Сколько мусора внашей днк?

      Комментарии к записи Сколько мусора внашей днк? отключены

Сколько мусора внашей днк?

Узнаваемый молекулярный биолог Дэвид Пенни из Центра эволюции Аллена и молекулярной экологии Вилсона в новозеландском Университете Массей как-то сообщил: «Я бы очень гордился работой в группе, которая создала геном кишечной палочки. Но я бы ни при каких обстоятельствах не согласился, что принимал участие в проектировании генома человека. Ни в одном университете данный проект не имели возможность так сломать».

Тема о количестве мусора в отечественной ДНК — одна из самых «тёплых» тем в научном сообществе. Около этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии.

Мало молекулярной генетики

Отметим, что в базе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК. Она является полимером из четырех типов мономеров (нуклеотидов): аденина (A), тимина (T), цитозина (С) и гуанина (G) — и уложена в хромосомы. У человека 23 пары расположенных в ядре хромосом (22 пары неполовых и одна пара половых).

Они и составляют базу отечественного генома (еще 37 генов содержат кольцевые ДНК митохондрий). Если бы мы забрали одну клетку человека, сшили целый диплоидный (парный) комплект хромосом совместно и вытянули в нить, то взяли бы молекулу длиной в два метра, складывающуюся из шести миллиардов пар оснований (нуклеотидов). Три миллиарда от папы и три — от мамы.

Самый изученный тип функциональных последовательностей ДНК — гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула РНК, которая после этого играет роль матрицы для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность. Кодирующая часть молекулы РНК возможно поделена на тройки нуклеотидов (кодоны), каковые или соответствуют некоей аминокислоте, или определяют место окончания синтеза белка (стоп-кодоны).

Правило соответствия кодонов аминокислотам именуется генетическим кодом. К примеру, кодон GCC кодирует аминокислоту аланин.

Померимся генами?

Когда-то пологали, что у столь сложного организма, как человек, должно быть довольно много генов. В то время, когда проект «Геном человека» доходил к завершению, ученые кроме того устроили тотализатор: какое количество генов будет найдено? Каково же было их удивление, в то время, когда оказалось, что количество генов у человека и мелкого круглого червя Caenorhabditis elegans приблизительно однообразное.

У червяка около 20 000 генов, а у нас — 20−25 тысяч. Для «венца творения» факт достаточно обидный, в особенности в случае если учесть, что существует большое количество организмов как с громадным по размеру геномом (геном двоякодышащей рыбы протоптер, Protopterus aethiopicus, в 40 раза больше человеческого), так и с громадным числом генов (у риса — 32−50 тысяч генов).

Но в действительности у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же необходимы остальные 98%? Может, в том месте прячется секрет отечественной сложности? Оказалось, что существуют серьёзные некодирующие участки ДНК.

К примеру, это участки промоторов — последовательностей нуклеотидов, на каковые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих работу генов. Это теломеры, защищающие финиши хромосом, и центромеры, нужные для верного расхождения хромосом по различным полюсам клеток при делении.

Известны кое-какие регуляторные молекулы РНК (к примеру, микроРНК, мешающие синтезу белков соответствующих генов на матричной РНК — копии гена-исходника), и молекулы РНК, входящие в состав серьёзных ферментативных комплексов — к примеру, рибосом, каковые собирают из отдельных аминокислот белки, передвигаясь по матричной РНК. Имеется и другие примеры ответственных некодирующих участков ДНК.

Однако большинство отечественного генома напоминает пустыню: повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, каковые когда-то в далеком прошлом встраивались в геномы предков; так именуемые эгоистичные мобильные элементы — последовательности ДНК, талантливые перескакивать из одного участка генома в второй; разные псевдогены — нуклеотидные последовательности, потерявшие свойство кодировать белки в следствии мутаций, но все еще сохранившие кое-какие показатели генов. Это далеко не полный перечень «призраков», обитающих на «кладбище генома».

    Плодовая муха дрозофила Drosophila melanogaster Геном модельной мухи. Геном: 120 млн пар оснований. Генов: 13?500 Свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans Мелкий модельный геном животного. Геном: 100 млн пар оснований. Генов: ~20 000 Частично синтетическая бактерия Mycoplasma laboratorium Синтетический геном, в котором закодированы имена синтезировавших его ученых.

Геном: 580?000 пар оснований. Генов: 381 Резуховидка Таля Arabidopsis thaliana Мелкий модельный растительный геном. Геном: 119 млн пар оснований.

Генов: ~25 000 Мимивирус Acanthamoeba polyphaga mimivirus Самый громадный узнаваемый геном вируса. Геном: 1?181?404 пар оснований. Генов: 979 Двоякодышащая рыба протоптер Protopterus aethiopicus Самый громадный узнаваемый геном.

Геном: 133 млрд пар оснований. Генов: большое количество СПИД (ВИЧ) Скоро изменяющийся геном СПИДа. Геном: 9749 пар оснований (но уже мутировал). Генов: 9, но они кодируют 18 белков Рыба фугу Fugu rubripes Самый мелкий узнаваемый геном позвоночного.

Геном: 390 млн пар оснований. Генов: 20−28 тысяч Лук репчатый Allium cepa Один из самых громадных растительных геномов. Геном: 16 млрд пар оснований. Генов: неизвестно Антарктические бескрылые комары-звонцы Belgica antarctica Самый мелкий геном членистоногих. Геном: 99 млн пар оснований. Генов: ~14 000 Бактерия Hodgkinia cicadicola Самый мелкий узнаваемый геном бактерии. Бактерия-симбионт с нестандартным генетическим кодом.

Геном: 144 000 пар оснований. Генов: 189 Человек разумный Homo sapiens Геном предположительно на 90% складывается из мусора. Геном: 3 млрд пар оснований. Генов: 20−25 тысяч

Минимальная мышь

Существует точка зрения, что большинство генома человека нефункциональна. В 2004 году издание Nature разместил статью, обрисовывавшую мышей, из генома которых были вырезаны большие фрагменты некодирующей ДНК размером в 0,8 а также 1,5 млн нуклеотидов. Было продемонстрировано, что эти мыши не отличаются от простых строением тела, развитием, длительностью судьбы либо свойством оставлять потомство.

Очевидно, какие-то отличия имели возможность остаться незамеченными, но в целом это был важный довод в пользу существования «мусорной ДНК», от которой возможно избавиться без особенных последствий. Само собой разумеется, было бы весьма интересно вырезать не несколько миллионов нуклеотидов, а миллиард, покинув лишь предсказанные последовательности генов и узнаваемые функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную «минимальную мышь», и сможет ли она нормально существовать?

Может ли человек обойтись геномом длиной только в полметра? Быть может, когда-нибудь мы об этом определим. Тем временем еще один ответственный довод в пользу существования мусорной ДНК — наличие хватает близких организмов с весьма различными размерами геномов.

Геном рыбы фугу приблизительно в восьмеро меньше, чем геном человека (не смотря на то, что генов в нем приблизительно столько же), и в 330 раз меньше, чем геном уже упомянутой рыбы протоптер. Если бы любой нуклеотид в геноме был функционален, то неясно, для чего луку геном в пять раз больший, чем у нас?

На большие различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно. Считается, что именно Оно ввел термин «мусорная ДНК» (junk DNA). Еще в первой половине 70-ых годов двадцатого века, задолго перед тем, как был прочтён геном человека, Оно высказал похожие на правду представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора» в нем.

В собственной статье «Столько мусорной ДНК в отечественном геноме» он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30000 генов. Это число, в то время совсем не очевидное, выяснилось страно близко к настоящему, которое определили десятки лет спустя. Помимо этого, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.

    Райан Грегори, эксперт по эволюционной биологии и интегративной геномике, адъюнкт-доктор наук канадского Университета Гэльфа в провинции Онтарио: «Луковый тест — хорошая проверка для любого, кто считает, что любой нуклеотид в людской геноме имеет определенную функцию. Независимо от того, каковы эти предполагаемые функции, спросите себя: для чего простому репчатому луку нужен геном приблизительно в пять раза больше вашего?»

Находка либо мусор?

Вызов представлению о существовании мусорной ДНК кинул проект ENCODE — The Encyclopedia of DNA Elements, «Энциклопедия элементов ДНК» (первые его результаты размещены в издании Nature в 2012 году). Взяв бессчётные экспериментальные информацию о том, какие конкретно части генома человека взаимодействуют с разными белками, участвуют в транскрипции — синтезе РНК-копий генов для трансляции (синтеза белка из аминокислот на матрице информационной РНК) — или других химических процессах, авторы заключили , что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Очевидно, этот тезис привёл к бурному обсуждению в научном сообществе.

Одна из самые ироничных статей, опубликованная Дэном Грауром, экспертом по молекулярной эволюционной биоинформатике, доктором наук Хьюстонского университета, и его сотрудниками в 2013 году в издании Genome biology and evolution, именуется так: «О бессмертии телевизоров: «функция» в геноме человека по лишенному эволюции Евангелию от ENCODE». Ее авторы отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна. Так, один из них скоро уточнил в издании Genomicron, что речь заходит не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40%, а второй (в статье в Scientific American) и вовсе снизил показатель до 20%, но наряду с этим настаивал , что термин «мусорная ДНК» необходимо устранить из лексикона.

Согласно точки зрения авторов статьи «О бессмертии телевизоров», члены консорциума ENCODE через чур вольно интерпретируют термин «функция». К примеру, существуют белки, каковые именуют гистонами. Они смогут связывать молекулу ДНК и оказывают помощь ей компактно укладываться. Гистоны смогут подвергаться определенным химическим модификациям.

В соответствии с ENCODE, предположительная функция одной из таких модификаций гистонов — «предпочтение пребывать в 5′-финише генов» (5′-финиш — это финиш гена, от которого движутся ферменты ДНК- и РНК-полимеразы при копировании ДНК либо при транскрипции). «Приблизительно так же возможно заявить, что функция Белого дома — занимать площадь почвы по адресу 1600, Пенсильвания-авеню, Вашингтон, округ Колумбия», — отмечают оппоненты.

Появляется неприятность и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что к определенному участку ДНК способен прикрепляться серьёзный для функционирования клетки белок, и исходя из этого ENCODE приписывает этому участку «функцию». К примеру, некий транскрипционный фактор — белок, инициирующий синтез информационной (матричной) РНК — связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA.

Разглядим две аналогичные последовательности TATAAA в различных частях генома. По окончании того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза другого серьёзного белка. Мутации (замены любого из нуклеотидов) в данной последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться не хорошо, белок не будет синтезирован, и это, вероятнее, очень плохо скажется на выживании организма.

Исходя из этого верная последовательность TATAAA будет поддерживаться в данном месте генома посредством естественного отбора, и в этом случае уместно сказать о наличии у нее функции.

Вторая последовательность TATAAA появилась в геноме по случайным обстоятельствам. Потому, что она аналогична первой, с ней также связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, исходя из этого связывание ни к чему не приводит. В случае если в этом участке появится мутация, ничего не изменится, организм не пострадает. В этом случае говорить о функции второго участка TATAAA ненужно.

Но, может оказаться, что наличие в геноме громадного количества последовательностей TATAAA далеко от генов необходимо легко чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его действенную концентрацию. При таких условиях отбор будет регулировать число таких последовательностей в геноме.

Дабы доказать, что некий участок ДНК функционален, не хватает продемонстрировать, что в этом участке происходит некоторый биологический процесс (к примеру, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией владеют участки ДНК, каковые вовлечены в транскрипцию. «Но из-за чего необходимо заострять внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, тогда как возможно заявить, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом химическом ходе — репликации!», — опять шутит Граур.

Хорошим критерием функциональности участка ДНК есть то, что мутации в нем достаточно вредны и большие трансформации этого участка не наблюдаются много поколений. Как выяснить такие участки? Тут на помощь и приходит биоинформатика, современная наука на стыке биологии и математики об анализе последовательностей генов и белков.

Мы можем забрать геномы мыши и человека и отыскать в них все похожие участки ДНК. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов весьма похожи. К примеру, гены, нужные для синтеза рибосомальных белков, достаточно консервативны, другими словами мутации в них достаточно вредны, дабы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства.

Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от негативных мутаций. Другие участки геномов будут иметь большие расхождения между видами, что показывает на то, что мутации в этих участках, вероятнее, безвредны, соответственно, их функциональная роль мала либо не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов. В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора.

Оказалось, что к ним относятся лишь около 6,5−10% генома, причем некодирующие участки, в отличие от кодирующих, значительно меньше подвержены отрицательному отбору. Получается, что с позиций эволюционных параметров функциональны менее 10% генома человека. Обратите внимание, как близок к данной оценке был Оно в первой половине 70-ых годов двадцатого века!

Репликация

Репликация (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской. При следующем за этим делении любая из дочерних клеток приобретает по одной копии молекулы ДНК, аналогичной ДНК исходной материнской клетки. Репликацию ДНК осуществляет реплисома — сложный ферментный комплекс, складывающийся из 15−20 разных белков.

Мусорная крепость

Но неужто остальные 90% генома человека — мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Имеется мысли, что громадный размер генома возможно нужен сам по себе. У бактерий репликация генома является серьёзным ограничивающим причиной, требующим больших затрат энергии. Исходя из этого их геномы, в большинстве случаев, мелкие, а от всего лишнего они избавляются.

У больших организмов, в большинстве случаев, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь солидный вклад в общее число энергозатрат организма на фоне затрат на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и т. д. Одновременно с этим громадной геном возможно ответственным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций, возможно нужных в ходе эволюции. Мобильные элементы смогут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов.

Другими словами организмы с большими геномами теоретически смогут стремительнее приспособиться к условиям среды, расплачиваясь относительно маленькими дополнительными затратами на репликацию более большого генома. Подобный эффект мы не найдём у отдельного организма, но он может играться ключевую роль на уровне популяции.

Наличие большого генома может кроме этого уменьшать возможность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и во многих случаях к раку). Иными словами, нельзя исключать, что естественный отбор может функционировать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на сохранение определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и т. д.

Но, не смотря на то, что мысль, что лишь 80% либо кроме того 20% генома человека функциональны — спорна, это вовсе не означает, что критике подлежит целый проект ENCODE. В его рамках получено огромное количество информации о том, как различные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и т. д. Эти сведенья воображают громадной интерес для экспертов. Но чуть ли в скором будущем удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.

В два раза умнее мух

Мысль тотализатора по поводу числа людских генов пришла в голову врачу Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-на данный момент-Харбор незадолго до завершения проекта «Геном человека». По мере приближения к финалу, с 2000 по 2002 год, ставки выросли с 1 американского доллара до 20.

В следствии банк поделили «на троих»: Пол Дир из Английского совета по медицинским изучениям, что еще в 2000 году поставил на дату собственного рождения — 27.04.1962 — 27 462, Ли Роуэн из Университета системной биологии в Сиэтле — в 2001 году она поставила на число 25 947, и Оливер Джейлон из французской компании Genoscope (26 500). В то время, когда главного победителя — врача Дира — задали вопрос, как ему удалось уже давно, в то время, когда все пологали, что генов у человека не меньше 50 000, предугадать число с таковой точностью, он ответил: «Дело было в баре, глубокой ночью. Замечая за поведением выпивающих людей, я поразмыслил, что оно слабо отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям достаточно».

Каша ехала на котоцикле

Время от времени в массмедиа возможно услышать некорректную фразу «генетический код мутировал». Но мутации происходят не в коде, а в молекуле ДНК (в геноме). В следствии изменяются нуклеотидные последовательности.

Это возможно сравнить с заменой буквы в слове. К примеру, фраза «Маша ехала на мотоцикле» преобразовывается во фразу «Саша ехала на мотоцикле», в случае если одна буква М «мутировала» в букву С. Изменение генетического кода намного важнее — это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буква М неожиданно превратилась в букву К. Сейчас у нас «Каша ехала на котоцикле». Ясно, что такие трансформации приводят к большим последствиям и исходя из этого в природе происходят очень редко. Но происходят!

К примеру, у некоторых инфузорий один из стоп-кодонов может кодировать аминокислоту глутамин. Но это скорее исключение, чем правило. У многих организмов одинаковый генетический код: к примеру, у человека, у червяка либо огурца.

А вот геномы у этих организмов различаются сильно. Тот же алфавит, но второй текст.

Создатель — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции ИППИ РАН

Создатель благодарит Евгению Дуеву и Юрия Панчина за помощь в написании статьи. Редакция высказывает признательность сайту «Биомолекула».

Статья «какое количество мусора в отечественной ДНК?» размещена в издании «Популярная механика» (№147, январь 2015).

Гаряев П.П РЕГЕНЕРАЦИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ОРГАНОВ Как управлять стволовыми клетками мусорные ДНК


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: