва­е­мы­ми «неко­ди­ру­ю­щи­ми об­ла­стя­ми». Дан­ные о по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК каж­до­го че­ло­ве­ка яв­ля­ют­ся при­ват­ной ин­фор­ма­ци­ей. Од­на­ко для по­лу­че­ния наи­бо­лее раз­вер­ну­той ин­фор­ма­ции о ва­шем про­ис­хож­де­нии и ис­то­рии рода хо­ро­шо иметь дан­ные о по­сле­до­ва­тель­но­сти всей ва­шей ДНК, го­во­ря дру­ги­ми сло­ва­ми, все­го ге­но­ма.

Что та­кое ми­то­хон­дрии?

Ми­то­хон­дрии — так на­зы­ва­е­мые «ор­га­нел­лы» кле­ток, ко­то­рые от­ве­ча­ют за кле­точ­ное ды­ха­ние и обес­пе­чи­ва­ют клет­ки энер­ги­ей, необ­хо­ди­мой для их жиз­не­де­я­тель­но­сти. Они со­дер­жат свою соб­ствен­ную ДНК. Это та­кая неболь­шая коль­це­вая мо­ле­ку­ла, ко­то­рая со­сто­ит толь­ко из 16 000 пар азо­ти­стых ос­но­ва­ний. Ми­то­хон­дрий в клет­ке мно­го, по­это­му и та­ких оди­на­ко­вых мо­ле­кул ДНК в каж­дой клет­ке очень мно­го. Ми­то­хон­дрии в ос­нов­ном пе­ре­да­ют­ся от ма­те­рей к де­тям, по­это­му бла­го­да­ря им мы мо­жем про­сле­дить ма­те­рин­скую ли­нию че­ло­ве­ка на мно­го по­ко­ле­ний на­зад.


Что та­кое ядер­ная ДНК?

Ядер­ная ДНК — это, соб­ствен­но, вся осталь­ная, кро­ме ми­то­хон­дри­аль­ной, часть на­шей ДНК, ко­то­рая на­хо­дит­ся в спе­ци­аль­ной ча­сти клет­ки — ядре. Это очень боль­шая мо­ле­ку­ла, она об­ра­зо­ва­на тре­мя мил­ли­ар­да­ми пар азо­ти­стых ос­но­ва­ний. Изу­че­ние ядер­ной ДНК, без­услов­но, дает го­раз­до боль­ше ин­фор­ма­ции. Но, есте­ствен­но, изу­чить по­сле­до­ва­тель­ность та­кой дли­ны го­раз­до слож­нее и до­ро­же. Кро­ме того, не надо за­бы­вать, что ядро в клет­ке одно, а ми­то­хон­дрий очень мно­го. По­это­му если речь идет об «ис­ко­па­е­мой» ДНК, то со­хра­ня­ет­ся в первую оче­редь

ми­то­хон­дри­аль­ная ДНК — ее боль­ше и она ко­ро­че.

Что та­кое ауто­со­мы?

ДНК в ядре ор­га­ни­зо­ва­на в хро­мо­со­мы. У че­ло­ве­ка их 23 пары. В паре хро­мо­сом одна на­сле­ду­ет­ся от отца, дру­гая от ма­те­ри. В слу­чае 22 пар от отца и от ма­те­ри на­сле­ду­ют­ся оди­на­ко­вые хро­мо­со­мы, ко­то­рые от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га по по­сле­до­ва­тель­но­сти вхо­дя­щих в их со­став азо­ти­стых ос­но­ва­ний в сред­нем на 0,1%. Они на­зы­ва­ют­ся ауто­со­ма­ми. Са­мые про­стые и де­ше­вые ге­не­ти­че­ские те­сты ос­но­вы­ва­ют­ся на ауто­сом­ных ДНК. Они мо­гут дать ин­фор­ма­цию о бра­тьях и сест­рах, о ро­ди­те­лях, дво­ю­род­ных и тро­ю­род­ных бра­тьях и сест­рах вплоть до седь­мо­го ко­ле­на. Но сов­па­де­ние мож­но опре­де­лить, толь­ко если дру­гие люди тоже про­шли тест. Од­на­ко есть еще хро­мо­со­мы, на­ли­чие ко­то­рых опре­де­ля­ет пол у че­ло­ве­ка. Это так на­зы­ва­е­мые Х- и Y-хро­мо­со­мы.

Что та­кое Х‐хро­мо­со­ма?

Это одна из двух по­ло­вых хро­мо­сом. У жен­щи­ны есть толь­ко две Х-хро­мо­со­мы, она пе­ре­да­ет сво­е­му ре­бен­ку X-хро­мо­со­му. А у муж­чин (и это, соб­ствен­но, опре­де­ля­ет их при­над­леж­ность к муж­ско­му полу) есть Х-хро­мо­со­ма от ма­те­ри и Y-хро­мо­со­ма
от отца. Если он пе­ре­даст свою Х-хро­мо­со­му бу­ду­ще­му ре­бен­ку, то но­си­тель двух X-хро­мо­сом бу­дет де­воч­кой, а вот если он пе­ре­даст Y-хро­мо­со­му, то по­лу­чит­ся маль­чик.

Что та­кое Y‐хро­мо­со­ма?

Y-хро­мо­со­ма — это хро­мо­со­ма, ко­то­рая все­гда пе­ре­да­ет­ся от отца к сыну. Срав­ни­вая по­сле­до­ва­тель­но­сти азо­ти­стых ос­но­ва­ний в Y-хро­мо­со­ме, мож­но про­сле­дить от­цов­скую ли­нию маль­чи­ка. По­дроб­ные те­сты Y-хро­мо­сом дают го­раз­до боль­ше ин­фор­ма­ции, чем ана­лиз ми­то­хон­дрий, и поз­во­ля­ют по­лу­чить на­мно­го боль­ше зна­ний и о древ­но­сти, и о со­вре­мен­но­сти.

Что та­кое гап­ло­груп­па?

Гап­ло­груп­па — это груп­па схо­жих по­сле­до­ва­тель­но­стей ДНК, име­ю­щих об­ще­го пред­ка, у ко­то­ро­го про­изо­шла му­та­ция, уна­сле­до­ван­ная все­ми по­том­ка­ми. Ина­че го­во­ря, все, кто вхо­дит в гап­ло­груп­пу, при­над­ле­жат к од­ной вет­ви ге­не­а­ло­ги­че­ско­го дре­ва.

Что та­кое STR?

Со­кра­ще­ние от ан­глий­ско­го «short tan­dem re­peats». Это ме­сто, где ДНК-мо­ле­ку­лу как бы «за­еда­ет», и ко­рот­кая по­сле­до­ва­тель­ность ос­но­ва­ний по­вто­ря­ет­ся несколь­ко раз. Чис­ло по­вто­ров пе­ре­да­ет­ся по на­след­ству и у раз­ных лю­дей раз­ли­ча­ет­ся. По­след­нее де­ла­ет STR удоб­ным ин­стру­мен­том для иден­ти­фи­ка­ции лич­но­сти по ДНК и уста­нов­ле­ния род­ства. На­чи­ная с 1980-х го­дов STR ис­поль­зу­ют при рас­сле­до­ва­нии уго­лов­ных дел; сей­час ме­то­ди­ка при­ме­ня­ет­ся так­же в со­став­ле­нии ро­до­слов­ных, осо­бен­но для срав­не­ния Y-хро­мо­сом. По­сколь­ку меж­ду STR и на­след­ствен­ны­ми ка­че­ства­ми нет ви­ди­мой свя­зи, об­ра­ще­ние к STR обыч­но не вы­зы­ва­ет спо­ров. Ком­мер­че­ские те­сты Y-хро­мо­сом — Y-DNA37, Y-DNA67 и Y-DNA111 — под­счи-
ты­ва­ют чис­ло по­вто­ров в 37, 67 и, со­от­вет­ствен­но, 111 ме­стах вдоль Y-хро­мо­со­мы. Чем выше циф­ра, тем боль­ше точ­ность и, сле­до­ва­тель­но, тем бли­же к со­вре­мен­но­сти мо­жет по­дой­ти ге­не­а­лог. Ком­про­мисс­ным ва­ри­ан­том с точ­ки зре­ния цены мо­жет быть ана­лиз сред­не­го ко­ли­че­ства STR, до­пол­нен­ный те­стом на так на­зы­ва­е­мые «сни­пы» — SNP.

Что та­кое SNP?

SNP (аб­бре­ви­а­ту­ра от ан­глий­ско­го «sin­gle nu­cleotide poly­mor­phism») — раз­ли­чие меж­ду дву­мя по­сле­до­ва­тель­но­стя­ми в один нук­лео­тид (одно азо­ти­стое ос­но­ва­ние). Чис­ло та­ких SNP, или, как их в про­сто­ре­чии на­зы­ва­ют, «сни­пов», опре­де­ля­ет раз­ли­чие меж­ду дву­мя по­сле­до­ва­тель­но­стя­ми ДНК. Вме­сто ис­сле­до­ва­ния всей ДНК мож­но про­ве­сти ана­лиз ка­ко­го-то ко­ли­че­ства та­ких от­ли­чий, так на­зы­ва­е­мый SNP-ана­лиз, это про­ще и де­шев­ле. Сни­пы уже дав­но при­ме­ня­ют­ся в ме­ди­цин-
ских ис­сле­до­ва­ни­ях, а те­перь пе­ре­шли и в ар­се­нал ге­не­а­ло­гов. SNP-те­стов ты­ся­чи, и преж­де чем де­лать за­каз, сто­ит по­со­ве­то­вать­ся со спе­ци­а­ли­стом, что­бы опре­де­лить, ка­кой тест наи­бо­лее ре­ле­ван­тен в каж­дом от­дель­ном слу­чае.

Что та­кое HVR1 и HVR2?

Со­кра­ще­ния для «hy­per­vari­able re­gion» 1 и 2. Это два неболь­ших участ­ка на­ших ми­то­хон­дрий, где му­та­ции про­ис­хо­дят чаще, чем в осталь­ной ДНК. Ис­сле­дуя эти участ­ки, мож­но опре­де­лить, в ка­кую ми­то­хон­дри­аль­ную гап­ло­груп­пу вхо­дит че­ло­век. Но этот ана­лиз дает очень при­бли­зи­тель­ную ин­фор­ма­цию и толь­ко о про­ис­хож­де­нии че­ло­ве­ка по ма­те­рин­ской ли­нии мно­го ты­сяч лет на­зад. Что­бы по­лу­чить дан­ные о бо­лее близ­ком к на­ше­му вре­ме­ни род­стве, тре­бу­ет­ся бо­лее пол­ный и по­дроб­ный ДНК-ана­лиз ми­то­хон­дрий.

Что та­кое CRS и rCRS?

Со­кра­ще­ния для Cam­bridge Ref­er­ence Se­quence, ис­поль­зу­ет­ся для срав­не­ния ми­то­хон­дри­аль­ных ДНК. При этом ис­сле­ду­ют, ка­кие му­та­ции от­ли­ча­ют­ся от пер­вой се­кве­ни­ро­ван­ной ми­то­хон­дри­аль­ной ДНК (пер­вое се­кве­ни­ро­ва­ние про­изо­шло в 1970–е годы в Кем­бри­дже). Усо­вер­шен­ство­ван­ный ва­ри­ант на­зы­ва­ет­ся rCRS — re­vised Cam­bridge Ref­er­ence Sys­tem.

Что та­кое RSRS?

Со­кра­щен­ное Re­vised Sapi­ens Ref­er­ence Se­quence; это но­вый спо­соб срав­не­ния ми­то­хон­дри­аль­ных ДНК. При­ме­ня­ет­ся с 2012 года. При срав­не­нии ис­хо­дят из по­сле­до­ва­тель­но­сти, ко­то­рую долж­на была иметь, по рас­че­там уче­ных, наша об­щая пра­ро­ди­тель­ни­ца, «ми­то­хон­дри­аль­ная Ева».

Что та­кое му­та­ции?

Му­та­ции — это слу­чай­ные из­ме­не­ния в мо­ле­ку­ле ДНК, ко­гда опре­де­лен­ные еди­ни­цы — азо­ти­стые ос­но­ва­ния — за­ме­ня­ют­ся, ис­че­за­ют или до­бав­ля­ют­ся. В каж­дом но­вом по­ко­ле­нии лю­дей про­ис­хо­дит око­ло трид­ца­ти но­вых му­та­ций. Чем стар­ше отец, тем боль­ше му­та­ций бу­дет у ре­бен­ка. В ми­то­хон­дри­ях одна му­та­ция в од­ной род­ствен­ной ли­нии про­ис­хо­дит в сред­нем раз в две ты­ся­чи лет.

Что озна­ча­ют циф­ры и бук­вы в ре­зуль­та­тах ана­ли­за моей ми­то­хон­дри­аль­ной ДНК?

Все это обо­зна­че­ния раз­ных ти­пов му­та­ций. «C40624T», на­при­мер, озна­ча­ет, что азо­ти­стое ос­но­ва­ние ци­то­зин © за­ме­ни­лось ти­ми­ном (Т) в по­зи­ции 40624. Если в на­ча­ле или в кон­це сто­ят А, Т или G, это озна­ча­ет, что эти ос­но­ва­ния тоже сме­ни­лись дру­ги­ми, по срав­не­нию с ре­фе­ренсной си­сте­мой (см. выше, CRS и rCRS).

Ино­гда по­сле букв и цифр сто­ит вос­кли­ца­тель­ный знак: «C40624T!». Это об­рат­ная му­та­ция. Зна­чит, в ис­ход­ной вер­сии у ми­то­хон­дри­аль­ной Евы или в Кем­бридж­ской ре­фе­ренсной по­сле­до­ва­тель­но­сти в этой по­зи­ции сто­я­ло имен­но Т. В бо­лее круп­ной гап­ло­груп­пе — «тол­стой вет­ке» ро­до­слов­но­го дре­ва — это ос­но­ва­ние за­ме­ни­лось дру­гим. Но имен­но та ве­точ­ка, в ко­то­рую вхо­дит ис­сле­до­ван­ная про­ба, по­том му­ти­ро­ва­ла об­рат­но, в ис­ход­ное Т.

Ино­гда на блан­ке с ре­зуль­та­та­ми ана­ли­за мож­но уви­деть, на­при­мер, «315,1» или «315+С». Это озна­ча­ет, что до­пол­ни­тель­ное азо­ти­стое ос­но­ва­ние — в дан­ном слу­чае С — до­ба­ви­лось по­сле по­зи­ции 315. Ан­то­ни­мич­ным на­пи­са­ни­ем бу­дет, на­при­мер, «315D». Здесь D озна­ча­ет delе­tion: азо­ти­стое ос­но­ва­ние в дан­ной по­зи­ции вы­па­ло.

Встре­ча­ют­ся и дру­гие обо­зна­че­ния раз­лич­ных част­ных ви­дов му­та­ций.


12 де­каб­ря в Куль­тур­ном цен­тре ЗИЛ прой­дет лек­ция Ка­рин Бойс и ге­не­раль­но­го ди­рек­то­ра ком­па­нии Genotek Ва­ле­рия Ильин­ско­го «Что мо­жет рас­ска­зать о нас ге­не­ти­ка?». Ме­ро­при­я­тие про­во­дит­ся при под­держ­ке По­соль­ства и Ге­не­раль­но­го кон­суль­ства Шве­ции, а так­же Швед­ско­го на­ци­о­наль­но­го со­ве­та по во­про­сам куль­ту­ры.

Искусственная бактериальная хромосома — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Искусственная бактериальная хромосома (англ. bacterial artificial chromosome, BAC) — векторная система на основе F-плазмиды E. coli, участков cos фага лямбда и loxP фага Р1, используемая для клонирования длинных (150—350[1] тыс. п.н.) последовательностей ДНК[2][3][4]. F-плазмида кодирует гены, регулирующие репликацию и контролирующие копийность (1—2 молекулы на клетку). По участку loxP плазмидная ДНК может быть расщеплена белком Cre фага Р1, по cos-участку — соответствующим ферментом фага лямбда. Схожая векторная система под названием PAC (англ. p1-derived artificial chromosome) была сделана на основе бактериальной P1-плазмиды из ДНК фага P1.

Искусственные бактериальные хромосомы часто используются для секвенирования геномов организмов в различных проектах, например в проекте Геном человека. Короткий фрагмент ДНК исследуемого организма вставляется в хромосому, а затем амплифицируется и секвенируется. После этого прочитанные последовательности выравниваются in silico в результате чего получается полная последовательность генома организма. Сейчас такой подход был вытеснен более быстрыми и менее трудоёмкими методами секвенирования, например методом дробовика или методами секвенирования нового поколения.

repE
регулирует репликацию и количество копий плазмиды.
parA и parB
для распределения ДНК F-плазмиды в дочерние клетки во время деления и стабильного поддержания хромосомы.
Селективный маркёр
часто ген устойчивости к антибиотикам; в некоторых также содержится lacZ в месте клонирование гена, что позволяет проводить бело-голубую селекцию.
T7 и Sp6
фаговые промоторы для транскрипции вставленных генов.
  1. Stone N. E., Fan J-B, Willour V., Pennacchio LA, Warrington J. A., Hu A., Chapelle A., Lehesjoki A-E, Cox D. R., Myers R. M. Construction of a 750-kb bacterial clone contig and restriction map in the region of human chromosome 21 containing the progressive myoclonus epilepsy gene (англ.) // Genome Research (англ.)русск. : journal. — 1996. — Vol. 6, no. 3. — P. 218—225. — DOI:10.1101/gr.6.3.218. — PMID 8963899.
  2. O’Connor M., Peifer M., Bender W. Construction of large DNA segments in Escherichia coli (англ.) // Science : journal. — 1989. — Vol. 244, no. 4910. — P. 1307—1312. — DOI:10.1126/science.2660262. — PMID 2660262.
  3. Shizuya H., Birren B., Kim U-J, Mancino V., Slepak T., Tachiiri Y., Simon M. Cloning and stable maintenance of 300-kilobase-pair fragments of human DNA in Escherichia coli using an F-factor-based vector (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1992. — Vol. 89, no. 18. — P. 8794—8797. — DOI:10.1073/pnas.89.18.8794. — PMID 1528894.
  4. Shizuya, H; Kouros-Mehr Hosein. The development and applications of the bacterial artificial chromosome cloning system (англ.) // Keio J Med. : journal. — 2001. — Vol. 50, no. 1. — P. 26—30. — DOI:10.2302/kjm.50.26. — PMID 11296661.

Геном — Википедия

Гено́м — совокупность наследственного материала, заключённого в клетке организма[1]. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК, однако некоторые вирусы имеют геномы из РНК[2].

Существует также и другое определение термина «геном», в котором под геномом понимают совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида[3][4]. Когда говорят о размерах генома эукариот, то подразумевают именно это определение генома, то есть размер эукариотического генома измеряют в парах нуклеотидов ДНК или пикограммах ДНК на гаплоидный геном[5].

У человека (Homo sapiens) наследственный материал соматической клетки представлен 23 парами хромосом (22 пары аутосом и пара половых хромосом), находящихся в ядре, а также клетка обладает множеством копий митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, половые хромосомы Х и Y, митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований[1].

Термин «геном» был предложен Гансом Винклером в 1920 году в работе, посвящённой межвидовым амфидиплоидным растительным гибридам, для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. В Оксфордском энциклопедическом словаре указано, что термин образован слиянием слов «ген» и «хромосома»[6]. Однако Джошуа Ледерберг и Алекса T. МакКрэй считают, что ботаник Г. Винклер должен был быть знаком с ботаническими терминами «ризом», «таллом», «трахеом» и т. д. Все эти термины возникли до 20-х годов XX века, и суффикс «-ом» в них означает объединение частей в целое, например, «ризом» означает всю корневую систему растения. Таким образом, «геном» можно понимать как объединение генов в целое[7].

До недавнего времени термин «геном» использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствовал гаплоидному набору хромосом с локализованными в них генами. Генетики бактерий и вирусов употребляли термин «геном» для обозначения совокупности наследственных факторов одной хромосомы или группы сцепления прокариот. В генетике бактерий семантика термина «геном» претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы. Постепенно в этом смысле термин «геном» стали употреблять и в генетике эукариот[8].

Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома, в отличие от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось[9]. В настоящее время под «геномом» понимают совокупность наследственного материала отдельного представителя вида, примером может служить международный проект «1000 геномов»[en], целью которого является секвенирование геномов 1000 человек[10][11].

Геномы живых организмов — от вирусов до животных — различаются по размеру на шесть порядков: от нескольких тысяч пар оснований до нескольких миллиардов пар оснований. Если исключить вирусы, то для клеточных организмов ширина диапазона составит четыре порядка. По количеству генов диапазон значительно ýже и составляет четыре порядка с нижним пределом 2-3 гена у самых простых вирусов и с верхним значением около 40 тысяч генов у некоторых животных. Если исключить из рассмотрения вирусы и бактерии, которые ведут паразитический или симбиотический образ жизни, то диапазон изменчивости геномов по числу генов становится совсем узким, составляя немногим более одного порядка[12].

По соотношению размера генома и числа генов геномы могут быть разделены на два чётко выделенных класса:

  1. Небольшие компактные геномы размером, как правило, не более 10 млн пар оснований, со строгим соответствием между размером генома и числом генов. Такими геномами обладают все вирусы и прокариоты. У этих организмов плотность генов составляет от 0,5 до 2 генов на тысячу пар оснований, а между генами имеются очень короткие участки, занимающие 10-15 % длины генома. Межгенные участки в таких геномах состоят главным образом из регуляторных элементов. Помимо вирусов и прокариот, к этому классу могут быть отнесены и геномы большинства одноклеточных эукариот, хотя их геномы демонстрируют несколько меньшую зависимость между размером генома и числом генов, а размер генома может достигать 20 млн пар оснований.
  2. Обширные геномы размером более 100 млн пар оснований, у которых нет чёткой взаимосвязи между размером генома и числом генов. К этому классу относятся большие геномы многоклеточных эукариот и некоторых одноклеточных эукариот. В отличие от геномов первой группы, большинство нуклеотидов в геномах этого класса относится к последовательностям, которые не кодируют ни белков, ни РНК[13][14].

Прокариоты[править | править код]

Геном подавляющего числа прокариот представлен одиночной хромосомой, которая представляет собой кольцевую молекулу ДНК. Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды — также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации[2]. У ряда бактерий, относящихся к различным филогенетическим группам, обнаружено линейное строение как хромосомы, так и плазмид. Например, геном спирохеты Borrelia burgdorferi, вызывающей болезнь Лайма, состоит из линейной хромосомы и нескольких плазмид, часть из которых имеет также линейное строение[15].

Геномы большинства прокариот маленькие и компактные, гены плотно упакованы и между ними находится минимальное количество регуляторной ДНК. Геномы почти всех эубактерий и архей содержат от 106 до 107 пар нуклеотидов и кодируют 1000–4000 генов[16]. Многие гены у прокариот организованы в совместно транскрибируемые группы — опероны[14].

Самыми маленькими геномами у прокариот обладают внутриклеточные симбионты и паразиты, такие как Hodgkinia cicadicola (144 Кб), Carsonella rudii (180 Кб)[17] или Mycoplasma genitalium (580 Кб)[18]. Самым большим прокариотическим геномом является геном обитающей в почве бактерии Sorangium cellulosum, размер которого составляет около 13 Мб[19].

Эукариоты[править | править код]

Практически вся генетическая информация у эукариот содержится в линейно-организованных хромосомах, находящихся в клеточном ядре. Внутриклеточные органеллы — митохондрии и хлоропласты — имеют свой собственный генетический материал. Геномы митохондрий и пластид организованы как прокариотические геномы.

Вирусы[править | править код]

Вирусные геномы очень малы. Например, геном вируса гепатита B представляет собой одну двуцепочечную кольцевую ДНК длиной около 3200 нуклеотидов [20].

Размер некоторых геномов с известной последовательностью[править | править код]

Тип организмаОрганизмРазмер генома
(пар оснований)
Примерное число геновПримечаниеСсылка на Genbank
ВирусPorcine circovirus тип 11,7591.8 kbНаименьший известный вирусный геном из способных самостоятельно размножаться в клетках эукариот.[21]
ВирусБактериофаг MS23 5473.5 kb4Первый расшифрованный РНК-геном, 1976 год[22][1]
ВирусSV405,2245.2 kbРасшифрован в 1978 году.[23] Миллионы людей были инфицированы вирусом SV40, так как в 1960-х годах он содержался в вакцине против вируса полиомиелита[24].
Вирусфаг Φ-X1745,3865.4 kb9Первый расшифрованный ДНК-геном, 1977 год.[25]
ВирусВИЧ тип 21035910.3 kb9[2]
Вируслямбда (λ) фаг48,50248.5 kbЧасто используется как вектор клонирования рекомбинантной ДНК.

[26][27][28]

ВирусМегавирус1,259,1971.3 Mb1120До 2013 года — самый длинный из известных вирусных геномов.[29]
ВирусPandoravirus salinus2,470,0002.47 MbСамый длинный из известных вирусных геномов.[30]
БактерияNasuia deltocephalinicola (штамм NAS-ALF)112,091112 kb137Наименьший известный невирусный геном. Расшифрован в 2013 году.[31]
БактерияCarsonella ruddii159,662160 kb
БактерияBuchnera aphidicola600,000600 kb[32]
БактерияWigglesworthia glossinidia700,000700 kb
БактерияHaemophilus influenzae Гемофильная палочка1,830,0001.8 MbПервый расшифрованный геном живого организма, июль 1995[33] Возбудитель гемофильной инфекции.
БактерияEscherichia coli4,600,0004.6 Mb4288Наиболее хорошо изученная бактерия — E.Coli.[34] Широко используется в синтетической биологии. Часто применяется совместно с BioBrick.
БактерияSolibacter usitatus (штамм Ellin 6076)9,970,00010 Mb[35]
Бактерия — цианобактерияProchlorococcus spp. (1.7 Mb)1,700,0001.7 Mb1884Наименьший из известных геномов цианобактерий (способных к фотосинтезу). Один из морских видов цианобактерий.[36][37]
Бактерия — цианобактерияNostoc punctiforme9,000,0009 Mb7432Многоклеточная цианобактерия[38]
АмёбаPolychaos dubium670,000,000,000670 Gb  Возможно наибольший из известных геномов.[39] Оспаривается в 2010 году.[40]
Органелла эукариотМитохондрия человека16,56916.6 kb[41]
РастениеGenlisea tuberosa, плотоядное цветное растение61,000,00061 MbНаименьший известный на 2014 год геном цветочного растения.[42]
РастениеArabidopsis thaliana135,000,000[43]135 Mb27,655[44]Первый расшифрованный геном растения, декабрь 2000.[45]
РастениеPopulus trichocarpa480,000,000480 Mb73013Первый расшифрованный геном дерева, сентябрь 2006[46]
РастениеFritillaria assyrica130,000,000,000130 Gb
РастениеParis japonica150,000,000,000150 GbНаибольший из известных геном растения[47]
Растение — мохPhyscomitrella patens480,000,000480 MbПервый из расшифрованных геномов мохообразных, январь 2008.[48]
Гриб — дрожжиSaccharomyces cerevisiae12,100,00012.1 Mb6294Первый из расшифрованных геномов эукариот, 1996[49]
ГрибAspergillus nidulans30,000,00030 Mb9541[50]
НематодаPratylenchus coffeae20,000,00020 Mb[51]. Самый маленький из известных геном животного.[52]
НематодаCaenorhabditis elegans (C.elegans)100,300,000100 Mb19000Первый из расшифрованных геномов многоклеточного организма, декабрь 1998[53]
НасекомоеDrosophila melanogaster (фруктовая мушка)175,000,000175 Mb13600Размер зависит от штамма (175-180Mb; стандартный y w штамм 175Mb)[54]
НасекомоеApis mellifera (медовая пчела)236,000,000236 Mb10157[55])
НасекомоеBombyx mori Тутовый шелкопряд432,000,000432 Mb14623[56]
НасекомоеSolenopsis invicta (огненный муравей)480,000,000480 Mb16569[57]
МлекопитающееMus musculus (Домо́вая мышь)2,700,000,0002.7 Gb20210[58]
МлекопитающееHomo sapiens (человек)3,289,000,0003.3 Gb20000-30000Большая часть расшифрована одновременно Проектом Генома Человека и Celera Genomics Крейга Вентера в 2000 году. Окончательной датой расшифровки считают 2003 год.[59][60]
МлекопитающееPan paniscus (Бонобо́ или Карликовый шимпанзе)3,286,640,0003.3 Gb20000[61]
РыбаTetraodon nigroviridis385,000,000390 MbНаименьший из известных геномов позвоночных 340 Mb[62][63] — 385 Mb.[64]
РыбаProtopterus aethiopicus130,000,000,000130 GbНаибольший из известных геномов позвоночных
  1. 1 2 Talking glossary of genetic terms: genome (англ.). National Human Genome Research Institute. Дата обращения 1 ноября 2012. Архивировано 4 ноября 2012 года.
  2. 1 2 Браун Т. А. Геномы = Genomes / /Пер. с англ. — М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2011. — 944 с. — ISBN 978-5-4344-0002-2.
  3. ↑ A Dictionary of genetics (англ.) / R.C.King, W.D.Stansfield, P.K.Mulligan. — 7th. — Oxford University Press, 2006. — ISBN 13978-0-19-530762-7.
  4. ↑ Генетика: энциклопедический словарь / Картель Н. А., Макеева Е. Н., Мезенко А. М.. — Минск: Тэхналогія, 1999. — 448 с.
  5. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 44.
  6. ↑ Oxford dictionaries: genome (англ.). OED. Дата обращения 13 ноября 2012. Архивировано 19 ноября 2012 года.
  7. Joshua Lederberg and Alexa T. McCray. ‘Ome Sweet ‘Omics — A Genealogical Treasury of Words (англ.) // The Scientist (англ.)русск. : journal. — 2001. — Vol. 15, no. 7. Архивировано 29 сентября 2006 года. Архивная копия от 29 сентября 2006 на Wayback Machine
  8. Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. Научно-исторические очерки. — СПб.: Борей Арт, 2000. — 262 с. — ISBN 5-7187-0304-3.
  9. Патрушев Л. И. Экспрессия генов / Ю. А. Берлин. — М.: Наука, 2000. — 526 с. — ISBN 5-02-001890-2.
  10. Abecasis G. R., Auton A., Brooks L. D., et al. An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes (англ.) // Nature : journal. — 2012. — November (vol. 491, no. 7422). — P. 56—65. — DOI:10.1038/nature11632. — PMID 23128226.
  11. ↑ Стартовал международный проект расшифровки геномов 1000 человек (неопр.). Membrana (24 января 2008). Дата обращения 13 ноября 2012.
  12. ↑ Кунин, 2014, с. 69.
  13. ↑ Кунин, 2014, с. 72.
  14. 1 2 Koonin E. V. Evolution of Genome Architecture (англ.) // Int J Biochem Cell Biol. Feb 2009; 41(2): 298–306.. — 2009. — Vol. 41, no. 2. — P. 298—306. — DOI:10.1016/j.biocel.2008.09.015.
  15. Fraser CM, Casjens S, Huang WM, et al. Genomic sequence of a Lyme disease spirochaete, Borrelia burgdorferi (англ.) // Nature. — 1997. — Vol. 390, no. 6660. — P. 580—586.
  16. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 26.
  17. Koonin E. V., Wolf Y. I. Genomics of bacteria and archaea: the emerging dynamic view of the prokaryotic world (англ.) // Nucleic acids research. — 2008. — Vol. 36, no. 21. — P. 6688-6719.
  18. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 27.
  19. ↑ Кунин, 2014, с. 134.
  20. Liang T. J. Hepatitis B: the virus and disease (англ.) // Hepatology (англ.)русск.. — Wiley-Liss, 2009. — Vol. 49, no. S5. — DOI:10.1002/hep.22881.
  21. Mankertz P. Molecular Biology of Porcine Circoviruses // Animal Viruses: Molecular Biology (неопр.). — Caister Academic Press (англ.)русск., 2008. — ISBN 978-1-904455-22-6.
  22. Fiers W; Contreras, R.; Duerinck, F.; Haegeman, G.; Iserentant, D.; Merregaert, J.; Min Jou, W.; Molemans, F.; Raeymaekers, A.; Van Den Berghe, A.; Volckaert, G.; Ysebaert, M. Complete nucleotide-sequence of bacteriophage MS2-RNA – primary and secondary structure of replicase gene (англ.) // Nature : journal. — 1976. — Vol. 260, no. 5551. — P. 500—507. — DOI:10.1038/260500a0. — Bibcode: 1976Natur.260..500F. — PMID 1264203.
  23. Fiers, W.; Contreras, R.; Haegeman, G.; Rogiers, R.; Van De Voorde, A.; Van Heuverswyn, H.; Van Herreweghe, J.; Volckaert, G.; Ysebaert, M. Complete nucleotide sequence of SV40 DNA (англ.) // Nature. — 1978. — Vol. 273, no. 5658. — P. 113—120. — DOI:10.1038/273113a0. — Bibcode: 1978Natur.273..113F. — PMID 205802.
  24. Le Page, Michael. Does SV40 contamination matter?, New Scientist (10 июня 2004). Дата обращения 29 марта 2010. «More than 40 years after SV40 was first discovered, in polio vaccine, these crucial questions remain fiercely controversial».
  25. Sanger, F.; Air, G.M.; Barrell, B.G.; Brown, N.L.; Coulson, A.R.; Fiddes, J.C.; Hutchison, C.A.; Slocombe, P. M.; Smith, M. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA (англ.) // Nature. — 1977. — Vol. 265, no. 5596. — P. 687—695. — DOI:10.1038/265687a0. — Bibcode: 1977Natur.265..687S. — PMID 870828.
  26. Thomason; Lynn; Court, Donald L.; Bubunenko, Mikail; Costantino, Nina; Wilson, Helen; Datta, Simanti; Oppenheim, Amos. Recombineering: genetic engineering in bacteria using homologous recombination (англ.) // Current Protocols in Molecular Biology : journal. — 2007. — Vol. Chapter 1. — P. Unit 1.16. — ISBN 0471142727. — DOI:10.1002/0471142727.mb0116s78. — PMID 18265390.
  27. Court; D. L.; Oppenheim, A. B.; Adhya, S. L. A new look at bacteriophage lambda genetic networks (англ.) // American Society for Microbiology (англ.)русск. : journal. — 2007. — Vol. 189, no. 2. — P. 298—304. — DOI:10.1128/JB.01215-06. — PMID 17085553.
  28. Sanger; F.; Coulson, A.R.; Hong, G.F.; Hill, D.F.; Petersen, G.B. Nucleotide sequence of bacteriophage lambda DNA (англ.) // Journal of Molecular Biology (англ.)русск. : journal. — 1982. — Vol. 162, no. 4. — P. 729—773. — DOI:10.1016/0022-2836(82)90546-0. — PMID 6221115.
  29. Legendre, M; Arslan, D; Abergel, C; Claverie, J. M. Genomics of Megavirus and the elusive fourth domain of life| journal (англ.) // Communicative & Integrative Biology : journal. — 2012. — Vol. 5, no. 1. — P. 102—106. — DOI:10.4161/cib.18624. — PMID 22482024.
  30. Philippe, N.; Legendre, M.; Doutre, G.; Coute, Y.; Poirot, O.; Lescot, M.; Arslan, D.; Seltzer, V.; Bertaux, L.; Bruley, C.; Garin, J.; Claverie, J.-M.; Abergel, C. Pandoraviruses: Amoeba Viruses with Genomes Up to 2.5 Mb Reaching That of Parasitic Eukaryotes (англ.) // Science : journal. — 2013. — Vol. 341, no. 6143. — P. 281—286. — DOI:10.1126/science.1239181. — Bibcode: 2013Sci…341..281P. — PMID 23869018.
  31. Bennett, G. M.; Moran, N. A. Small, Smaller, Smallest: The Origins and Evolution of Ancient Dual Symbioses in a Phloem-Feeding Insect (англ.) // Genome Biology and Evolution (англ.)русск. : journal. — 2013. — 5 August (vol. 5, no. 9). — P. 1675—1688. — DOI:10.1093/gbe/evt118. — PMID 23918810.
  32. Shigenobu, S; Watanabe, H; Hattori, M; Sakaki, Y; Ishikawa, H. Genome sequence of the endocellular bacterial symbiont of aphids Buchnera sp. APS (англ.) // Nature : journal. — 2000. — 7 September (vol. 407, no. 6800). — P. 81—6. — DOI:10.1038/35024074. — PMID 10993077.
  33. Fleischmann R; Adams M; White O; Clayton R; Kirkness E; Kerlavage A; Bult C; Tomb J; Dougherty B; Merrick J; McKenney; Sutton; Fitzhugh; Fields; Gocyne; Scott; Shirley; Liu; Glodek; Kelley; Weidman; Phillips; Spriggs; Hedblom; Cotton; Utterback; Hanna; Nguyen; Saudek; Brandon. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd (англ.) // Science : journal. — 1995. — Vol. 269, no. 5223. — P. 496—512. — DOI:10.1126/science.7542800. — Bibcode: 1995Sci…269..496F. — PMID 7542800.
  34. Frederick R. Blattner; Guy Plunkett III et al. The Complete Genome Sequence of Escherichia coli K-12 (англ.) // Science : journal. — 1997. — Vol. 277, no. 5331. — P. 1453—1462. — DOI:10.1126/science.277.5331.1453. — PMID 9278503.
  35. Challacombe, Jean F.; Eichorst, Stephanie A.; Hauser, Loren; Land, Miriam; Xie, Gary; Kuske, Cheryl R.; Steinke, Dirk. Biological Consequences of Ancient Gene Acquisition and Duplication in the Large Genome of Candidatus Solibacter usitatus Ellin6076 (англ.) // PLoS ONE (англ.)русск. : journal / Steinke, Dirk. — 2011. — 15 September (vol. 6, no. 9). — P. e24882. — DOI:10.1371/journal.pone.0024882. — Bibcode: 2011PLoSO…624882C. — PMID 21949776.
  36. Rocap, G.; Larimer, F. W.; Lamerdin, J.; Malfatti, S.; Chain, P.; Ahlgren, N. A.; Arellano, A.; Coleman, M.; Hauser, L.; Hess, W. R.; Johnson, Z. I.; Land, M.; Lindell, D.; Post, A. F.; Regala, W.; Shah, M.; Shaw, S. L.; Steglich, C.; Sullivan, M. B.; Ting, C. S.; Tolonen, A.; Webb, E. A.; Zinser, E. R.; Chisholm, S. W. Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation (англ.) // Nature : journal. — 2003. — Vol. 424, no. 6952. — P. 1042—1047. — DOI:10.1038/nature01947. — Bibcode: 2003Natur.424.1042R. — PMID 12917642.
  37. Dufresne, A.; Salanoubat, M.; Partensky, F.; Artiguenave, F.; Axmann, I. M.; Barbe, V.; Duprat, S.; Galperin, M. Y.; Koonin, E. V.; Le Gall, F.; Makarova, K. S.; Ostrowski, M.; Oztas, S.; Robert, C.; Rogozin, I. B.; Scanlan, D. J.; De Marsac, N. T.; Weissenbach, J.; Wincker, P.; Wolf, Y. I.; Hess, W. R. Genome sequence of the cyanobacterium Prochlorococcus marinus SS120, a nearly minimal oxyphototrophic genome (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2003. — Vol. 100, no. 17. — P. 10020—10025. — DOI:10.1073/pnas.1733211100. — Bibcode: 2003PNAS..10010020D. — PMID 12917486.
  38. J. C.; Meeks; Elhai, J; Thiel, T; Potts, M; Larimer, F; Lamerdin, J; Predki, P; Atlas, R. An overview of the genome of Nostoc punctiforme, a multicellular, symbiotic cyanobacterium (англ.) // Drugs (англ.)русск. : journal. — Adis International, 2001. — Vol. 70, no. 1. — P. 85—106. — DOI:10.1023/A:1013840025518. — PMID 16228364.
  39. Parfrey LW; Lahr DJG; Katz L. A. The Dynamic Nature of Eukaryotic Genomes (англ.) // Molecular Biology and Evolution (англ.)русск. : journal. — Oxford University Press, 2008. — Vol. 25, no. 4. — P. 787—794. — DOI:10.1093/molbev/msn032. — PMID 18258610.
  40. ↑ ScienceShot: Biggest Genome Ever Архивировано 11 октября 2010 года., comments: «The measurement for Amoeba dubia and other protozoa which have been reported to have very large genomes were made in the 1960s using a rough biochemical approach which is now considered to be an unreliable method for accurate genome size determinations.»
  41. Anderson, S.; Bankier, A. T.; Barrell, B. G.; de Bruijn, M. H. L.; Coulson, A. R.; Drouin, J.; Eperon, I. C.; Nierlich, D. P.; Roe, B. A.; Sanger, F.; Schreier, P. H.; Smith, A. J. H.; Staden, R.; Young, I. G. Sequence and organization of the human mitochondrial genome (англ.) // Nature : journal. — 1981. — Vol. 290, no. 5806. — P. 457—465. — DOI:10.1038/290457a0. — Bibcode: 1981Natur.290..457A. — PMID 7219534.
  42. Fleischmann A; Michael TP; Rivadavia F; Sousa A; Wang W; Temsch EM; Greilhuber J; Müller KF; Heubl G. Evolution of genome size and chromosome number in the carnivorous plant genus Genlisea (Lentibulariaceae), with a new estimate of the minimum genome size in angiosperms (англ.) // Annals of Botany : journal. — 2014. — Vol. 114, no. 8. — P. 1651—1663. — DOI:10.1093/aob/mcu189. — PMID 25274549.
  43. ↑ TAIR — Genome Assembly
  44. ↑ Details — Arabidopsis thaliana — Ensembl Genomes 41
  45. Greilhuber J; Borsch T; Müller K; Worberg A; Porembski S; Barthlott W. Smallest angiosperm genomes found in Lentibulariaceae, with chromosomes of bacterial size (англ.) // Plant Biology : journal. — 2006. — Vol. 8, no. 6. — P. 770—777. — DOI:10.1055/s-2006-924101. — PMID 17203433.
  46. Tuskan G. A., Difazio S., Jansson S., Bohlmann J., Grigoriev I., Hellsten U., Putnam N., Ralph S., Rombauts S., Salamov A., Schein J., Sterck L., Aerts A., Bhalerao R. R., Bhalerao R. P., Blaudez D., Boerjan W., Brun A., Brunner A., Busov V., Campbell M., Carlson J., Chalot M., Chapman J., Chen G. L., Cooper D., Coutinho P. M., Couturier J., Covert S., Cronk Q., Cunningham R., Davis J., Degroeve S., Déjardin A., Depamphilis C., Detter J., Dirks B., Dubchak I., Duplessis S., Ehlting J., Ellis B., Gendler K., Goodstein D., Gribskov M., Grimwood J., Groover A., Gunter L., Hamberger B., Heinze B., Helariutta Y., Henrissat B., Holligan D., Holt R., Huang W., Islam-Faridi N., Jones S., Jones-Rhoades M., Jorgensen R., Joshi C., Kangasjärvi J., Karlsson J., Kelleher C., Kirkpatrick R., Kirst M., Kohler A., Kalluri U., Larimer F., Leebens-Mack J., Leplé J. C., Locascio P., Lou Y., Lucas S., Martin F., Montanini B., Napoli C., Nelson D. R., Nelson C., Nieminen K., Nilsson O., Pereda V., Peter G., Philippe R., Pilate G., Poliakov A., Razumovskaya J., Richardson P., Rinaldi C., Ritland K., Rouzé P., Ryaboy D., Schmutz J., Schrader J., Segerman B., Shin H., Siddiqui A., Sterky F., Terry A., Tsai C. J., Uberbacher E., Unneberg P., Vahala J., Wall K., Wessler S., Yang G., Yin T., Douglas C., Marra M., Sandberg G., Van de Peer Y., Rokhsar D. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. & Gray) (англ.) // Science : journal. — 2006. — 15 September (vol. 313, no. 5793). — P. 1596—1604. — DOI:10.1126/science.1128691. — Bibcode: 2006Sci…313.1596T. — PMID 16973872.
  47. PELLICER, JAUME; FAY, MICHAEL F.; LEITCH, ILIA J. The largest eukaryotic genome of them all? (англ.) // Botanical Journal of the Linnean Society : journal. — 2010. — 15 September (vol. 164, no. 1). — P. 10—15. — DOI:10.1111/j.1095-8339.2010.01072.x.
  48. Lang D; Zimmer AD; Rensing SA; Reski R. Exploring plant biodiversity: the Physcomitrella genome and beyond (англ.) // Trends Plant Sci (англ.)русск. : journal. — 2008. — October (vol. 13, no. 10). — P. 542—549. — DOI:10.1016/j.tplants.2008.07.002. — PMID 18762443.
  49. ↑ Saccharomyces Genome Database (неопр.). Yeastgenome.org. Дата обращения 27 января 2011.
  50. Galagan J. E., Calvo S. E., Cuomo C., Ma L. J., Wortman J. R., Batzoglou S., Lee S. I., Baştürkmen M., Spevak C. C., Clutterbuck J., Kapitonov V., Jurka J., Scazzocchio C., Farman M., Butler J., Purcell S., Harris S., Braus G. H., Draht O., Busch S., D’Enfert C., Bouchier C., Goldman G. H., Bell-Pedersen D., Griffiths-Jones S., Doonan J. H., Yu J., Vienken K., Pain A., Freitag M., Selker E. U., Archer D. B., Peñalva M. A., Oakley B. R., Momany M., Tanaka T., Kumagai T., Asai K., Machida M., Nierman W. C., Denning D. W., Caddick M., Hynes M., Paoletti M., Fischer R., Miller B., Dyer P., Sachs M. S., Osmani S. A., Birren B. W. Sequencing of Aspergillus nidulans and comparative analysis with A. fumigatus and A. oryzae (англ.) // Nature : journal. — 2005. — Vol. 438, no. 7071. — P. 1105—1115. — DOI:10.1038/nature04341. — Bibcode: 2005Natur.438.1105G. — PMID 16372000.
  51. Leroy, S.; Bouamer, S.; Morand, S.; Fargette, M. Genome size of plant-parasitic nematodes (англ.) // Nematology (англ.)русск.. — Brill Publishers (англ.)русск., 2007. — Vol. 9. — P. 449—450. — DOI:10.1163/156854107781352089.
  52. Gregory TR. Animal Genome Size Database (неопр.). Gregory, T.R. (2016). Animal Genome Size Database. (2005).
  53. The C. elegans Sequencing Consortium. Genome sequence of the nematode C. elegans: a platform for investigating biology (англ.) // Science : journal. — 1998. — Vol. 282, no. 5396. — P. 2012—2018. — DOI:10.1126/science.282.5396.2012. — PMID 9851916.
  54. Ellis LL; Huang W; Quinn A. M. Intrapopulation Genome Size Variation in «Drosophila melanogaster» Reflects Life History Variation and Plasticity (англ.) // PLoS Genetics (англ.)русск. : journal. — 2014. — Vol. 10, no. 7. — P. e1004522. — DOI:10.1371/journal.pgen.1004522. — PMID 25057905.
  55. Honeybee Genome Sequencing Consortium; Weinstock; Robinson; Gibbs; Weinstock; Weinstock; Robinson; Worley; Evans; Maleszka; Robertson; Weaver; Beye; Bork; Elsik; Evans; Hartfelder; Hunt; Robertson; Robinson; Maleszka; Weinstock; Worley; Zdobnov; Hartfelder; Amdam; Bitondi; Collins; Cristino; Evans. Insights into social insects from the genome of the honeybee Apis mellifera (англ.) // Nature : journal. — 2006. — October (vol. 443, no. 7114). — P. 931—949. — DOI:10.1038/nature05260. — Bibcode: 2006Natur.443..931T. — PMID 17073008.
  56. The International Silkworm Genome. The genome of a lepidopteran model insect, the silkworm Bombyx mori (англ.) // Insect Biochemistry and Molecular Biology : journal. — 2008. — Vol. 38, no. 12. — P. 1036—1045. — DOI:10.1016/j.ibmb.2008.11.004. — PMID 19121390.
  57. Wurm Y; Wang, J.; Riba-Grognuz, O.; Corona, M.; Nygaard, S.; Hunt, B. G.; Ingram, K. K.; Falquet, L.; Nipitwattanaphon, M.; Gotzek, D.; Dijkstra, M. B.; Oettler, J.; Comtesse, F.; Shih, C.-J.; Wu, W.-J.; Yang, C.-C.; Thomas, J.; Beaudoing, E.; Pradervand, S.; Flegel, V.; Cook, E. D.; Fabbretti, R.; Stockinger, H.; Long, L.; Farmerie, W. G.; Oakey, J.; Boomsma, J. J.; Pamilo, P.; Yi, S. V.; Heinze, J. The genome of the fire ant Solenopsis invicta (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2011. — Vol. 108, no. 14. — P. 5679—5684. — DOI:10.1073/pnas.1009690108. — Bibcode: 2011PNAS..108.5679W. — PMID 21282665.
  58. Church, DM; Goodstadt, L; Hillier, LW; Zody, MC; Goldstein, S; She, X; Bult, CJ; Agarwala, R; Cherry, JL; DiCuccio, M; Hlavina, W; Kapustin, Y; Meric, P; Maglott, D; Birtle, Z; Marques, AC; Graves, T; Zhou, S; Teague, B; Potamousis, K; Churas, C; Place, M; Herschleb, J; Runnheim, R; Forrest, D; Amos-Landgraf, J; Schwartz, DC; Cheng, Z; Lindblad-Toh, K; Eichler, EE; Ponting, CP; Mouse Genome Sequencing, Consortium. Lineage-specific biology revealed by a finished genome assembly of the mouse (англ.) // PLoS Biology : journal / Roberts, Richard J.. — 2009. — 5 May (vol. 7, no. 5). — P. e1000112. — DOI:10.1371/journal.pbio.1000112. — PMID 19468303.
  59. ↑ Human Genome Project Information Site Has Been Updated (неопр.) (недоступная ссылка). Ornl.gov (23 июля 2013). Дата обращения 6 февраля 2014. Архивировано 20 сентября 2008 года.
  60. Venter, J. C. (англ.)русск.; Adams, M.; Myers, E.; Li, P.; Mural, R.; Sutton, G.; Smith, H.; Yandell, M.; Evans, C.; Holt, R. A.; Gocayne, J. D.; Amanatides, P.; Ballew, R. M.; Huson, D. H.; Wortman, J. R.; Zhang, Q.; Kodira, C. D.; Zheng, X. H.; Chen, L.; Skupski, M.; Subramanian, G.; Thomas, P. D.; Zhang, J.; Gabor Miklos, G. L.; Nelson, C.; Broder, S.; Clark, A. G.; Nadeau, J.; McKusick, V. A.; Zinder, N. The Sequence of the Human Genome (англ.) // Science. — 2001. — Vol. 291, no. 5507. — P. 1304—1351. — DOI:10.1126/science.1058040. — Bibcode: 2001Sci…291.1304V. — PMID 11181995.
  61. ↑ Pan paniscus (pygmy chimpanzee) (неопр.). nih.gov. Дата обращения 30 июня 2016.
  62. Crollius, HR; Jaillon, O; Dasilva, C; Ozouf-Costaz, C; Fizames, C; Fischer, C; Bouneau, L; Billault, A; Quetier, F; Saurin, W; Bernot, A; Weissenbach, J. Characterization and Repeat Analysis of the Compact Genome of the Freshwater Pufferfish Tetraodon nigroviridis (англ.) // Genome Research (англ.)русск. : journal. — 2000. — Vol. 10, no. 7. — P. 939—949. — DOI:10.1101/gr.10.7.939. — PMID 10899143.
  63. Olivier Jaillon et al. Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto-karyotype (англ.) // Nature : journal. — 2004. — 21 October (vol. 431, no. 7011). — P. 946—957. — DOI:10.1038/nature03025. — Bibcode: 2004Natur.431..946J. — PMID 15496914.
  64. ↑ Tetraodon Project Information (неопр.). Дата обращения 17 октября 2012. Архивировано 26 сентября 2012 года.
  • Сингер М., Берг П. Гены и геномы. — Москва, 1998.
  • Молекулярная биология клетки: в 3-х томах / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. — М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — Т. I. — С. 1—68. — 808 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8.
  • Кунин Е. В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции/Пер. с англ = The Logics of Chance. The Nature and Origin of Biological Evolution. — М: ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. — 527 с. — ISBN 978-5-227-04982-7.

Ген — Википедия

В другом языковом разделе есть более полная статья Gene (англ.).

Ген (др.-греч. γένος — род) — в классической генетике — наследственный фактор, который несёт информацию об определённом признаке или функции организма, и который является структурной и функциональной единицей наследственности. В таком качестве термин «ген» был введён в 1909 году датским ботаником, физиологом растений и генетиком Вильгельмом Йоханнсеном[1].

После открытия нуклеиновых кислот в качестве носителя наследственной информации определение гена изменилось, и ген стали определять как участок ДНК (у некоторых вирусов — участок РНК), задающий последовательность полипептида либо функциональной РНК[2].

По мере накопления сведений о строении и работе генов определение понятия «ген» продолжало изменяться, однако в настоящее время не существует универсального определения гена, которое удовлетворило бы всех исследователей[3][4][4][5]. Одно из современных определений гена звучит следующим образом: ген представляет собой последовательность ДНК, составляющие сегменты которой не обязательно должны быть физически смежными. Эта последовательность ДНК содержит информацию об одном или нескольких продуктах в виде белка или РНК. Продукты гена функционируют в составе генетических регуляторных сетей, результат работы которых реализуется на уровне фенотипа[6].

Совокупность генов организма составляют генотип. Генотип наряду с факторами окружающей среды и развитием определяют, каким будет фенотип. Передача генов потомству является основой наследования фенотипических признаков. Большинство биологических признаков являются полигенными, то есть находятся под влиянием многих генов. Гены могут изменяться в результате мутаций, изменяющих последовательность ДНК. Вследствие мутаций в популяции гены существуют в различных вариантах, называемых аллелями. Разные аллели гена могут кодировать различающиеся версии белка, что может проявляться фенотипически. Гены наряду с участками ДНК, не содержащими генов, входят в состав генома, представляющего собой весь наследственный материал организма.

Обнаружение генов как дискретных носителей наследственности[править | править код]

Грегор Мендель

Экспериментальные доказательства наличия дискретных факторов наследственности впервые были представлены в 1865 году Грегором Менделем в докладе на заседании Общества естествоиспытателей в Брно. В 1866 году доклад был опубликован в печатном виде[7]. Грегор Мендель изучал наследование признаков у гороха, количественно отслеживая частоту признаков у родительских растений и у потомства. В скрещиваниях растений с различными признаками он проанализировал более 8000 растений. В этих экспериментах Мендель продемонстрировал независимое наследование признаков, различие между доминантными и рецессивными признаками, различие между гетерозиготами и гомозиготами, а также явление прерывистого наследования. Результаты своих экспериментов он описал математически и интерпретировал их, предположив, что существуют дискретные, несмешиваемые в потомстве, факторы наследственности.

Следует отметить, что до работы Менделя доминирующей концепцией в объяснении закономерностей наследования была концепция, которая предполагала, что признаки родителей у потомков смешиваются аналогично смешиванию жидкостей. Этой концепции следует теория пангенезиса, разработанная Чарльзом Дарвином в 1868 году, два года спустя после публикации результатов Менделя[8]. В этой теории Дарвин предположил существование очень мелких частиц, названных им «геммулами», которые смешиваются во время зачатия.

Статья Менделя осталась практически незамеченной после её публикации в 1866 году, но она получила второе «рождение» в конце 19-го века, благодаря Хуго де Фризу, Карлу Корренсу и Эриху фон Чермаку, которые пришли к аналогичным выводам в своих собственных исследованиях[9]. В частности, в 1889 году Хуго де Фриз опубликовал свою книгу «Intracellular Pangenesis»[10], в которой он постулировал, что разные признаки имеют собственные наследственные носители, и что наследование специфических черт у организмов происходит при помощи частиц. Де Фрис назвал эти единицы «пангенами» (Pangens на немецком языке), использовав часть названия теории пангенеза Дарвина.

В 1909 году Вильгельм Йоханнсен ввел термин «ген»[1], а Уильям Бейтсон — термин «генетика»[11], в то время как Эдуард Страсбургер все ещё использовал термин «панген» для обозначения основной физической и функциональной единицы наследственности[12].

Открытие ДНК в качестве носителя генетической информации[править | править код]

Эксперименты, проведённые в 40-е годы американскими бактериологами из Рокфеллеровского института под руководством О. Эвери, показали, что молекулярным хранилищем генетической информации является ДНК. В работах по генетической трансформации пневмококков было показано, что передача признаков от одних бактерий к другим происходит при помощи только одного вещества — ДНК. Ни белок, ни другие химические компоненты клетки этим свойством не обладали [13][14][15]. В 1953 году при помощи рентгеновской кристаллографии Розалинд Франклин и Морис Уилкинс получили высококачественные снимки структуры ДНК. Эти снимки помогли Джеймсу Д. Уотсону и Фрэнсису Крику создать модель молекулы двуцепочечной спирали ДНК и сформулировать гипотезу механизма генетической репликации[16][17].

В начале 1950-х годов преобладало мнение, что гены в хромосоме действуют как отдельные объекты, неразделимые путем рекомбинации и расположенные как бусы на веревочке. Эксперименты Сеймура Бензера с использованием мутантов, дефектных бактериофагов в области rII T4[en] (1955—1959), показали, что отдельные гены имеют простую линейную структуру и, вероятно, эквивалентны линейному сечению ДНК[18][19].

В совокупности этот объём исследований установил центральную догму молекулярной биологии, которая утверждает, что белки транслируются с РНК, которая транскрибируется с ДНК. Эта догма с тех пор, как было показано, имеет исключения, такие как обратная транскрипция в ретровирусах. Современное исследование генетики на уровне ДНК известно как молекулярная генетика.

В 1972 году Уолтер Файерс и его команда первыми определили последовательность гена: последовательность белка оболочки Bacteriophage MS2 (англ.)русск.[20]. Последующее развитие секвенирования ДНК с Методом Сэнгера в 1977 году Фредериком Сангером улучшило эффективность секвенирования и превратило его в рутинный лабораторный инструмент[21]. Автоматизированная версия метода Сангера использовалась на ранних этапах проекта «Геном человека»[22].

Современный синтез и его преемники[править | править код]

Теории, разработанные в начале 20-го века для интеграции менделевской генетики с дарвиновской эволюцией, называются современным синтезом, термином, введенным Джулианом Хаксли[23].

Эволюционные биологи впоследствии модифицировали эту концепцию, такую как геноцентричный взгляд[en] Джорджа Уильямса на эволюцию. Он предложил эволюционную концепцию гена как единицы естественного отбора с определением: «то, что разделяет и рекомбинирует с заметной частотой»[24]:24. С этой точки зрения, молекулярный ген транскрибируется как единое целое, а эволюционный ген наследуется как единое целое. Связанные идеи, подчеркивающие центральную роль генов в эволюции, были популяризированы Ричардом Докинзом[25][26].

ДНК[править | править код]

Генетическая информация у подавляющего большинства организмов закодирована в длинных молекулах ДНК. ДНК состоит из двух спирально закрученных полимерных цепей, мономерами которых служат четыре нуклеотида: аденозин, цитидин, гуанозин и тимидин. Нуклеотиды в ДНК состоят из пятиуглеродного сахара (2-дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из четырёх азотистых оснований: аденина, цитозина, гуанина и тимина[27]:2.1. Азотистое основание связано гликозидной связью с пятиуглеродным (пентозного) сахаром в 1′-положении. Остовом цепей ДНК служит чередующаяся последовательность пентозных сахаров и фосфатов, фосфатные группы присоединяются к сахару в 5′- и 3′-положениях. Здесь следует отметить, что номера позиций пентозного кольца отмечены штрихом для того, чтобы различать нумерацию колец в сахаре и азотистом основании[28].

Из-за химического состава пентозных остатков цепи ДНК имеют направленность. Один конец полимера ДНК содержит открытую гидроксильную группу на дезоксирибозе в 3′-положении; этот конец называется 3′-конец. Другой конец содержит открытую фосфатную группу, это 5′-конец. Две цепи (нити) двойной спирали ДНК ориентированы в противоположных направлениях. Синтез ДНК, в том числе при репликации ДНК, происходит в направлении 5 ‘→ 3’, потому что новые нуклеотиды добавляются посредством реакции дегидратации, которая использует открытый 3’-гидроксил в качестве нуклеофила[29]:27.2.

Экспрессия генов, закодированных в ДНК, начинается с транскрипции нуклеотидной последовательности ДНК в последовательность нуклеотидов другого типа нуклеиновых кислот — РНК. РНК очень похожа на ДНК, но её мономеры содержат рибозу, а не дезоксирибозу. Кроме того, вместо тимина в РНК используется урацил. Молекулы РНК являются одноцепочечными и менее стабильны, чем ДНК. Гены белков содержат кодирующую последовательность, состоящую из серии тринуклеотидных блоков — триплетов, которые соответствуют аминокислотам. Правило, по которому определяется, какому триплету соответствует какая аминокислота, называется генетическим кодом. Считывание генетического кода происходит в рибосоме во время трансляции РНК в белок. Генетический код почти одинаков для всех известных организмов[27]:4.1.

Хромосома[править | править код]

Изображение нормального женского кариотипа, полученного при помощи флуоресцентной микроскопии и метода FISH. ДНК окрашена в красный цвет, а участки хромосом, обогащённые по числу локализованных в них генов, окрашены в зелёный цвет. Самые большие хромосомы примерно в 10 раз больше самых маленьких[30].

Наследственный материал организма, или геном, хранится в одной или нескольких хромосомах, число которых специфично для вида. Хромосома состоит из одной очень длинной молекулы ДНК, которая может содержать тысячи генов[27]:4.2. Область хромосомы, где находится ген, называется локусом. Каждый локус содержит определённый аллель гена. Представители популяции могут отличаться по аллелям гена, находящимся в одинаковых локусах хромосом.

Большинство эукариотических генов хранятся в нескольких линейных хромосомах. Хромосомы упакованы в ядре в комплексе с белками хроматина. Наиболее многочисленными белками хроматина являются гистоны, которые формируют белковую глобулу, называемую нуклеосомой. ДНК обвивается вокруг нуклеосом, что представляет собой первый уровень упаковки ДНК в хромосоме[27]:4.2. Распределение нуклеосом вдоль ДНК, а также химические модификации самих гистонов регулируют доступность ДНК для регуляторных факторов, участвующих в транскрипции, репликации, репарации. Помимо генов эукариотические хромосомы содержат также служебные последовательности, обеспечивающие стабильность и воспроизведение хромосом, а также их распределение между дочерними клетками в митозе. Это теломеры, сайты инициации репликации и центромера, соответственно[27]:4.2.

Трудно точно определить, в какую часть последовательности ДНК входит ген[5].

В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.

В то же время каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК (англ.)русск., таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

Изначально термин «ген» появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека[31]. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г), пятиатомный сахар (пентозу) — дезоксирибозу, по имени которой и получила название сама ДНК, — а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

Мутация[править | править код]

Репликация ДНК по большей части чрезвычайно точна, однако ошибки (мутации) случаются[27]:7.6. Частота ошибок в эукариотических клетках может составлять всего 10−8 в нуклеотиде на репликацию[32][33], тогда как для некоторых РНК-вирусов она может достигать 10−3[34]. Это означает, что в каждое поколение, каждый человек в геноме накапливает 1-2 новые мутации[34]. Небольшие мутации могут быть вызваны репликацией ДНК и последствиями повреждения ДНК и включают точечные мутации, в которых изменяется одно основание, и мутации со сдвигом рамки, в которых одно основание вставляется или удаляется. Любая из этих мутаций может изменить ген по миссенс (изменить код для кодирования другой аминокислоты) или по нонсенс (преждевременный стоп-кодон)[35]. Большие мутации могут быть вызваны ошибками в рекомбинации, чтобы вызвать хромосомные аномалии, включая дублирование, делецию, перегруппировку или инверсию больших участков хромосомы. Кроме того, механизмы восстановления ДНК могут вносить мутационные ошибки при восстановлении физического повреждения молекулы. Восстановление, даже с мутацией, является более важным для выживания, чем восстановление точной копии, например, при восстановлении двухцепочечных разрывов[27]:5.4.

Когда в популяции вида присутствует несколько различных аллелей гена, это называется полиморфизм. Большинство различных аллелей функционально эквивалентны, однако некоторые аллели могут вызывать различные фенотипические признаки. Самый распространенный аллель гена называется диким типом, а редкие аллели — мутантами. Генетические различия в относительных частотах различных аллелей в популяции обусловлены как естественным отбором, так и генетическим дрейфом[36]. Аллель дикого типа не обязательно является предком менее распространенных аллелей и не обязательно более приспособлена.

Количество генов[править | править код]

Размер генома и количество генов, которые он содержит, значительно варьируют у таксономических групп. Наименьший геном встречаются у вирусов[37], и вироидов (которые действуют как один некодирующий ген РНК)[38]. И наоборот, растения могут иметь очень большие геномы[39], в рисе содержатся более 46 000 генов, кодирующих белок[40]. Общее количество кодирующих белок генов (протеома Земли) оценивается в 5 миллионов последовательностей[41].

Генная инженерия — это методы модификации генетического материала для изменения свойств живого организма. С 1970-х годов было разработано множество методов, специально предназначенных для добавления, удаления и редактирования генов в вирусах, бактериях, растениях, грибах и животных, включая человека[42]. Недавно разработанные методы геномной инженерии используют инженерные нуклеазные ферменты для создания целевой репарации ДНК в хромосоме, чтобы либо разрушить, либо отредактировать ген в процессе репарации искусственно внесённого разрыва ДНК[43][44][45][46]. Связанный термин синтетическая биология иногда используется для обозначения обширной дисциплины генной инженерии организма[47].

Генная инженерия в настоящее время является рутинным инструментом при работе с модельными организмами. Например, гены легко добавляются к бактериям[48], а линии «Knockout mouse (англ.)русск.» мышей с нарушенной функцией определённого гена используются для исследования функции этого гена[49][50]. Многие организмы были генетически модифицированы для применения в сельском хозяйстве, промышленной биотехнологии и медицине.

У многоклеточных организмов обычно модифицируется эмбрион, который вырастает во взрослый генетически модифицированный организм[51]. Однако геномы клеток взрослого организма можно редактировать с использованием методов генной терапии для лечения генетических заболеваний.

  1. дискретность — несмешиваемость генов;
  2. стабильность — способность сохранять структуру;
  3. лабильность — способность многократно мутировать;
  4. множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
  5. аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
  6. специфичность — каждый ген кодирует свой признак;
  7. плейотропия — множественный эффект гена;
  8. экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;
  9. пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;
  10. амплификация — увеличение количества копий гена[источник не указан 1966 дней].
  1. Структурные гены — гены, кодирующие информацию о первичной структуре белка. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном (См. также статью гены домашнего хозяйства).
  2. Функциональные гены — гены, которые контролируют и направляют деятельность структурных генов[52].
  1. 1 2 Johannsen, W. (1905). Arvelighedslærens elementer («The Elements of Heredity». Copenhagen). Rewritten, enlarged and translated into German as Elemente der exakten Erblichkeitslehre (Jena: Gustav Fischer, 1909; Scanned full text. Архивная копия от 30 мая 2009 на Wayback Machine
  2. Тарантул В. З. Толковый словарь по молекулярной и клеточной биотехнологиию Русско-английский. — М: Языки славянской литературы, 2015. — Т. 1. — С. 370—371. — 984 с. — ISBN 978-5-94457-249-3.
  3. Pearson H. Genetics: what is a gene? (англ.) // Nature. — 2006. — May (vol. 441, no. 7092). — P. 398—401. — DOI:10.1038/441398a. — Bibcode: 2006Natur.441..398P. — PMID 16724031.
  4. 1 2 Pennisi E. Genomics. DNA study forces rethink of what it means to be a gene (англ.) // Science : journal. — 2007. — June (vol. 316, no. 5831). — P. 1556—1557. — DOI:10.1126/science.316.5831.1556. — PMID 17569836.
  5. 1 2 Gericke, Niklas Markus; Hagberg, Mariana. Definition of historical models of gene function and their relation to students’ understanding of genetics (англ.) // Science & Education (англ.)русск. : journal. — 2006. — 5 December (vol. 16, no. 7—8). — P. 849—881. — DOI:10.1007/s11191-006-9064-4. — Bibcode: 2007Sc&Ed..16..849G.
  6. Portin P., Wilkins A. The evolving definition of the term “gene” (англ.) // Genetics. — 2017. — Vol. 205, no. 4. — P. 1353—1364.
  7. Noble D. Genes and causation (англ.) // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences (англ.)русск. : journal. — 2008. — September (vol. 366, no. 1878). — P. 3001—3015. — DOI:10.1098/rsta.2008.0086. — Bibcode: 2008RSPTA.366.3001N. — PMID 18559318.
  8. Magner, Lois N. A History of the Life Sciences (неопр.). — Third. — Marcel Dekker, CRC Press, 2002. — С. 371. — ISBN 978-0-203-91100-6.
  9. Henig, Robin Marantz. The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius of Gregor Mendel, the Father of Genetics (англ.). — Boston: Houghton Mifflin (англ.)русск., 2000. — P. 1—9. — ISBN 978-0395-97765-1.
  10. ↑ Де Фриз, Хуго, Intracellulare Pangenese, Verlag von Gustav Fischer, Йена (город), 1889. Translated in 1908 from German to English by C. Stuart Gager as Intracellular Pangenesis, Open Court Publishing Co., Chicago, 1910
  11. Либацкая Т. Е. Уильям Бэтсон: у истоков генетики // Вестник Российской академии наук. — 2003. — Т. 73, № 9. — С. 830—837.
  12. ↑ C. Stuart Gager, Translator’s preface to Intracellular Pangenesis, p. viii.
  13. ↑ Франк-Каменецкий, 2004, с. 18.
  14. Avery, OT; MacLeod, CM; McCarty, M. Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III (англ.) // The Journal of Experimental Medicine (англ.)русск. : journal. — Rockefeller University Press (англ.)русск., 1944. — Vol. 79, no. 2. — P. 137—158. — DOI:10.1084/jem.79.2.137. — PMID 19871359.
  15. Hershey, AD; Chase, M. Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage (англ.) // The Journal of General Physiology (англ.)русск. : journal. — Rockefeller University Press (англ.)русск., 1952. — Vol. 36, no. 1. — P. 39—56. — DOI:10.1085/jgp.36.1.39. — PMID 12981234.
  16. Judson, Horace (англ.)русск.. The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (англ.). — Cold Spring Harbor Laboratory Press (англ.)русск., 1979. — P. 51—169. — ISBN 978-0-87969-477-7.
  17. Watson, J.D.; Crick, F. H. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid (рум.) // Nature. — 1953. — Т. 171, nr. 4356. — P. 737—738. — DOI:10.1038/171737a0. — Bibcode: 1953Natur.171..737W. — PMID 13054692.
  18. Benzer S. Fine Structure of a Genetic Region in Bacteriophage (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1955. — Vol. 41, no. 6. — P. 344—354. — DOI:10.1073/pnas.41.6.344. — Bibcode: 1955PNAS…41..344B. — PMID 16589677.
  19. Benzer S. On the Topology of the Genetic Fine Structure (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1959. — Vol. 45, no. 11. — P. 1607—1620. — DOI:10.1073/pnas.45.11.1607. — Bibcode: 1959PNAS…45.1607B. — PMID 16590553.
  20. Min Jou W., Haegeman G., Ysebaert M., Fiers W. Nucleotide sequence of the gene coding for the bacteriophage MS2 coat protein (англ.) // Nature : journal. — 1972. — May (vol. 237, no. 5350). — P. 82—88. — DOI:10.1038/237082a0. — Bibcode: 1972Natur.237…82J. — PMID 4555447.
  21. Sanger, F; Nicklen, S; Coulson, A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1977. — Vol. 74, no. 12. — P. 5463—5467. — DOI:10.1073/pnas.74.12.5463. — Bibcode: 1977PNAS…74.5463S. — PMID 271968.
  22. Adams, Jill U. DNA Sequencing Technologies (неопр.) // Nature Education Knowledge. — Nature Publishing Group, 2008. — Т. 1, № 1. — С. 193.
  23. Huxley, Julian. Evolution: the Modern Synthesis (неопр.). — Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 1942. — ISBN 978-0262513661.
  24. Williams, George C. Adaptation and Natural Selection a Critique of Some Current Evolutionary Thought (англ.). — Online. — Princeton: Princeton University Press, 2001. — ISBN 9781400820108.
  25. Dawkins, Richard. The selfish gene (англ.). — Repr. (with corr.). — London: Oxford University Press, 1977. — ISBN 978-0-19-857519-1.
  26. Dawkins, Richard. The extended phenotype (англ.). — Paperback. — Oxford: Oxford University Press, 1989. — ISBN 978-0-19-286088-0.
  27. 1 2 3 4 5 6 7 Alberts, Bruce (англ.)русск.; Johnson, Alexander; Lewis, Julian (англ.)русск.; Raff, Martin (англ.)русск.; Roberts, Keith; Walter, Peter (англ.)русск.. Molecular Biology of the Cell (неопр.). — Fourth. — New York: Garland Science (англ.)русск., 2002. — ISBN 978-0-8153-3218-3.
  28. ↑ Кребс, 2017, с. 21.
  29. Stryer L., Berg J. M., Tymoczko J. L. Biochemistry (неопр.). — 5th. — San Francisco: W.H. Freeman (англ.)русск., 2002. — ISBN 978-0-7167-4955-4.
  30. Bolzer, Andreas; Kreth, Gregor; Solovei, Irina; Koehler, Daniela; Saracoglu, Kaan; Fauth, Christine; Müller, Stefan; Eils, Roland; Cremer, Christoph; Speicher, Michael R.; Cremer, Thomas. Three-Dimensional Maps of All Chromosomes in Human Male Fibroblast Nuclei and Prometaphase Rosettes (англ.) // PLoS Biology : journal. — 2005. — Vol. 3, no. 5. — P. e157. — DOI:10.1371/journal.pbio.0030157. — PMID 15839726. публикация в открытом дост

Мусорная ДНК — Википедия

Некодирующая ДНК или Мусорная ДНК (англ. Non-coding DNA англ. junk DNA) — части геномной ДНК организмов, которые не кодируют последовательности белков. Некоторые некодирующие ДНК переводятся в функциональные некодирующие РНК-молекулы. Другие функции некодирующей ДНК включают регуляцию последовательностей кодирующих белки, центромер и теломер. Термин «мусорная ДНК» стал популярным в 1960-х.[1][2] В соответствии с T. Ryan Gregory, геномным биологом, первое явное обсуждение природы «мусорной» ДНК было сделано David Comings в 1972 году и он применил этот термин ко всем некодирующим ДНК.[3] Термин был формализован Сусуму Оно в 1972 году[4], который заметил, что генетический груз нейтральных мутаций находится на верхнем пределе значений для функционирующих локусов, которые могли быть ожидаемыми исходя из типичной частоты мутаций. Сусуму предсказал, что геномы млекопитающих не могут содержать более чем 30 000 локусов из-за давления естественного отбора, так как «стоимость» мутационной нагрузки вызвала бы неизбежное снижение приспособленности, и в конечном счете вымирание. Этот прогноз остается верным, геном человека содержит приблизительно 20 000 генов. Другим подтверждением теории Оно служит наблюдение, что даже близкородственные виды могут иметь очень разные (отличающиеся на порядок) по размеру геномы, которое окрестили C-парадокс (избыточность генома) в 1971 году.[5]

Хотя плодотворность термина «мусорная ДНК» была поставлена под сомнение на том основании, что он вызывает, априори, предположение о полном отсутствии функций, и хотя рекомендовано использовать более нейтральный термин, такой как «некодирующая ДНК»;[3] термин «мусорная ДНК» остается наименованием для той части геномной последовательности, для которой не обнаружено значимой биологической функции и в которой при сравнительном анализе последовательности не выявляются консервативные элементы служащие признаком того, что она может обеспечивать адаптивное преимущество. В конце 70-х стало очевидным, что большая часть некодирующей ДНК в больших геномах берут свое начало от размножающихся эгоистичных подвижных элементов, которые W. Ford Doolittle и Carmen Sapienza в 1980 описали в журнале Nature: «Показано, что если данная ДНК или класс ДНК, с недоказанным фенотипическим проявлением выработала стратегию (такую как транспозиция), которая обеспечивает её выживание в геноме, то никакое другое объяснение её существования не требуется.»[6] Можно ожидать, что количество мусорной ДНК будет зависеть от скорости амплификации этих элементов и скорости потери нефункциональной ДНК.[7] В том же номере Nature, Орджел, Лесли Илизер и Крик, Фрэнсис написали, что мусорная ДНК имеет «небольшую специфичность и мало или вовсе не обладает селективным преимуществом для организма».[8] Этот термин встречается, в основном, в научно-популярной литературе и в разговорном стиле в научных публикациях, и было высказано предположение Шаблон:Quantify, что его коннотации могут сдерживать интерес к установлению биологических функций некодирующей ДНК.[9]

Несколько линий доказательств показывают, что некоторые последовательности «мусорной ДНК», скорее всего, должны иметь неизвестную нам функциональную активность и что процесс экзаптации фрагментов первоначально эгоистичной или нефункциональной ДНК было обычным явлением на протяжении всей эволюции.[10] В 2012, проект ENCODE, являющийся исследовательской программой, поддерживаемой National Human Genome Research Institute, сообщил, что 76 % некодирующей ДНК генома человека подвержено транскрипции и что около половины генома каким-то образом связывает регуляторные белки, такие как факторы транскрипции.[11]

Ранее считалось, что около 95 % последовательностей ДНК генома человека можно отнести к мусорной ДНК. Такие последовательности включают в себя последовательности интронов и участки ДНК между генами, а также повторенные участки. Однако в 2012 году в публикациях проекта «Энциклопедия элементов ДНК» (ENCODE) было показано, что доля мусорной ДНК сильно завышена, и до 80 % генома имеет биохимические функции[12][13].

Хотя, сообщение ENCODE о том, что свыше 80 % генома человека биохимически функционально, подвергнуто критике другими учеными,[14] которые утверждают, что ни доступность последовательностей генома для факторов транскрипции, ни их транскрипция не гарантирует, что эти последовательности имеют биохимическую функцию и что их транскрипция дает селективное преимущество. Более того, значительно более низкие оценки функциональности до ENCODE были основаны на оценках консервативности генома млекопитающих.[5][15][16][17]

В ответ на такую точку зрения, другие исследователи утверждают, что широко распространённые транскрипция и сплайсинг, которые наблюдаются в геноме человека непосредственно при биохимических анализах, являются более точными показателями генетической функции, чем консервативность генома, потому что оценка консервативности относительна из-за невероятных различий в размерах генома даже среди близкородственных видов.[18][19] Оценка консервативности может быть использована для облегчения поиска функциональных элементов генома, но не для отсева или сохранения при оценке общего количества функциональных элементов которые могли бы находится в геноме, поскольку элементы которые что-то делают на молекулярном уровне могут быть пропущены методами сравнительной геномики.[18] Более того, большая часть известной мусорной ДНК участвует в эпигенетической регуляции, по-видимому, необходима для развития сложных организмов.[20][19][21]

В статье 2014 года, ENCODE исследователи попытались ответить на «вопрос о том, действительно ли неконсервативные, но биохимически активные области действительно функциональны». Они заметили, что в литературе, функциональные части генома были определены по-разному в предыдущих исследованиях в зависимости от используемых подходов. Существует три общих подхода, используемых для идентификации функциональных частей генома человека: генетические методы (основанные на изменении фенотипа), эволюционные подходы (основанные на консервативности) и биохимические методы (основанные на биохимических исследованиях и использующиеся ENCODE). Все три метода имеют свои ограничения: генетические методы могут терять функциональные элементы которые физически не проявляются в организме, эволюционные подходы испытывают трудности с использованием точных множественных выравниваний последовательностей, поскольку геномы, даже близко родственных видов значительно отличаются, а биохимические исследования, хотя и обладают высокой воспроизводимостью, но биохимический сигнал не всегда автоматически означает функциональность.[18]

Они заметили, что 70 % транскрибирующихся последовательностей имело менее 1 транскрипта на клетку. Они отметили что это «является сложной задачей выбора между тем, чем является воспроизводимый, но низкий уровень биохимического сигнала, присущей большей доли генома с малой эволюционной консервативностью, специфической функцией или биологическим шумом». Кроме того, разрешающая способность анализа часто намного больше, чем лежащие в его основе функциональные составляющие поэтому некоторые из воспроизводимых «биохимически активных но селективно нейтральных» последовательностей вряд ли выполняют значимые функции, особенно те, у которых низкий уровень биохимического сигнала. К этому они добавили, «Однако мы также признаем существенные ограничения в нашем текущем определении границ, учитывая, что некоторые специфические для человека функции являются важными, но не консервативными и что регионы, имеющие отношение к заболеваниям не обязательно должны быть выборочно отсеяны, чтобы быть функциональными.» С другой стороны, они утверждали что 12-15 % чаcть функционально ограниченной ДНК человека, по оценке различных экстраполяционных эволюционных методов, все ещё может быть недооцененной. Они пришли к выводу, что в отличие от эволюционных и генетических данных биохимические данные дают представление как о молекулярной функции, которую обслуживают лежащие в основе элементы ДНК, так как и типы клеток, в которых они действуют. В конечном счете генетические, эволюционные и биохимические подходы могут быть использованы как дополняющие друг друга для выявления областей, которые могут функционировать в биологии и болезнях человека.[18]

Некоторые критики утверждают, что функциональность может быть оценена только в отношении соответствующей нулевой гипотезы. В этом случае, нулевая гипотеза будет заключаться в том, что эти части генома нефункциональны и обладают свойствам, будь то на основе их консервативности или биохимической активности, которые ожидались бы от них на основе нашего общего понимания молекулярной эволюции и биохимии. Согласно этим критикам, до тех пор, пока не будет показано, что область, о которой идет речь, имеет дополнительные функции, помимо ожидаемой при нулевой гипотезе, её условно следует обозначать как нефункциональную.[22]

Единой концепции эволюционной роли и возникновения «мусорной» ДНК пока нет, однако существует мнение о том, что некодирующая ДНК эукариот представляет собой остатки некодирующих последовательностей ДНК, возникших при становлении жизни. Прокариоты были вынуждены сократить размер своих геномов для того, чтобы уменьшить количество ДНК, в которой могут происходить мутации, в то время как эукариоты «пошли по пути» диплоидности и регулярного полового процесса.

Существует также альтернативное название «мусорная» ДНК. Однако оно не совсем верно, так как в «некодирующей» ДНК присутствуют транспозоны, кодирующие белки, функция которых пока не установлена, а также некоторые регуляторные элементы.

По одной из версий, некодирующая белок ДНК, по крайней мере частично, используется при производстве различных видов РНК, а именно тРНК, рРНК, микроРНК, малые ядерные РНК, малые ядрышковые РНК. Все эти РНК участвуют в критически важных процессах жизнедеятельности клеток и даже многоклеточных организмов (см. РНК-интерференция).[источник не указан 3559 дней]

В геномике и родственных дисциплинах, последовательности некодирующей ДНК — это часть ДНК организмов, которая не кодирует последовательности белков. Некоторые последовательности некодирующей ДНК транскрибируются в фунциональные молекулы некодирующей РНК (например, тРНК, рРНК, и регуляторные РНК). Другие функции некодирующей ДНК включают транскрипционную и трансляционную регуляцию белок-кодирующих последовательностей, SAR-последовательности, точки начала репликации, центромеры и теломеры.

Количество некодирующей ДНК значительно меняется от вида к виду. Там где только маленький процент генома отвечает за кодирование белков, процент геномной ДНК, выполняющей регуляторные функции растет. Если в геноме много некодирующей ДНК, бóльшая часть судя по всему не несет никакой биологической функции для организма, как теоретически предсказано в 1960-х. С того времени, это нефункционирующая часть часто упоминается как «мусорная ДНК», термин, который вызывал бурную реакцию в течение многих лет.[11]

В ходе международного проекта (ENCODE) обнаружено, путем прямых биохимических исследований, что по крайней мере 80 % геномной ДНК человека имеет биохимическую активность.[23] Хотя это не является полной неожиданностью, так как в течение предыдущих десятилетий исследований было открыто много функциональных некодирующих регионов,[24][20] некоторые исследователи подвергают критике вывод о связи биохимической активности с биологической функцией.[14][5][15][16][17] По оценке основанной на методах сравнительной геномики доля биологически значимой части нашего генома находится в диапазоне между 8 и 15 %.[25][18][26] Однако, другие имеют аргументы против того, чтобы полагаться исключительно на оценки сравнительной геномики в связи с её ограниченными возможностями, так как было показано, что некодирующая ДНК участвует в эпигенетических процессах и в комплексе сложных взаимосвязанных генетических взаимодействий.[20][18][19][21]

Количество общей геномной ДНК широко меняется от организма к организму, и доля кодирующей и некодирующей ДНК внутри этих геномов также изменчива в широких пределах. Например, первоначально предполагалось, что свыше 98 % человеческого генома не кодирует последовательностей белков, включая большинство последовательностей внутри интронов и межгенных последовательностей,[27] в то время как, для геномов прокариот типично, что некодирующим является только 20 % генома.[24]

В то время как размер генома, и увеличение количества некодирующей ДНК, коррелирует со сложностью организма, существует множество исключений. Например, геном одноклеточного Polychaos dubium (также известная как Amoeba dubia) содержит более чем в 200 раз больше ДНК, чем у человека.[28] Геном Иглобрюхой рыбы фугу Takifugu rubripes составляет лишь около одной восьмой от размера генома человека, при этом, кажется, с таким же числом генов; приблизительно 90 % генома Takifugu rubripes является некодирующей ДНК.[27] Широкая изменчивость размера ядерного генома среди эукариотических видов известна как C-парадокс (избыточность генома).[29] Большинство различий в размере геномов по-видимому обусловлены некодирующей ДНК.

Исследования растений показали ключевую функцию части некодирующей ДНК, которая ранее считалась незначительной и добавили новый пласт знаний для понимания регуляции генов.[30]

Виды последовательностей некодирующей ДНК[править | править код]

Некодирующая функциональная РНК[править | править код]

Некодирующие РНК — это функциональные молекулы РНК которые не транслируются в белки. Примеры некодирующих РНК включают рРНК, тРНК, piРНК и микроРНК.

МикроРНК, предположительно, контролируют трансляционную активность приблизительно 30 % всех белок-кодирующих генов в млекопитающих и могут быть жизненно важными составляющими при развитии или лечении различных заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания, и иммунного ответа на инфекцию.[31]

Цис— и Транс-регуляторные элементы[править | править код]

Цис-регуляторные элементы — это последовательности контролирующие транскрипцию близлежащего гена. Цис-элементы могут быть расположены в 5′ или 3′ нетранслируемой области или внутри интронов. Транс-регуляторные элементы контролируют транскрипцию генов на дальних расстояниях.

Промоторы способствуют транскрипции конкретного гена и обычно располагаются вверху по направлению кодирующего региона. Последовательности энхансеров могут также влиять на уровень транскрипции гена на очень больших расстояниях.[32]

Интроны[править | править код]

Интроны — это некодирующие участки гена, транскрибируемые в последовательности предшественников мРНК (пре-мРНК), но полностью удаляемые при сплайсинге в течение процесса созревания матричной РНК. Много интронов представляют собой мобильные генетические элементы.[33]

Исследования интронов I типа из простейшего Tetrahymena показывают что некоторые интроны являются эгоистичными мобильными элементами, нейтральными по отношению к хозяину, потому что они могут вырезать сами себя из окружающих их экзонов в течение посттранскрипционной модификации РНК и не влияют на соотношение уровня экспрессии между аллелей с интронами или без них.[33] Некоторые интроны, как представляется, выполняют сходные биологические функции, возможно, через функционирование их как рибозимов, которые могут регулировать активность тРНК и рРНК, а также экспрессию белок-кодирующих генов, очевидно в тех организмах, которые стали зависимыми от таких интронов после долгого периода времени; например, trnL-интрон, найденный во всех растениях, по-видимому, был вертикально наследуемым несколько миллиардов лет, включая более чем миллиард лет внутри хлоропластов и дополнительно 2-3 миллиарда лет, перед этим, в предках хлоропластов в цианобактериях.[33]

Псевдогены[править | править код]

Псевдогены — это последовательности ДНК, сходные с обычными генами, которые утратили их способность кодировать белок или больше не экспрессирующиеся в клетке. Псевдогены возникают при ретротранспозиции или дупликации функциональных генов, и становятся неработающими «ископаемыми генами» вследствие мутаций препятствующих транскрипции гена, а также мутаций внутри региона промотора, или полностью меняющих трансляцию гена, такие как возникновение стоп-кодона или сдвиг рамки считывания.[34] Псевдогены получившиеся в результате ретротранспозиции промежуточных РНК известны как процессированные псевдогены; псевдогены получающиеся из остатков дуплицированных генов или инактивированных генов называются непроцессированые псевдогены.[34]

В то время как закон необратимости эволюции говорит о том, что потеря функции псевдогенами должна быть постоянна, молчащие гены могут на самом деле сохранять функцию на протяжении нескольких миллионов лет и могут «реактивироваться» восстановив белок-кодирующую последовательность[35] и значительное число бывших псевдогенов активно транскрибируется.[34][36] Так как псевдогены могут меняться, как предполагается, без эволюционных ограничений, они могут служить рабочей моделью типичных и частых различных спонтанных генетических мутаций.[37]

Повторы, транспозоны и вирусные элементы[править | править код]

Транспозоны и ретротранпозоны — мобильные генетические элементы. Ретротранспозонные повторяющиеся последовательности, включают длинные диспергированные повторы (LINEs) и короткие диспергированные повторы (SINEs), составляют большую часть геномной последовательности во многих видах. Alu-повторы, классифицируемые как короткие диспергированные повторы, наиболее распространенные подвижный элемент в геноме человека. Найдены некоторые примеры того, что SINEs оказывают влияние на транскрипционный контроль некоторых белок-кодирующих генов.[38][39][40]

Последовательности эндогенных ретровирусов являются продуктами обратной транскрипции геномов ретровирусов и их встройке в геном клеток зародышевой линии. Мутации внутри этих обратно-транскрибируемых последовательностей могут инактивировать геном вируса.[41]

Более 8 % человеческого генома ведет свое начало от (в основном уже распавшихся) последовательностей эндогенных ретровирусов, из них свыше 42 % узнаваемо произошли от ретротранспозонов, в то время как другие 3 % могут быть идентифицированы как остатки ДНК транспозоны. Большую часть из оставшейся половины генома которая не имеет на данный момент ясного происхождения, как предполагается, ведет свое происхождение от подвижных элементов, бывших активными очень много лет назад (> 200 миллионов лет) но случайные мутации сделали их неузнаваемыми.[42] Различия в размере генома по крайней мере двух видах растений в основном результат различия в содержании в них последовательностей ретротранспозонов.[43][44]

Теломеры[править | править код]

Теломеры — это области повторяющейся ДНК на концах хромосом, которые обеспечивают их защиту от укорачивания в течение репликации ДНК.

Существует мнение, что наличие большого количества некодирующей ДНК стабилизировало геном в плане мутаций (снизилась частота «попадания» мутации на действующий ген). Это явилось условием для возникновения многоклеточных организмов[45].

Многие некодирующие последовательности ДНК имеют важные биологические функции, о чём свидетельствуют ислледования сравнительной геномики (англ. comparative genomics) в которых сообщается о некоторых регионах некодирующей ДНК, которые высококонсервативны (англ. Conserved non-coding sequence), иногда в масштабе времени, составляющем сотни миллионов лет, что подразумевает, что эти некодирующие области находятся под сильным эволюционным давлением и позитивным отбором.[46] Например, в геномах человека и мыши, которые разошлись от общего предка 65-75 миллионов лет назад, белок-кодирующие последовательности ДНК составляют лишь около 20 % консервативной ДНК, а оставшиеся 80 % консервативной ДНК представлены в некодирующих областях.[47]Сцепленное наследование часто выявляет области хромосом, связанные с заболеванием, не имеющих признаков функциональных вариантов кодирующих генов внутри региона, что указывает на то, что варианты последовательностей, вызывающие заболевание, лежат в некодирующей ДНК.[47] Значимость мутаций в некодирующей ДНК изучалось в апреле 2013 года.[48]

Также показано, что генетический полиморфизм некодирующих последовательностей играет роль в восприимчивости к инфекционным болезням, таких как гепатит С.[49] Кроме того, показано, что генетический полиморфизм некодирующих последовательностей способствует восприимчивости к саркоме Юинга — высокоагрессивному детскому костному раку.[50]

Некоторые специфические последовательности некодирующей ДНК могут быть особенно важными для поддержания структуры хромосом, функционирования центромеры и узнавания гомологичных хромосом в мейозе.[51]

Согласно сравнительному исследованию более 300 геномов прокариот и свыше 30 эукариот,[52] эукариоты, по-видимому нуждаются хотя бы в минимальном количестве некодирующей ДНК. Этот минимум может быть предсказан при использовании модели роста для регуляторных генетических сетей, подразумевая, что она необходима для целей регуляции. У людей предсказанный минимум составляет около 5 % от общего генома.

Имеются данные о том, что значительная доля (более 10 %) из 32 геномов млекопитающих может функционировать при помощи образования специфических вторичных структур РНК.[53] В исследовании использовались методы сравнительной геномики для идентификации компенсаторных мутаций ДНК, которые сохраняют образование двойных участков РНК, отличительную черту молекул РНК. Свыше 80 % областей генома представляющих эволюционные свидетельства сохранения структуры РНК не обеспечивают надежную сохранность структуры ДНК.

Защита генома[править | править код]

Некодирующая ДНК отделяет длинными промежутками гены друг от друга, так что мутация в одном гене или в участке хромосомы, например, делеция или вставка, не приводит «мутации сдвига рамки считывания» на всём протяжении хромосомы. Когда сложность генома является относительно высокой, подобно геному человека, не только отдельные гены, но также и отдельные части гена разделены некодирующими участками — интронами, защищающими всю кодирующую последовательность гена, минимизируя изменения, вызванные мутацией.

Было высказано предположение, что некодирующая ДНК может снижать вероятность повреждения гена в течение кроссинговера хромосом.[54]

Генетические переключатели[править | править код]

Некоторые последовательности некодирующей ДНК выступают в качестве генетических «переключателей» которые определяют где и когда будут экспрессироваться гены .[55] Например, молекула длинной некодирующей РНК (lncRNA), как было показано, помогает в предотвращении развития рака груди, предотвращая «залипание» генетического переключателя.[56]

Регуляция экспрессии генов[править | править код]

Некоторые некодирующие ДНК последовательности определяют уровень экспрессии различных генов.[57]

Сайты связывания транскрипционных факторов[править | править код]

Некоторые некодирующие последовательности ДНК определяющие место связывания факторов транскрипции.[57] Факторы транскрипции — это белки, которые связываются со специфическими некодирующими последовательностями ДНК, тем самым управляя переносом (или транскрипцией) генетической информации от ДНК к мРНК. Факторы транскрипции действуют в совершенно разных местах генома у разных людей.

Операторы[править | править код]

Оператор — это участок ДНК с которым связываются Репрессоры. Репрессоры — это ДНК-связывающие белки, которые регулируют экспрессию одного или более генов путём связывания с оператором и блокированием прикрепления РНК-полимеразы к промотору, таким образом препятствуя транскрипции генов. Такое блокирование экспрессии гена называется репрессией.

Энхансеры[править | править код]

Энхансер — это участок ДНК, который может связываться с белками (транс-действующими факторами), обычно с набором транскрипционных факторов, увеличивая уровень транскрипции генов в генном кластере.

Сайленсеры[править | править код]

Сайленсер — это участок ДНК, который инактивирует экспрессию гена, когда с ним связываются регуляторные белки. Его функция очень схожа с функцией энхансера, но с тем отличием, что он инактивирует ген.

Промоторы[править | править код]

Промотор — это участок ДНК, который обеспечивает транскрипцию конкретного гена. Промотор обычно располагается около гена, транскрипцию которого регулирует.

Инсуляторы[править | править код]

Генетический инсулятор — это разграничивающий элемент, который играет две отдельные роли в экспрессии гена, первая это блокирование влияния энхансера, но чаще всего это барьер в распространении процесса конденсации хроматина на соседние области. Инсулятор в последовательности ДНК сравним со знаком словоразделителя в лингвистике, таким как знак запятой (,) в предложении, потому что инсулятор показывает где границы последовательностей с активированным или репрессированным уровнем экспрессии.

Некодирующая ДНК и эволюция[править | править код]

Общие последовательности явно некодирующей ДНК являются главным свидетельством происхождения от общего предка.[58]

Последовательности псевдогенов, по всей видимости, накапливают мутации с большей скоростью, чем кодирующие последовательности, в связи с потерей селективного давления естественного отбора.[37] Это позволяет создавать мутантные аллели, которые обладают новыми функциями и которые могут быть подхвачены естественным отбором; таким образом, псевдогены могут служить в качестве материала для эволюции и могут рассматриваться как «протогены».[59]

Дальная (длинномасштабная) корреляция[править | править код]

Показано статистически значимое отличие между последовательностями кодирующей и некодирующей ДНК. Замечено, что нуклеотиды в некодирующей ДНК последовательности ДНК показывают длинномасштабную степенную корреляцию в то время как кодирующие последовательности нет.[60][61][62]

Судебная медицина[править | править код]

Полиция иногда берут образцы ДНК в качестве вещественного доказательства для целей идентификации личности. Как описано в Maryland v. King, решении Верховного суда США 2013 г:[63]

В настоящее время стандарт, для судебно-медицинской экспертизы при идентификации личности на основе ДНК, основан на анализе хромосом, расположенном в ядрах всех клеток человека. «Материал ДНК хромосом состоит из ‘кодирующих’ и ‘некодирующих’ участков. Кодирующие участки известны как гены и содержат информацию, необходимую клетке для производства белков. . . . Области не кодирующие белков . . . не связаны непосредственно с производством белков, [и] были отнесены к ‘мусорной’ ДНК.» Прилагательное «мусорная» может ввести в заблуждение обывателя, ибо на самом деле эта часть ДНК используется для практически абсолютно точной идентификации человека.

  1. Ehret C. F., De Haller G; De Haller. Origin, development, and maturation of organelles and organelle systems of the cell surface in Paramecium (англ.) // Journal of Ultrastructure Research (англ.)русск. : journal. — 1963. — Vol. 9 Supplement 1. — P. 1, 3—42. — DOI:10.1016/S0022-5320(63)80088-X. — PMID 14073743.
  2. ↑ Dan Graur, The Origin of Junk DNA: A Historical Whodunnit
  3. 1 2 The Evolution of the Genome. — Elsevier, 2005. — P. 29–31. — «Comings (1972), on the other hand, gave what must be considered the first explicit discussion of the nature of «junk DNA,» and was the first to apply the term to all noncoding DNA.»; «For this reason, it is unlikely that any one function for noncoding DNA can account for either its sheer mass or its unequal distribution among taxa. However, dismissing it as no more than «junk» in the pejorative sense of «useless» or «wasteful» does little to advance the understanding of genome evolution. For this reason, the far less loaded term «noncoding DNA» is used throughout this chapter and is recommended in preference to «junk DNA» for future treatments of the subject.»». — ISBN 0123014638.
  4. So much «junk» DNA in our genome, In Evolution of Genetic Systems; S. Ohno.  (неопр.) / H. H. Smith. — Gordon and Breach, New York, 1972. — С. 366—370.
  5. 1 2 3 Sean Eddy (2012) The C-value paradox, junk DNA, and ENCODE Архивировано 23 октября 2013 года., Curr Biol 22(21):R898-R899.
  6. Doolittle W. F., Sapienza C; Sapienza. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution (англ.) // Nature : journal. — 1980. — Vol. 284, no. 5757. — P. 601—603. — DOI:10.1038/284601a0. — Bibcode: 1980Natur.284..601D. — PMID 6245369.
  7. ↑ Another source is genome duplication followed by a loss of function due to redundancy.
  8. Orgel L. E., Crick FH; Crick. Selfish DNA: the ultimate parasite (англ.) // Nature. — 1980. — April (vol. 284, no. 5757). — P. 604—607. — DOI:10.1038/284604a0. — Bibcode: 1980Natur.284..604O. — PMID 7366731.
  9. Khajavinia A., Makalowski W; Makalowski. What is «junk» DNA, and what is it worth? (англ.) // Scientific American. — Springer Nature, 2007. — May (vol. 296, no. 5). — P. 104. — DOI:10.1038/scientificamerican0307-104. — PMID 17503549.
  10. Biémont, Christian; Vieira, C. Genetics: Junk DNA as an evolutionary force (англ.) // Nature. — 2006. — Vol. 443, no. 7111. — P. 521—524. — DOI:10.1038/443521a. — Bibcode: 2006Natur.443..521B. — PMID 17024082.
  11. 1 2 Pennisi, E. ENCODE Project Writes Eulogy for Junk DNA (англ.) // Science. — 2012. — 6 September (vol. 337, no. 6099). — P. 1159—1161. — DOI:10.1126/science.337.6099.1159. — PMID 22955811.
  12. ↑ J. R. Ecker et al., Genomics: ENCODE explained, Nature 489, pp. 52-55, 06 September 2012
  13. ↑ E. Pennisi, ENCODE Project Writes Eulogy for Junk DNA, Science 337(6099) pp. 1159—1161, 7 September 2012
  14. 1 2 Robin McKie. Scientists attacked over claim that ‘junk DNA’ is vital to life, The Observer (24 февраля 2013).
  15. 1 2 Doolittle, W. Ford. Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE (неопр.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2013. — Т. 110, № 14. — С. 5294—5300. — DOI:10.1073/pnas.1221376110. — Bibcode: 2013PNAS..110.5294D. — PMID 23479647.
  16. 1 2 Palazzo, Alexander F.; Gregory, T. Ryan. The Case for Junk DNA (неопр.) // PLoS Genetics (англ.)русск.. — 2014. — Т. 10, № 5. — С. e1004351. — ISSN 1553-7404. — DOI:10.1371/journal.pgen.1004351.
  17. 1 2 Dan Graur, Yichen Zheng, Nicholas Price, Ricardo B. R. Azevedo1, Rebecca A. Zufall and Eran Elhaik. On the immortality of television sets: «function» in the human genome according to the evolution-free gospel of ENCODE (англ.) // Genome Biology and Evolution (англ.)русск. : journal. — 2013. — Vol. 5, no. 3. — P. 578—590. — DOI:10.1093/gbe/evt028. — PMID 23431001.
  18. 1 2 3 4 5 6 Kellis, M. et al. Defining functional DNA elements in the human genome (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences : journal. — 2014. — Vol. 111, no. 17. — P. 6131—6138. — DOI:10.1073/pnas.1318948111. — Bibcode: 2014PNAS..111.6131K. — PMID 24753594.
  19. 1 2 3 Mattick J. S., Dinger M. E. The extent of functionality in the human genome (неопр.) // The HUGO Journal. — 2013. — Т. 7, № 1. — С. 2. — DOI:10.1186/1877-6566-7-2.
  20. 1 2 3 Carey, Nessa. Junk DNA: A Journey Through the Dark Matter of the Genome (англ.). — Columbia University Press, 2015. — ISBN 9780231170840.
  21. 1 2 Non-Coding RNAs and Epigenetic Regulation of Gene Expression: Drivers of Natural Selection (англ.) / Morris, Kevin. — Norfolk, UK: Caister Academic Press (англ.)русск., 2012. — ISBN 1904455948.
  22. Palazzo, Alexander F.; Lee, Eliza S. Non-coding RNA: what is functional and what is junk? (англ.) // Frontiers in Genetics : journal. — 2015. — Vol. 6. — P. 2. — ISSN 1664-8021. — DOI:10.3389/fgene.2015.00002. — PMID 25674102.
  23. The ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome (англ.) // Nature : journal.&

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о