Кіріспе

Организмнің барлық генетикалық материалы. Молекулалық биология және генетика салаларында геном – организмнің барлық генетикалық ақпараты. Ол ДНК-ның (РНК вирустарында РНК-ның) нуклеотидтік тізбектерінен тұрады. Ядролық геномға ақуызды кодтайтын гендер және кодтамайтын гендер, геномның басқа да функционалдық аймақтары, мысалы, реттеуші тізбектер (кодтамайтын ДНК-ны қараңыз) және көбінесе анық функциясы жоқ «қоқыс ДНК»-ның айтарлық бөлігі кіреді. Көптеген эукариоттардың митохондриясы және кішкентай митохондриялық геномдары бар. Дегенмен, бастапқы «толық» тізбекте геномның 8%-ы, негізінен қайталама тізбектерден тұратын, жоғалған болатын. Адам ДНК-сында кездесетін көптеген қайталама тізбектерді анықтауға мүмкіндік берген технологияның жетістіктерінің арқасында, алғашқы Адам геномдық жобасының зерттеуінде толыққанды ашылмаған, ғалымдар 2022 жылдың наурыз айында адам геномның толық тізбегін анықтағанды жариялады.

Терминнің шығу тегі

Геном терминін 1920 жылы Гамбург университетінің ботаника профессоры Ханс Винклер жасаған. Oxford Dictionaries және Online Etymology Dictionary веб-сайттары бұл атаудың «ген» және «хромосома» сөздерінің бірігісінен пайда болғанын көрсетеді. Дегенмен, толыққанды талқылау үшін «омика» бөлімін қараңыз. «Геномға» ұқсас «биома» және «ризома» сияқты бірнеше сөздер бұрыннан бар еді, олар сөздік қорын құрады, және геном оған жүйелі түрде енді.

Анықтама

"Геном" деген сөздің нақты анықтамасын табу өте қиын. Ол әдетте организмдегі генетикалық ақпаратты тасымалдайтын ДНК (немесе кейде РНК) молекулаларын білдіреді, бірақ қандай молекулаларды анықтамаға қосу керектігін шешу кейде қиынға соғады. Мысалы, бактерияларда барлық қажетті генетикалық материалды қамтитын бір немесе екі ірі ДНК молекуласы (хромосомалары) болады, сонымен қатар маңызды генетикалық ақпаратты тасымалдайтын кішкентай хромосомадан тыс плазмид молекулалары да кездеседі. Ғылыми әдебиетте қолданылатын "геном" анықтамасы көбінесе бактериялардағы ірі хромосомалық ДНК молекулаларымен ғана шектеледі.

Ядролық геном

Эукариоттық геномдарды анықтау одан да қиын, себебі эукариоттық дерлік барлық түрлерде ядролық хромосомалармен қатар митохондрияларда қосымша ДНҚ молекулалары болады. Соған қоса, балдырлар мен өсімдіктерде хлоропласт ДНҚ да кездеседі. Көптеген оқулықтар ядролық геномды және органелла (митохондрия және хлоропласт) геномдарын ажыратады, сондықтан олар, мысалы, адам геномдары туралы айтқанда, тек ядродағы генетикалық материалды ғана меңзейді. "Геном" термині ғылыми әдебиетте осылай қолданылады.

Плоидты

Көптеген эукариоттар диплоидты, яғни ядрода әр хромосомадан екеу бар, бірақ "геном" термині әр хромосоманың тек бір данасын білдіреді. Кейбір эукариоттарда ерекше жыныс хромосомалары болады, мысалы, сүтқоректілердегі X және Y хромосомалары. Сондықтан геномның техникалық анықтамасы жыныс хромосомаларының екі данасын да қамтуы тиіс. Мысалы, адамның стандартты анықтамалық геномы 22 аутосоманың әрқайсысының бір данасынан, сондай-ақ бір X және бір Y хромосомасынан тұрады.

Тізбектеу және карталау

Геномдық тізбек – жеке адамның немесе түрдің барлық хромосомаларын құрайтын нуклеотидтердің (ДНҚ геномдары үшін А, С, Г және Т) толық тізімі. Бір түр ішінде нуклеотидтердің басым көпшілігі жеке адамдар арасында бірдей болады, бірақ генетикалық әртүрлілікті түсіну үшін бірнеше жеке адамның тізбегін анықтау қажет. 1976 жылы Гент университетіндегі (Бельгия) Уолтер Фиерс вирустық РНК геномның (Бактериофаг MS2) толық нуклеотидтік тізбегін алғаш рет анықтады. Келесі жылы Фред Сангер 5386 негіз жұптан тұратын алғашқы ДНК геномдық тізбекті – Фаг Φ X174-ті аяқтады. Бірінші рет тізбектелген бактериялық геном 1995 жылы Геномдық зерттеулер институтының тобымен аяқталған Haemophilus influenzae геномы болды. Бірнеше айдан кейін алғашқы эукариоттық геном аяқталды, Saccharomyces cerevisiae ашытқысының 16 хромосомасының тізбектері 1980 жылдардың ортасында басталған еуропалық бастамалардың нәтижесінде жарияланды. Археонның бірінші геномдық тізбегі, Methanococcus jannaschii, 1996 жылы тағы да Геномдық зерттеулер институтымен аяқталды. Жаңа технологиялардың дамуы геном тізбектеуді едәуір арзан және оңай етті, ал толық геномдық тізбектердің саны жылдам өсуде. АҚШ Ұлттық денсаулық сақтау институты геномдық ақпараттың бірнеше толық деректер қорының бірін ұстап тұрады. Геном тізбектеудің мыңдаған жобаларының ішінде күріш, тышқан, Arabidopsis thaliana өсімдігі, пуфер балығы және E. coli бактериясы бар. 2013 жылдың желтоқсан айында ғалымдар жойылып кеткен адам түрі – неандертальдің геномдық тізбегін алғаш рет толық анықтады. Геном 130 мың жыл бұрын Сібір үңгірінен табылған неандертальдің тізе сүйегінен алынған. Жаңа тізбектеу технологиялары, мысалы, жаппай параллель тізбектеу, жеке геном тізбектеуді диагностикалық құрал ретінде пайдалану мүмкіндігін де ашты, бұл Manteia Predictive Medicine-нің пионерлік жұмысы болды. Осы мақсатқа жетудегі маңызды қадам – 2007 жылы ДНҚ құрылымын бірге ашқан Джеймс Д. Уотсонның толық геномын тізбектеу болды. Геномдық тізбек геномдағы барлық ДНК негіздерінің ретін көрсетеді, ал геномдық карта – оның маңызды белгілерін анықтайды. Геномдық карта геномдық тізбектен кем детальді және геномды шарлауға көмектеседі. Адам геномдық жобасы адам геномын картаға түсіріп, оның тізбегін анықтау үшін ұйымдастырылды. Жобаның маңызды қадамы – Жан Вейсенбах пен оның командасының Париждегі Genoscope-та егжей-тегжейлі геномдық картаны жариялауы болды. Анықтамалық геномдық тізбектер мен карталар қателерді жою және жоғары аллельдік күрделілік аймақтарын нақтылау үшін үздіксіз жаңартылып отырады. Геномдық карталаудың құнының төмендеуі генеалогиялық сайттарға оны қызмет ретінде ұсынуға мүмкіндік берді, сондықтан адам өзінің геномын ДНК сияқты көпшілікпен жасалатын ғылыми жобаларға тапсыра алады. Нью-Йорк геном орталығындағы LAND – масштабты экономиканың және азаматтық ғылымның мысалы.

Вирустық геномдар

Вирустық геномдар РНК немесе ДНҚ-дан тұруы мүмкін. РНҚ вирустарының геномдары бір жіпті РНК немесе қос жіпті РНК болуы мүмкін, сондай-ақ бір немесе бірнеше жеке РНК молекулаларын (сегменттерін: монопартит немесе мультипартит геном) қамти алады. ДНҚ вирустарының бір жіпті немесе қос жіпті геномдары болуы мүмкін. Көптеген ДНҚ вирустарының геномдары бір ғана сызықты ДНҚ молекуласынан тұрады, бірақ кейбіреулері дөңгелек ДНҚ молекуласынан құралған.

Прокариоттық геномдар

Прокариоттар мен эукариоттардың ДНК геномдары болады. Археялардың және көптеген бактериялардың бір дөңгелек хромосомасы бар, бірақ кейбір бактерия түрлерінде сызықтық немесе бірнеше хромосомалар кездеседі. Егер ДНК бактериялық жасушалардың бөлінуінен жылдамдап көбейсе, бір жасушада хромосоманың бірнеше көшірмесі болуы мүмкін, ал жасушалар ДНК көбейгеннен жылдам бөлінсе, бөлінуге дейін хромосоманың бірнеше репликациясы басталады, бұл қыздар жасушаларына толық геномдар мен жартылай көбейген хромосомаларды мұра етуге мүмкіндік береді. Көптеген прокариоттардың геномдарында қайталама ДНК өте аз болады. Дегенмен, кейбір симбиоздық бактериялар (мысалы, Serratia symbiotica) геномдары қысқарған және псевдогендердің үлесі жоғары: олардың ДНК-сының шамамен 40% ғана ақуыздарды кодтайды. Кейбір бактерияларда плазмидаларда сақталатын қосымша генетикалық материал бар, ол да олардың геномының бір бөлігі болып табылады. Сондықтан геном сөзін хромосома сөзінің синонимі ретінде пайдалануға болмайды.

Эукариоттық геномдар

Эукариоттық геномдар бір немесе бірнеше сызықтық ДНК хромосомаларынан құралған. Хромосомалар саны бір жұп ғана болатын "жақсы қос" құмырсқалары мен жыныссыз көбейетін нематодалардан бастап, 720 жұп хромосомасы бар папоротниктерге дейін кең ауқымда өзгереді. Басқа геномдармен салыстырғанда эукариоттық геномдардың ДНК мөлшерінің көптігі таң қалдырады. Бұл мөлшер, ДНК-ның протеин кодтайтын және кодтамайтын гендері үшін қажеттіден де артық, себебі эукариоттық геномдардың мөлшері 64 000 есеге дейін айырмашылыққа ие. Эукариоттық геномдардағы гендерді FINDER арқылы анықтауға болады.

ДНК тізбектеу

Жоғары өнімділік технологиясы жаңа геномдарды құрастыруға қатысты секвенирлеуді баршаға қолжетімді етеді. Тізбелік полиморфизмдер әдетте қайта секвенирленген изоляттарды эталонмен салыстыру арқылы табылады, ал жабын тереңдігі мен карталау топологиясын талдау хромосомалық транслокациялар және сегменттік дупликациялар сияқты құрылымдық өзгерістер туралы толық мәліметтер бере алады.

Кодтау реті

ДНҚ тізбектері, ақуыздарды жасау үшін қажетті нұсқауларды таситын, кодтау тізбектері деп аталады. Геномда кодтау тізбектерінің үлесі әртүрлі болуы мүмкін. Үлкен геномда міндетті түрде көбірек гендер бола бермейді, ал күрделі эукариоттарда геномның көлемі ұлғайған сайын қайталанбайтын ДНҚ-ның үлесі азаяды.

Тандемді қайталау

Басынан аяғына дейін қайталанатын қысқа, кодталмаған тізбектер тандемді қайталаулар деп аталады. 2–5 негіз жұптарынан тұратын қайталаулар микросателлиттер деп, ал 30–35 жұп негізден тұратын қайталаулар минисателлиттер деп аталады. Тандемді қайталаулар адам геномының шамамен 4%-ын, ал жеміс шыбығы геномының 9%-ын құрайды. Тандемді қайталаулар функционалды болуы мүмкін. Мысалы, сүтқоректілерде теломерлер TTAGGG тандемді қайталауынан тұрады және хромосома ұштарын қорғауда маңызды рөл атқарады. Басқа жағдайларда экзондар мен интрондардағы тандемді қайталаулар санының артуы ауруға алып келуі мүмкін. Мысалы, адамның хантингтин (Htt) генінде әдетте CAG нуклеотидтерінің 6–29 тандемді қайталауы болады (полиглутамин тізбегін кодтайды). Егер қайталау саны 36-дан асса, Ханттингтон ауруы пайда болады, бұл нейродегенеративті ауру. Әртүрлі гендердегі ұқсас тандемді қайталаулардың кеңеюінен туындайтын 20 адам ауруы белгілі. Полиглутамин тізбегі кеңейген белоктардың нейрондардың өліміне қалай әкелетінінің механизмі толыққанды түсініксіз. Бір мүмкіндік – бұл белоктар дұрыс бүгілмейді және ыдыраудан қашады, оның орнына маңызды транскрипциялық факторларды байланыстыратын агрегаттар түзеді, соның салдарынан ген экспрессиясы өзгереді.

Қалпына келтірілетін элементтер

Транспозицияланатын элементтер (ТЭ) – геномдағы орнын өзгерте алатын, белгілі бір құрылымы бар ДНК тізбектері. ТЭ-лер көшірме арқылы көбейіп, жаңа орынға орналасатын немесе геномнан шығып, басқа орынға енгізілетін механизмдерге жіктеледі. Адам геномында ТЭ-нің үш маңызды класы бар, олар адам ДНК-сының 45%-дан астамын құрайды; олар – ұзын араласқан ядролық элементтер (LINEs), араласқан ядролық элементтер (SINEs) және эндогенді ретровирустар. Бұл элементтер иесі организмдегі генетикалық басқаруды өзгертуге зор мүмкіндік береді. ТЭ-лердің қозғалысы эукариоттар геномының эволюциясын қозғаушы күш болып табылады, себебі олардың енуі гендердің жұмысын бұзуы мүмкін, ТЭ арасындағы гомологты рекомбинация дубликация тудыруы мүмкін, ал ТЭ экзондар мен реттеуші тізбектерді жаңа орындарға жылжытуы мүмкін.

Ретротранспозондар

Ретротранспозондар көбінесе эукариоттарда кездеседі, бірақ прокариоттарда табылмайды. Ретротранспозондар көптеген эукариоттар геномдарының үлкен бөлігін құрайды. Ретротранспозон – РНК аралық арқылы транспозицияланатын транспозициялық элемент. Ретротранспозондар ДНҚ-дан тұрады, бірақ транспозиция үшін РНҚ-ға транскрипцияланады, содан кейін РНҚ транскрипті кері транскриптаза деп аталатын белгілі бір ферменттің көмегімен ДНҚ-ға қайта көшіріледі. Өзінің құрамында кері транскриптазасы бар ретротранспозон өздігінен транспозициялана алады, ал кері транскриптазасы жоқ ретротранспозондар басқа ретротранспозон синтездеген кері транскриптазаны пайдалануы керек. Ретротранспозондар РНҚ-ға транскрипцияланып, геномның басқа жеріне дубликаттала алады. Ретротранспозондар ұзын терминалдық қайталаулар (LTR) және ұзын емес терминалдық қайталаулар (Non-LTR) болып бөлінеді. Ұзын емес терминалдық қайталаулар (Non-LTR) ұзын аралас ядролық элементтер (LINE), қысқа аралас ядролық элементтер (SINE) және Пенелопаға ұқсас элементтер (PLE) болып жіктеледі. Dictyostelium discoideum-да Non-LTR-ге жататын тағы бір DIRS-қа ұқсас элементтері бар. Non-LTR элементтері эукариоттық геномдарда кеңінен таралған. Ұзын аралас элементтер (LINE) кері транскриптаза және эндонуклеаза гендерін кодтайды, осылайша оларды автономды транспозициялық элементтерге айналдырады. Адам геномында шамамен 500 000 LINE бар, ол геномның шамамен 17% құрайды. Қысқа аралас элементтер (SINE) әдетте 500 нуклеотидтен кем және автономды емес, сондықтан транспозиция үшін LINE элементтері кодтайтын белоктарға тәуелді. Alu элементі – приматтарда ең көп кездесетін SINE элементі. Ол шамамен 350 нуклеотидтен тұрады және шамамен 1,5 миллион данасымен адам геномының 11% -ын құрайды. Прокариоттарда немесе төменгі эукариоттарда морфологиялық күрделілік пен геном мөлшері арасында анық және тұрақты корреляция жоқ. Геном мөлшері көбінесе қайталама ДНҚ элементтерінің кеңеюі мен қысқаруының нәтижесі болып табылады. Геномдар өте күрделі болғандықтан, зерттеу стратегиясының бірі – геномдағы гендер санын ең төменгі деңгейге дейін азайту, сонымен қатар аталған организмнің тірі қалуын қамтамасыз ету. Бір жасушалы және көп жасушалы организмдер үшін минималды геномдар бойынша тәжірибелік жұмыстар жүргізілуде (даму биологиясына қараңыз). Бұл жұмыс in vivo және in silico жағдайында жүзеге асырылады.

Геномдық өзгерістер

Организмнің барлық жасушалары бір жасушадан пайда болады, сондықтан олардың геномдары ұқсас болуы керек; алайда, кейде айырмашылықтар туындайды. Жасуша бөліну кезінде ДНК-ның көшірілу процесі де, қоршаған ортаның мутагендерінің әсері де соматикалық жасушаларда мутацияларға алып келуі мүмкін. Кейде мұндай мутациялар қатерлі ісіктерге себеп болады, себебі олар жасушалардың тез бөлінуіне және айналағы тіндерге таралуына ықпал етеді. Адам иммундық жүйесіндегі белгілі бір лимфоциттерде V(D)J рекомбинациясы әр жасушаның бірегей антидене немесе Т-жасуша рецепторларын өндіретін әртүрлі геномдық тізбектерді жасайды. Мейоз кезінде диплоидты жасушалар екі рет бөлініп, гаплоидты жыныс жасушалары пайда болады. Бұл процесте рекомбинация гомологты хромосомалардан генетикалық материалды қайта құруға әкеледі, сондықтан әр гаметаның өзіндік геномы болады.

Геномды қайта бағдарламалау

Тышқанның бастапқы ұрық жасушаларында геномдық қайта бағдарламалау эпигенетикалық іздің жойылуымен жүзеге асады, бұл тотипотенцияға алып келеді. Қайта бағдарламалау белсенді ДНК деметилденуі арқылы жеңілдетіледі, бұл процесс ДНК негізін кесу-жөндеу жолын қамтиды. Бұл жол бастапқы ұрық жасушаларындағы CpG метилденуін (5mC) жою үшін қолданылады. 5mC-нің жойылуы, жоғары деңгейдегі он-бір диоксигеназа ферменттері ТЕТ1 және ТЕТ2 арқылы оны 5 гидроксиметилцитозинге (5hmC) түрлендіру арқылы жүзеге асады.

Геномның эволюциясы

Геномдар – организмнің гендерінің қосындысынан артық, және олардың қасиеттері бар, оларды нақты гендер мен олардың өнімдерінің егжей-тегжейіне сілтеме жасамастан өлшеуге және зерттеуге болады. Зерттеушілер кариотип (хромосома саны), геном мөлшері, гендер тізбегі, кодонды пайдалануға бейімділік және GC құрамы сияқты қасиеттерді салыстырып, бүгінгі күнгі геномдардың әртүрлілігін қандай механизмдер тудырғанын анықтайды (жаңа шолулар үшін қараңыз: Браун 2002; Сакконе және Песоле 2003; Бенфей және Протопапас 2004; Гибсон және Мьюз 2004; Риз 2004; Грегори 2005). Дубликация геномды қалыптастыруда маңызды рөл атқарады. Дубликация қысқа тандемді қайталаулардың ұзаруынан бастап, гендер кластерінің дубликациясына, тіпті толық хромосомалардың немесе геномдардың дубликациясына дейін жете алады. Мұндай дубликациялар генетикалық жаңалықтың пайда болуына ықпал етеді. Көлденең гендердің тасымалдануы екі организмнің геномдарының кішкентай бөліктерінің өте ұқсас болуын түсіндіру үшін пайдаланылады, әйтпесе олар тым алыс туысқандық байланыста болады. Көлденең гендердің тасымалдануы көптеген микроорганизмдер арасында кең таралған сияқты. Сонымен қатар, эукариоттық жасушалар хлоропласт және митохондриялық геномдарынан ядролық хромосомаларға кейбір генетикалық материалды тасымалдағанға ұқсайды. Жақында алынған эмпирикалық деректер вирустар мен вирусқа қарсы РНК желілерінің генетикалық жаңалықтарды жасауда және табиғи геномды өңдеуде маңызды рөл атқаратынын көрсетеді.

Көркем шығармаларда

Ғылыми фантастика туындылары геномдық тізбектердің қолжетімділігіне байланысты алаңдаушылықты көрсетеді. Майкл Крайтонның 1990 жылғы «Юралық парк» романы және одан кейінгі фильм алыс аралда клондалған динозаврлардың ойын-сауық паркін құрған миллиардердің тарихын баяндайды, бұл жоба апатқа ұшырайды. Генетик ежелгі масалардың қанынан динозаврлардың ДНК-сын бөліп алып, жоқ бөліктерін қазіргі түрлердің ДНК-сымен толтырып, бірнеше динозавр түрін жасайды. Хаос теориясының маманы динозаврлармен экожүйені құрудың қауіпсіздігі туралы сарапшылық пікірін беруге шақырылады және ол жобаның нәтижелері болжаусыз және ақырында басқарылмайтын болады деп қайта-қайта ескертеді. Геномдық ақпаратты пайдаланудың қауіптілігі туралы ескертулер кітаптың негізгі тақырыбы болып табылады. 1997 жылғы «Гаттака» фильмі болашақ қоғамда өтеді, онда балалардың геномдары ата-аналарының ең қолайлы қасиеттерін қамтитын етіп жасалады, сондай-ақ әр адамның геномдық құрамына сүйене отырып, жүрек ауруларының қаупі және күтілетін өмір ұзақтығы сияқты көрсеткіштер тіркеледі. «In Valids» деп аталатын, евгеникалық бағдарламадан тыс дүниеге келген адамдар кемсітуге ұшырайды және төмен мәртебелі жұмыстарға бейімделеді. Фильмнің басты кейіпкері – генетикалық шектеулерге қарсы күресіп, ғарыш навигаторы болу арманына жете алмайтын «In Valid». Фильм геномдық ақпараттың генетикалық түрлендірілген балаларды алуға шамасы барлар мен шамасы жоқтар арасындағы әділетсіздікті және әлеуметтік теңсіздікті күшейтетін болашаққа қарсы ескертеді.