Геном: Полный набор генетической информации организма.

Введение

Вся генетическая информация организма.

В области молекулярной биологии и генетики геном – это вся генетическая информация организма. Он состоит из нуклеотидных последовательностей ДНК (или РНК у РНК-вирусов). Ядерный геном включает в себя гены, кодирующие белки, и некодирующие гены, другие функциональные области генома, такие как регуляторные последовательности (см. некодирующая ДНК), и часто значительную долю "мусорной" ДНК, функция которой не очевидна. Почти все эукариоты имеют митохондрии и небольшой митохондриальный геном. Изначальная "завершенная" последовательность была неполной на 8%, в основном из-за повторяющихся последовательностей. Благодаря развитию технологий, позволивших секвенировать множество повторяющихся последовательностей в ДНК человека, которые не были полностью расшифрованы в ходе первоначального исследования проекта "Геном человека", ученые представили первую полную последовательность человеческого генома в марте 2022 года.

Происхождение термина

Термин «геном» был создан в 1920 году Гансом Винклером, профессором ботаники Гамбургского университета в Германии. Согласно сайту Oxford Dictionaries и Online Etymology Dictionary, название является гибридом слов «ген» и «хромосома». Однако более подробное обсуждение см. в статье «омика». Несколько схожих слов с суффиксом "-ом" уже существовали, например, биом и ризома, формируя лексический ряд, в который геном органично вписывается.

Определение

Очень трудно дать точное определение "генома". Обычно под этим подразумевают молекулы ДНК (или иногда РНК), несущие генетическую информацию в организме, но бывает сложно определить, какие молекулы следует включать в это определение. Например, у бактерий обычно есть одна или две крупные молекулы ДНК (хромосомы), содержащие весь основной генетический материал, но они также содержат более мелкие внехромосомные плазмиды, несущие важную генетическую информацию. Определение "геном", которое обычно используется в научной литературе, как правило, ограничивается крупными хромосомными молекулами ДНК у бактерий.

Ядерный геном

Эукариотические геномы определить еще сложнее, поскольку почти у всех эукариотических видов содержатся ядерные хромосомы, а также дополнительные молекулы ДНК в митохондриях. Кроме того, водоросли и растения обладают ДНК хлоропластов. Большинство учебников проводят различие между ядерным геномом и геномами органелл (митохондрий и хлоропластов), поэтому, когда речь идет, например, о геноме человека, подразумевается исключительно генетический материал, находящийся в ядре. Такое употребление термина "геном" является наиболее распространенным в научной литературе.

Плоидная

Большинство эукариотов диплоидны, то есть в ядре содержится по две копии каждой хромосомы, однако под термином «геном» подразумевается лишь одна копия каждой хромосомы. У некоторых эукариотов имеются специфические половые хромосомы, такие как X и Y хромосомы у млекопитающих, поэтому в техническом определении генома необходимо учитывать обе копии половых хромосом. Например, стандартный референсный геном человека состоит из одной копии каждой из 22 аутосом, а также одной X-хромосомы и одной Y-хромосомы.

Секвенирование и отображение

Последовательность генома – это полный список нуклеотидов (A, C, G и T для геномов ДНК), составляющих все хромосомы индивидуума или вида. Внутри вида подавляющее большинство нуклеотидов идентичны между индивидуумами, однако секвенирование нескольких индивидуумов необходимо для понимания генетического разнообразия. В 1976 году Уолтер Файерс из Гентского университета (Бельгия) первым установил полную нуклеотидную последовательность генома вирусной РНК (бактериофаг MS2). В следующем году Фред Сэнгер завершил секвенирование первого ДНК-генома: фага Φ X174, состоящего из 5386 пар оснований. Первым секвенированным бактериальным геномом стал геном *Haemophilus influenzae*, завершенный командой Института геномных исследований в 1995 году. Через несколько месяцев был завершен первый эукариотический геном, последовательности 16 хромосом дрожжей *Saccharomyces cerevisiae* были опубликованы в результате европейской инициативы, начатой в середине 1980-х годов. Первая последовательность генома археи *Methanococcus jannaschii* была завершена в 1996 году, также Институтом геномных исследований. Разработка новых технологий значительно удешевила и упростила секвенирование генома, и число полных секвенированных геномов быстро растет. Национальный институт здоровья США поддерживает одну из нескольких всеобъемлющих баз данных геномной информации. Среди тысяч завершенных проектов по секвенированию генома – геномы риса, мыши, растения *Arabidopsis thaliana*, рыбы-фугу и бактерии *E. coli*. В декабре 2013 года ученые впервые секвенировали весь геном неандертальца, вымершего вида человека. Геном был извлечен из кости пальца ноги 130 000-летнего неандертальца, найденного в сибирской пещере. Новые технологии секвенирования, такие как массивное параллельное секвенирование, также открыли возможность секвенирования персонального генома в качестве диагностического инструмента, впервые предложенного компанией Manteia Predictive Medicine. Важным шагом к этой цели стало завершение в 2007 году полного генома Джеймса Д. Уотсона, одного из первооткрывателей структуры ДНК. В то время как последовательность генома перечисляет порядок каждой ДНК-базы в геноме, карта генома определяет ключевые точки. Карта генома менее детализирована, чем последовательность генома, и помогает ориентироваться в геноме. Проект «Геном человека» был организован для картирования и секвенирования генома человека. Фундаментальным этапом проекта стал выпуск подробной геномной карты Жаном Вайссенбахом и его командой из Genoscope в Париже. Референтные последовательности генома и карты продолжают обновляться, исправляя ошибки и уточняя области с высокой аллельной сложностью. Снижение стоимости геномного картирования позволило генеалогическим сайтам предлагать эту услугу, вплоть до возможности предоставления своего генома для научных исследований, таких как DNA.LAND в Нью-Йоркском центре генома, являющийся примером как эффекта масштаба, так и гражданской науки.

A genome sequence is the complete list of the nucleotides (A, C, G, and T for DNA genomes) that make up all the chromosomes of an individual or a species. Within a species, the vast majority of nucleotides are identical between individuals, but sequencing multiple individuals is necessary to understand the genetic diversity. In 1976, Walter Fiers at the University of Ghent (Belgium) was the first to establish the complete nucleotide sequence of a viral RNA genome (Bacteriophage MS2). The next year, Fred Sanger completed the first DNA genome sequence: Phage Φ X174, of 5386 base pairs. The first bacterial genome to be sequenced was that of Haemophilus influenzae, completed by a team at The Institute for Genomic Research in 1995. A few months later, the first eukaryotic genome was completed, with sequences of the 16 chromosomes of budding yeast Saccharomyces cerevisiae published as the result of a European led effort begun in the mid 1980s. The first genome sequence for an archaeon, Methanococcus jannaschii, was completed in 1996, again by The Institute for Genomic Research. The development of new technologies has made genome sequencing dramatically cheaper and easier, and the number of complete genome sequences is growing rapidly. The US National Institutes of Health maintains one of several comprehensive databases of genomic information. Among the thousands of completed genome sequencing projects include those for rice, a mouse, the plant Arabidopsis thaliana, the puffer fish, and the bacteria E. coli. In December 2013, scientists first sequenced the entire genome of a Neanderthal, an extinct species of humans. The genome was extracted from the toe bone of a 130,000 year old Neanderthal found in a Siberian cave. New sequencing technologies, such as massive parallel sequencing have also opened up the prospect of personal genome sequencing as a diagnostic tool, as pioneered by Manteia Predictive Medicine. A major step toward that goal was the completion in 2007 of the full genome of James D. Watson, one of the co discoverers of the structure of DNA. Whereas a genome sequence lists the order of every DNA base in a genome, a genome map identifies the landmarks. A genome map is less detailed than a genome sequence and aids in navigating around the genome. The Human Genome Project was organized to map and to sequence the human genome. A fundamental step in the project was the release of a detailed genomic map by Jean Weissenbach and his team at the Genoscope in Paris. Reference genome sequences and maps continue to be updated, removing errors and clarifying regions of high allelic complexity. The decreasing cost of genomic mapping has permitted genealogical sites to offer it as a service, to the extent that one may submit one's genome to crowdsourced scientific endeavours such as DNA. LAND at the New York Genome Center, an example both of the economies of scale and of citizen science.

Вирусные геномы

Вирусные геномы могут состоять из РНК или ДНК. Геномы РНК-вирусов могут быть одноцепочечной или двуцепочечной РНК и могут содержать одну или несколько отдельных молекул РНК (сегменты: монопартитный или мультипартитный геном). ДНК-вирусы могут иметь одноцепочечные или двуцепочечные геномы. Большинство геномов ДНК-вирусов состоят из одной линейной молекулы ДНК, но некоторые состоят из круговой молекулы ДНК.

Прокариотические геномы

Прокариоты и эукариоты имеют геномы ДНК. Археи и большинство бактерий имеют одну кольцевую хромосому, однако у некоторых видов бактерий хромосомы могут быть линейными или множественными. Если ДНК реплицируется быстрее, чем делятся бактериальные клетки, в одной клетке может содержаться несколько копий хромосомы, а если клетки делятся быстрее, чем ДНК успевает реплицироваться, то многократная репликация хромосомы инициируется до деления, обеспечивая дочерним клеткам наследование полных геномов и уже частично реплицированных хромосом. Большинство прокариотов содержит очень мало повторяющейся ДНК в своих геномах. Однако у некоторых симбиотических бактерий (например, Serratia symbiotica) геномы редуцированы и высока доля псевдогенов: только около 40% их ДНК кодирует белки. Некоторые бактерии имеют дополнительный генетический материал, также являющийся частью их генома, который содержится в плазмидах. В связи с этим, слово "геном" не следует использовать как синоним "хромосомы".

Геном эукариотов

Геном эукариота состоит из одной или нескольких линейных ДНК-хромосом. Количество хромосом сильно варьируется – от муравьев-прыгунов и бесполых нематод, у которых всего одна пара, до видов папоротников, имеющих 720 пар. Удивительно, сколько ДНК содержат геномы эукариотов по сравнению с другими геномами. Это количество даже превышает необходимое для кодирования белка и некодирующих генов, что связано с тем, что размеры геномов эукариотов могут различаться в 64 000 раз. Гены в геномах эукариотов можно аннотировать с помощью FINDER.

Секвенирование ДНК

Технология высокой пропускной способности делает секвенирование и сборку новых геномов доступными каждому. Полиморфизмы последовательностей обычно выявляются путем сравнения повторно секвенированных изолятов с референсным геномом, в то время как анализ глубины покрытия и топологии картирования может предоставить информацию о структурных вариациях, таких как хромосомные транслокации и сегментальные дупликации.

Кодирующие последовательности

Последовательности ДНК, несущие инструкции для синтеза белков, называются кодирующими последовательностями. Доля генома, занимаемая кодирующими последовательностями, значительно варьируется. Больший геном не обязательно содержит больше генов, и доля неповторяющейся ДНК уменьшается с увеличением размера генома у сложных эукариот.

Повторение в тандеме

Короткие некодирующие последовательности, повторяющиеся друг за другом, называются тандемными повторами. Микросателлиты состоят из 2–5 пар оснований, в то время как минисателлитные повторы – 30–35 пар оснований. Тандемные повторы составляют около 4% генома человека и 9% генома плодовой мушки. Тандемные повторы могут быть функциональными. Например, теломеры у млекопитающих состоят из тандемного повтора TTAGGG и играют важную роль в защите концов хромосом. В других случаях увеличение числа тандемных повторов в экзонах или интронах может приводить к заболеваниям. Например, ген человека *huntingtin* (*Htt*) обычно содержит 6–29 тандемных повторов нуклеотидов CAG (кодирующих полиглутаминовый тракт). Увеличение числа повторов до более чем 36 приводит к болезни Гентингтона, нейродегенеративному заболеванию. Известно, что двадцать заболеваний человека возникают в результате подобных экспансий тандемных повторов в различных генах. Механизм, посредством которого белки с расширенными полиглутаминовыми трактами вызывают гибель нейронов, до конца не выяснен. Одна из гипотез заключается в том, что такие белки неправильно сворачиваются и не подвергаются деградации, а накапливаются в агрегатах, которые также связывают важные факторы транскрипции, тем самым изменяя экспрессию генов.

Переводимые элементы

Транспозиционные элементы (ТЭ) – это последовательности ДНК с определенной структурой, способные изменять свое положение в геноме. ТЭ классифицируются как механизмы, размножающиеся путем копирования и вставки, либо как механизмы, способные вырезаться из генома и встраиваться в новое местоположение. В геноме человека выделяют три важных класса ТЭ, составляющих более 45% человеческой ДНК; к этим классам относятся длинные интеркалированные ядерные элементы (LINE), короткие интеркалированные ядерные элементы (SINE) и эндогенные ретровирусы. Эти элементы обладают значительным потенциалом для модификации генетической регуляции в организме-хозяине. Перемещение ТЭ является одной из движущих сил эволюции генома у эукариот, поскольку их встраивание может нарушать функции генов, гомологичная рекомбинация между ТЭ может приводить к дупликациям, а ТЭ способны перемещать экзоны и регуляторные последовательности в новые участки генома.

Ретротранспозоны

Ретротранспозоны встречаются преимущественно у эукариот, но отсутствуют у прокариот. Ретротранспозоны составляют значительную часть геномов многих эукариот. Ретротранспозон – это транспозируемый элемент, который перемещается посредством РНК-промежуточного продукта. Ретротранспозоны состоят из ДНК, но транскрибируются в РНК для транспозиции, после чего РНК-транскрипт копируется обратно в ДНК с помощью специфического фермента, называемого обратной транскриптазой. Ретротранспозон, содержащий обратную транскриптазу в своей последовательности, способен инициировать собственную транспозицию, тогда как ретротранспозоны, не имеющие обратной транскриптазы, должны использовать обратную транскриптазу, синтезированную другим ретротранспозоном. Ретротранспозоны могут транскрибироваться в РНК, которые затем дуплицируются в другом участке генома. Ретротранспозоны подразделяются на элементы с длинными концевыми повторами (LTR) и элементы без длинных концевых повторов (Non-LTR). Элементы Non-LTR классифицируются как длинные интеркалированные ядерные элементы (LINE), короткие интеркалированные ядерные элементы (SINE) и элементы, подобные Пенелопе (PLE). У Dictyostelium discoideum также присутствуют элементы, подобные DIRS, относящиеся к Non-LTR. Элементы Non-LTR широко распространены в геномах эукариот. Длинные интеркалированные элементы (LINE) кодируют гены обратной транскриптазы и эндонуклеазы, что делает их автономными транспозируемыми элементами. Геном человека содержит около 500 000 LINE, занимающих примерно 17% генома. Короткие интеркалированные элементы (SINE) обычно имеют длину менее 500 пар оснований и являются неавтономными, поэтому для транспозиции они зависят от белков, кодируемых LINE. Элемент Alu является наиболее распространенным SINE, обнаруженным у приматов. Его длина составляет около 350 пар оснований, и он занимает около 11% человеческого генома, насчитывая около 1 500 000 копий. Нет четкой и последовательной корреляции между морфологической сложностью и размером генома ни у прокариот, ни у низших эукариот. Размер генома в значительной степени определяется расширением и сокращением повторяющихся элементов ДНК. Поскольку геномы очень сложны, одна из стратегий исследования заключается в сокращении количества генов в геноме до абсолютного минимума, сохраняя при этом жизнеспособность организма. Ведутся экспериментальные работы по созданию минимальных геномов для одноклеточных, а также для многоклеточных организмов (см. биологию развития). Исследования проводятся как in vivo, так и in silico.

Retrotransposons are found mostly in eukaryotes but not found in prokaryotes. Retrotransposons form a large portion of the genomes of many eukaryotes. A retrotransposon is a transposable element that transposes through an RNA intermediate. Retrotransposons are composed of DNA, but are transcribed into RNA for transposition, then the RNA transcript is copied back to DNA formation with the help of a specific enzyme called reverse transcriptase. A retrotransposon that carries reverse transcriptase in its sequence can trigger its own transposition but retrotransposons that lack a reverse transcriptase must use reverse transcriptase synthesized by another retrotransposon. Retrotransposons can be transcribed into RNA, which are then duplicated at another site into the genome. Retrotransposons can be divided into long terminal repeats (LTRs) and non long terminal repeats (Non LTRs). Non long terminal repeats (Non LTRs) are classified as long interspersed nuclear elements (LINEs), short interspersed nuclear elements (SINEs), and Penelope like elements (PLEs). In Dictyostelium discoideum, there is another DIRS like elements belong to Non LTRs. Non LTRs are widely spread in eukaryotic genomes. Long interspersed elements (LINEs) encode genes for reverse transcriptase and endonuclease, making them autonomous transposable elements. The human genome has around 500,000 LINEs, taking around 17% of the genome. Short interspersed elements (SINEs) are usually less than 500 base pairs and are non autonomous, so they rely on the proteins encoded by LINEs for transposition. The Alu element is the most common SINE found in primates. It is about 350 base pairs and occupies about 11% of the human genome with around 1,500,000 copies. There is no clear and consistent correlation between morphological complexity and genome size in either prokaryotes or lower eukaryotes. Genome size is largely a function of the expansion and contraction of repetitive DNA elements. Since genomes are very complex, one research strategy is to reduce the number of genes in a genome to the bare minimum and still have the organism in question survive. There is experimental work being done on minimal genomes for single cell organisms as well as minimal genomes for multi cellular organisms (see developmental biology). The work is both in vivo and in silico.

Генетические изменения

Все клетки организма происходят из одной клетки, поэтому можно ожидать, что у них будут идентичные геномы; однако в некоторых случаях возникают различия. Как процесс копирования ДНК во время клеточного деления, так и воздействие мутагенов окружающей среды могут приводить к мутациям в соматических клетках. В некоторых случаях такие мутации приводят к раку, поскольку они вызывают более быстрое деление клеток и их вторжение в окружающие ткани. В определенных лимфоцитах иммунной системы человека V(D)J-рекомбинация генерирует различные геномные последовательности, в результате чего каждая клетка производит уникальные антитела или Т-клеточные рецепторы. Во время мейоза диплоидные клетки делятся дважды, образуя гаплоидные половые клетки. В ходе этого процесса рекомбинация приводит к перераспределению генетического материала между гомологичными хромосомами, так что каждая гамета имеет уникальный геном.

Геномовое перепрограммирование

Широкое перепрограммирование генома в первичных зародышевых клетках мыши включает стирание эпигенетических меток, приводящее к тотипотентности. Перепрограммированию способствует активное деметилирование ДНК, процесс, включающий путь иссечения и восстановления ДНК. Этот путь используется для стирания CpG-метилирования (5mC) в первичных зародышевых клетках. Стирание 5mC происходит посредством его превращения в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC) под действием высоких уровней ферментов тетрат-одиннадцати-диоксигеназ TET1 и TET2.

Эволюция генома

Геном – это нечто большее, чем просто сумма генов организма, и обладает характеристиками, которые можно измерять и изучать, не прибегая к деталям конкретных генов и их продуктов. Исследователи сравнивают такие признаки, как кариотип (число хромосом), размер генома, порядок генов, смещение в использовании кодонов и содержание GC, чтобы определить механизмы, которые могли привести к огромному разнообразию геномов, существующих сегодня (для последних обзоров см. Brown, 2002; Saccone & Pesole, 2003; Benfey & Protopapas, 2004; Gibson & Muse, 2004; Reese, 2004; Gregory, 2005). Дупликации играют ключевую роль в формировании генома. Дупликации могут варьироваться от расширения коротких тандемных повторов до дупликации кластера генов и вплоть до дупликации целых хромосом или даже целых геномов. Такие дупликации, вероятно, являются основополагающими для создания генетического разнообразия. Горизонтальный перенос генов используется для объяснения того, почему часто наблюдается крайнее сходство между небольшими участками геномов двух организмов, которые в остальном очень далеки друг от друга. Горизонтальный перенос генов, по-видимому, широко распространен среди многих микробов. Кроме того, эукариотические клетки, по-видимому, подвергались переносу некоторого генетического материала из их хлоропластных и митохондриальных геномов в их ядерные хромосомы. Недавние эмпирические данные указывают на важную роль вирусов и подвирусных РНК-сетей в качестве основного фактора, генерирующего генетическое разнообразие и естественное редактирование генома.

В художественной литературе

Научная фантастика отражает обеспокоенность доступностью геномных последовательностей. Роман Майкла Крайтона «Парк Юрского периода», опубликованный в 1990 году, и последовавший за ним фильм рассказывают историю миллиардера, создавшего тематический парк клонированных динозавров на отдалённом острове, что привело к катастрофическим последствиям. Генетик извлекает ДНК динозавров из крови древних комаров и восполняет недостающие фрагменты ДНК современных видов, чтобы воссоздать несколько видов динозавров. Теоретика хаоса просят оценить безопасность создания экосистемы с динозаврами, и он неоднократно предупреждает, что результаты этого проекта будут непредсказуемы и в конечном итоге неуправляемы. Эти предупреждения об опасностях использования геномной информации – одна из основных тем книги. Действие фильма «Гаттака» 1997 года разворачивается в футуристическом обществе, где геномы детей подвергаются модификации для достижения наиболее благоприятной комбинации наследственных признаков родителей, а такие показатели, как риск сердечных заболеваний и прогнозируемая продолжительность жизни, фиксируются для каждого человека на основе его генома. Люди, зачатые вне программы генетического улучшения, известные как «Невалиды», сталкиваются с дискриминацией и вынуждены заниматься низкоквалифицированным трудом. Главный герой фильма – Невалид, который стремится опровергнуть предвзятые генетические прогнозы и осуществить свою мечту – стать космическим навигатором. Фильм предостерегает от будущего, в котором геномная информация становится источником предрассудков и резкого социального расслоения между теми, кто может позволить себе генетически модифицированных детей, и теми, кто не может.