Характеристика генома человека
Понятие наследственности и изменчивости
Наследственность и изменчивость обеспечиваются
функционированием особого материального субстрата (генетического аппарата). На
современном этапе представления о природе генетического аппарата позволяют
выделить три уровня его организации: генный, хромосомный, геномный. При этом
термин "геном" означает полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех
генов и межгенных участков. Можно считать, что геном - полный набор инструкций
для формирования и функционирования индивида.
Общие принципы построения геномов и их
структурно-функциональную организацию изучает геномика. В рамках этого
направления проводится секвенирование, картирование и идентификация функций
генов и внегенных элементов. Задачей геномики является расшифровка новых
биологических систем и процессов. Геномика человека является основой
молекулярной медицины и имеет большое значение для разработки методов
диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных
заболеваний. Большое значение для медицины имеют исследования в области геномики
патогенных микроорганизмов. Полученные в этих исследований результаты ценны для
понимания инфекционного процесса и позволяют создавать лекарства, действующие на
специфические мишени бактерий.
Направления геномики
Геномика подразделяется на несколько почти
самостоятельных направлений: структурную, функциональную,
сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику. Структурная геномика изучает
последовательность нуклеотидов в геномах, определяет строение и границы генов,
межгенных участков и других структурных генетических элементов. Функциональная
геномика идентифицирует функции каждого гена и участка генома, их взаимодействие
в клеточной системе. Сравнительная геномика изучает сходства и различия в
организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их
строения и функционирования. Эволюционная геномика объясняет пути эволюции
геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль
горизонтального переноса генов. Медицинская геномика решает прикладные вопросы
клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и
патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней,
генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов). Геномика
микроорганизмов имеет прямое отношение к клинической медицине. Структурные и
функциональные исследования геномов патогенных бактерий показали их высокую
пластичность.
Эти представления имеют непосредственное практическое
значение:
-
они используются для разработки экспресс-методов типирования
бактерий и оценки риска бактериальной контаминации;
-
для создания лекарств, направленных на специфические мишени,
блокирующие работу генов патогенности;
-
для более целенаправленного создания
вакцин.
Практическое приложение сведений о нуклеотидной
последовательности геномов многих патогенных вирусов уже широко реализуется.
Генно-инженерным путем создаются непатогенные фрагменты геномов вирусов. Такие
фрагменты способны к экспрессии в высоких концентрациях белков вирусов, которые
необходимы для приготовления диагностических и вакцинальных препаратов.
Развивается технология приготовления ДНК-вакцин против СПИДа, гепатита С и
других вирусных инфекций. В предыдущие годы основное внимание в изучении
наследственности человека было сосредоточено на структурной геномике, теперь же
основные исследования проводятся в русле функциональной геномики. С точки зрения
общей патологии произошло изменение направления изучения от этиологии
наследственных болезней (специфические мутации) к их патогенезу (механизмы
формирования патологического фенотипа). Акцент в изучении наследственной
патологии сместился с моногенных болезней и анализа одного гена в сторону
мультифакториальных болезней, анализа множественных генов и изучения
предрасположенности.
Организация генома
Организация генома человека (как и каждого эукариотического
вида) представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, генов
с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного
набора вместе с внеядерной ДНК.
Основное внимание в генетике всегда уделялось гену, который и
является элементарной функциональной единицей наследственности, определяющей
возможность развития отдельного признака клетки или организма. Передачей генов в
ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность -
наследование потомками признаков родителей. Основные свойства гена как
функциональной единицы материала наследственности и изменчивости определяются
его химической организацией.
Исследования химической природы наследственного материала,
неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и
изменчивости являются нуклеиновые кислоты. Это полимеры, состоящие из
мономеров-нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и
азотистое основание. Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:
дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Более химически
устойчивым компонентом является ДНК, которая и представляет собой субстрат
наследственности и изменчивости. Согласно модели Д. Уотсона и Ф. Крика, молекула
ДНК представляет собой замкнутую спиралевидную двойную цепь, звенья которой
составляют нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара - дезоксирибозы,
фосфорной кислоты и одного азотистого - пуринового (аденин, гуанин) или
пиримидинового (цитозин, тимин) основания. Азотистое основание в каждом
нуклеотиде соединено с молекулой дезоксирибозы. Все нуклеотиды связаны между
собой через дезоксирибозу и остатки фосфорной кислоты. Следовательно, нить ДНК
состоит из чередующихся молекул оксирибозы, фосфорной кислоты и азотистых
оснований. Нити ДНК соединены друг с другом водородными атомами через азотистые
основания так, что против пуринового основания всегда располагается
пиримидиновое. Такими парами являются аденин и тимин, гуанин и цитозин. Эти пары
оснований называются комплементарными. Одним из основных свойств материала
наследственности является его способность к самокопированию -
репликации.
|
