Геном

ГЕНО́М (нім. Genom, англ. Genome, від грец. γένος — рід, походже­н­ня) — повний набір генетичної інформації організму, закодованої в ДНК (чи РНК для деяких вірусів), або повна послідовність ДНК гаплоїдного набору хромосом. До них належать гени та некодуючі послідовності. Вперше термін «Г.» за­стосував у 1920 Ґ. Вінклер для по­значе­н­ня гаплоїд. набору хромосом з локалізованими в ньому генами. В такому ро­зумін­ні Г. є характеристикою виду, а не окремо взятого організму. Нині терміном «Г.» по­значають повний набір ядерної ДНК (ядерний Г.), мітохондрій (мітохондріальний Г.) та хлоропластів (Г. хлоропластів). Необхідно від­різняти Г. як матеріал. носій генів від власне тієї інформації, що міститься в послідовності нуклеотидів ДНК організму (послідовність Г.).

Г. характеризують за роз­міром, кількістю та морфологією хромосом, кількістю та порядком генів, вмістом Г-Ц тощо. Залежність між роз­міром Г. та кількістю генів не є прямолінійною. Важливе значе­н­ня для характеристики Г. мають карти Г. з генет. маркерами. У складі Г. виділяють облігатні, факультат. та мобільні елементи — дис­кретні ділянки ДНК, що від­різняються за функціон. ознаками чи послідовністю нуклеотид. основ. Облігатні елементи — структурні ділянки, кількість та роз­ташува­н­ня яких по­стійні в Г. різних особин певного виду. Факультат. елементи — ті ділянки, наявність яких не є обовʼязковою. Мобіл. елементи Г. можуть від­різнятися у різних особин одного виду як за роз­міще­н­ням, так і за кількістю. У структур. від­ношен­ні Г. характеризується наявністю унікал. послідовностей, які в Г. знаходяться в єдиному екземплярі, та по­вторів — ділянок ДНК, які по­вторюються в складі Г. кілька разів. До частих по­вторів від­носять мікросателіти (по­втори до 13-ти пар основ (п. о.), заг. довж. — сотні тисяч п. о., в основному в складі прицентромірного гетерохроматину); мінісателіти (чисельні сегменти, 14–500 п. о., заг. довж. — 1000– 5000 п. о., характеризуються високою мінливістю та роз­різненим, без певного порядку роз­міще­н­ням в Г.); теломери (короткі по­втори, як правило, 6 нуклеотидів, від 250 до 1000 копій на теломеру, роз­міщені в кінц. ділянках кожної хромосоми). До помір. по­вторів належать дисперговані кластери генів (гени глобіну, актину); тандемні по­втори кластерів генів (250 копій генів рибосом. РНК, 50 сайтів по 10–100 копій генів транс­порт. РНК, гени гістонів); SINE (short interspersed elements — короткі дисперговані по­втори, по 200– 300 п. о., бл. 100 000 копій на Г., локалізовані дис­персно, без певного порядку, напр., Alu-по­втор, що має 300 000 копій на Г. та впливає на активність генів); LINE (long interspersed elements — довгі дисперговані по­втори, 1000–5000 п. о., бл. 10–10 000 копій на Г., локалізовані дис­персно); псевдогени (послідовність нуклеотидів дуже близька до генів, але функція втрачена).

Г. прокаріот невеликі, містять кілька тисяч генів. Як правило, це одна кільцева дволанцюгова молекула ДНК (в середньому бл. 5 млн п. о.), хоч ві­домі й винятки: Г. збудника холери Vibrio cholerae складається з 2-х кільцевих молекул ДНК, а Г. Borrelia burgdorfer складається з 1-ї великої ліній. хромосоми та ще 20-ти менших. Інформ. насиченість Г. прокаріот висока: у E. coli, напр., до некодуючої від­носиться лише бл. 11 % ДНК, а 89 % кодують білки або РНК. Ділянки прокаріот. Г., що кодують білки, не містять інтронів. Часто гени, що кодують білки зі схожими функціями, в Г. роз­таш. поруч, утворюючи оперони — тандеми генів, які транс­крибуються як одне ціле (утворюється одна молекула мРНК) і знаходяться під спільним контролем. Як приклад можна навести триптофановий оперон у бактерії E. coli, до складу якого входять 5 генів, що контролюють ферменти для 5-ти послідов. етапів біо­синтезу триптофану.

Г. еукаріот значно більші як за кількістю ДНК, так і за кількістю генів, але насиченість генами (кількість генів на 1000 п. о.) у них менша, ніж у прокаріот. Характер. рисою еукаріот є також від­сутність прямої залежності між складністю будови організму та роз­мірами Г. чи кількістю генів. Значну частину Г. еукаріот становлять по­втори, більшість яких є похідними транс­позонів. Гени теж мають особливості структури: вставки (інтрони) роз­діляють гени на кілька частин (екзонів), які після транс­ляції (синтезу матрич. РНК) зʼ­єд­нуються між собою (сплайсинґ), утворюючи інформ. РНК, яка власне і кодує послідовність амінокислот у білках. Це до­зволяє з однієї ДНК одержати кілька різних варіантів послідовностей амінокислот в складі білк. молекули (альтернатив. сплайсинґ), що дає можливість виду більш гнучко реагувати на зміни умов. Кількість екзонів у складі одного гена змінюється від одного до кількох десятків. Інтрони за роз­міром значно пере­вищують екзони, тому заг. роз­мір гена еукаріот досить значний: у дріжджів середня довж. гена становить 1,6 тис. п. о., у дрозофіли — 11,3 тис. п. о., а у ссавців — 16,6 тис. п. о. У формуван­ні ядер. Г. значна роль належить дуплікаціям (по­двоє­н­ням певних ділянок), від коротких тандемних по­вторів до по­двоє­н­ня цілих кластерів генів. Крім змін окремих ділянок Г., спо­стерігаються також зміни чисельності хромосом у складі Г. Ці зміни в клітині називають геном. мутаціями (поліплоїдія — якщо змінюється кількість всіх хромосом одночасно, та анеуплоїдія — якщо змінюється кількість окремих хромосом).

Г. людини складається з 22-х пар аутосом, 2-х статевих хромосом (X та Y) та мітохондріал. ДНК (мтхДНК). Хромосоми роз­ділено на 7 груп (A, B, C, D, E, F, G) залежно від роз­мірів та морфології; мтхДНК в усіх мітохондріях однакова (за­мкнена в кільце молекула довж. бл. 16 500 п. о.; гомоплазмія), але іноді може бути різною (гетероплазмія). Заг. роз­мір ядер. ДНК людини становить бл. 3,08 млрд п. о., його еухроматинова частина — бл. 2,88 млрд п. о. Роз­міри аутосом — в межах від 48 до 279 млн п. о., Х-хромосома містить 163 млн п. о., а Y-хромосома — 51 млн п. о. Роз­шифрована послідовність ДНК Г. людини містить 2,863,476,365 п. о. (99 % еухроматинової частини). На­прикінці 2005 каталог генів людини (NCBI 35) містив 20 134 ві­домі гени, 1878 нових, раніше неві­домих, 1947 псевдогенів та 1015 генів РНК. Ці генет. локуси мають в сумі 245 231 екзон. Довжина ДНК, зайнятої екзонами, складає майже 34 млн п. о., або бл. 1,2 % еухроматинової ділянки Г. Ділянки екзонів, що не транс­люються (UTR), за­ймають ще біля 21 млн п. о., або 0,7 % еухроматинової частини Г.

Дослідж. властивостей Г. є предметом геноміки, яка ви­вчає закономірності організації та функціонува­н­ня сукупностей генів та некодуючих ділянок у складі Г. Осн. про­блематика — створе­н­ня та порівня­н­ня цитолог., генет. та фіз. карт Г., анотація послідовностей нуклеотидів ДНК та амінокислот білків, аналіз не­стабільності Г. та складних кількіс. ознак. Існує 4 фундам. напрями геноміки: структурна, функціон., порівнял. геноміки та біо­інформатика.

Предметом структур. геноміки є секвенува­н­ня Г. та створе­н­ня їх карт. Першим повністю секвенованим Г. був роз­шифрований 1977 Г. бактеріофага ц X 174 (5386 п. о.). На­прикінці 2005 було повністю роз­шифровано Г. 332-х видів, проводилось секвенува­н­ня Г. 843-х прокаріот та 559-ти еукаріот. Предметом біо­інформатики є пошук гомологій послідовностей в базах даних, аналіз та порівня­н­ня послідовностей (ДНК, РНК та білків), що мають певне значе­н­ня (гени, їх структурні та регуляторні ділянки). Основу біо­інформатики складають компʼютерні методи аналізу послідовностей ДНК, РНК та білків. Це до­зволяє локалізувати в Г. гени за ві­домою амінокислот. послідовністю білків та про­гнозувати функції раніше неві­домих генів. Функціон. геноміка обʼ­єд­нує дослідж. особливостей екс­пресії та взаємодії комплексів генів у нормі та при патологіях. Важливим її напрямом є ви­вче­н­ня біол. функцій продуктів активності генів — РНК та білків. Викори­ста­н­ня ДНК мікроматриць до­зволяє простежити за зміною активності великої кількості генів (зокрема й онкогенів), ви­вчати пере­біг патол. процесів та про­гнозувати можливі наслідки. Функціон. геноміка тісно повʼязана з такими напрямами, як онко-, фармакогеноміка та не­стабільність Г. Порівня­н­ня структури та функціонува­н­ня Г. різних видів є предметом порівнял. геноміки. Дані із секвенува­н­ня до­зволяють виявити особливості Г. різних системат. груп та встановити філогенет. звʼязки між ними. Спільність походже­н­ня та наявність ідентич. ділянок в Г. різних видів дає можливість про­гнозувати функції генів у одного виду, якщо ці функції ві­домі у близьких чи навіть від­далених видів. Велике значе­н­ня має статист. геноміка, присвяч. аналізу залежності фенотипу від генотипу з викори­ста­н­ням генет. маркерів.

Завантажити статтю