Войти
Схема меток, объясняющая различные части прокариотического генома 
Изображение 46 хромосом, образующих диплоидный геном мужчины-человека. (митохондриальная хромосома не показана.) В областях молекулярной биологии и генетики, геном полностью генетический материал организма. Он состоит из ДНК (или РНК в РНК-вирусах ). Геном включает в себя как гены (кодирующие области ), и некодирующую ДНК, так и митохондриальную ДНК и хлоропласт. ДНК. Исследование генома называется геномика.
Термин «геном» был создан в 1920 году Хансом Винклером, профессором ботаники в Гамбургском университете, Германия. Оксфордский словарь предполагает, что название представляет собой смесь слов ген и хромосома. Однако см. omics для более подробного обсуждения. Уже существует несколько родственных слов, таких как биом и ризома, которые составляют словарь, в который систематически вписывается геном.
Последовательность генома - это полный список нуклеотидов (A, C, G и T для ДНК-геномов), которые составляют все хромосомы человека или вида. Внутри одного вида у разных особей подавляющее большинство нуклеотидов идентичны, но для понимания генетического разнообразия необходимо секвенирование нескольких особей.
Часть последовательности ДНК - прототипирование полного генома вируса В 1976 году Уолтер Файерс из Гентского университета (Бельгия) первым установил полный нуклеотид. последовательность вирусного РНК-генома (Бактериофаг MS2 ). В следующем году Фред Сэнджер завершил первую последовательность ДНК-генома: Фаг Φ-X174, из 5386 пар оснований. Первые полные последовательности генома среди всех трех доменов жизни были выпущены в течение короткого периода в середине 1990-х годов: первым секвенированным бактериальным геномом был геном Haemophilus influenzae, завершенный командой в Институт геномных исследований в 1995 году. Несколько месяцев спустя был завершен первый эукариотический геном, в результате которого были опубликованы последовательности 16 хромосом почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae в результате усилий под руководством Европы. началось в середине 1980-х гг. Первая последовательность генома для архея, Methanococcus jannaschii была завершена в 1996 году, опять же Институтом геномных исследований.
Развитие новых технологий сделало секвенирование генома значительно дешевле и проще, и количество полных последовательностей генома быстро растет. Национальный институт здравоохранения США поддерживает одну из нескольких всеобъемлющих баз данных геномной информации. Среди тысяч завершенных проектов секвенирования генома есть проекты для риса, мыши, растения Arabidopsis thaliana, рыбы фугу и бактерии E. coli. В декабре 2013 года ученые впервые секвенировали весь геном неандертальца, вымершего вида людей. Геном был извлечен из костей пальца 130000-летнего неандертальца, найденного в сибирской пещере.
Новые технологии секвенирования, такие как массивное параллельное секвенирование, также имеют открыла перспективу индивидуального секвенирования генома в качестве диагностического инструмента, впервые предложенного Manteia Predictive Medicine. Важным шагом к этой цели стало завершение в 2007 году полного генома Джеймса Д. Уотсона, одного из соавторов структуры ДНК.
В то время как последовательность генома перечисляет порядок каждой основы ДНК в геноме, карта генома определяет ориентиры. Карта генома менее подробна, чем последовательность генома, и помогает ориентироваться в геноме. Проект генома человека был организован для сопоставления и последовательности генома человека. Фундаментальным шагом в проекте стал выпуск подробной геномной карты Жаном Вайссенбахом и его командой на Genoscope в Париже.
Контрольные последовательности генома и карты продолжаются для обновления, удаления ошибок и уточнения областей высокой аллельной сложности. Снижение стоимости геномного картирования позволило генеалогическим сайтам предлагать его в качестве услуги до такой степени, что можно представить свой геном краудсорсинговым научным усилиям, таким как New York Genome Center, пример как экономии за счет масштаба, так и civil science.
Вирусные геномы могут состоять из РНК или ДНК. Геномы РНК-вирусов могут быть либо одноцепочечной РНК, либо двухцепочечной РНК и могут содержать одну или несколько отдельных молекул РНК (сегменты: одноцепочечные или многочастичный геном). ДНК-вирусы могут иметь одноцепочечный или двухцепочечный геном. Большинство геномов ДНК-вирусов состоят из одной линейной молекулы ДНК, но некоторые состоят из кольцевой молекулы ДНК.
Прокариоты и эукариоты имеют геномы ДНК. Археи и большинство бактерий имеют одну круговую хромосому, однако некоторые виды бактерий имеют линейные или множественные хромосомы. Если ДНК реплицируется быстрее, чем делятся бактериальные клетки, несколько копий хромосомы могут присутствовать в одной клетке, а если клетки делятся быстрее, чем ДНК может быть реплицирована, множественная репликация хромосомы инициируется до того, как произойдет деление, позволяя дочерним клеткам наследовать полные геномы и уже частично реплицированные хромосомы. У большинства прокариот в геномах очень мало повторяющейся ДНК. Однако некоторые симбиотические бактерии (например, Serratia symbiotica ) имеют уменьшенный геном и большую долю псевдогенов: только ~ 40% их ДНК кодирует белки.
Некоторые бактерии имеют вспомогательный генетический материал, также являющийся частью их генома, который содержится в плазмидах. Для этого слово геном не следует использовать как синоним хромосомы.
Геномы эукариот состоят из одной или нескольких линейных хромосом ДНК. Количество хромосом широко варьируется от муравьев Джек-прыгунов и бесполого немотода, каждый из которых имеет только одну пару, до видов папоротников, которые имеют 720 пар. Типичная человеческая клетка имеет две копии каждой из 22 аутосом, по одной унаследованной от каждого родителя, плюс две половые хромосомы, что делает ее диплоидной. Гаметы, такие как яйцеклетки, сперма, споры и пыльца, являются гаплоидными, что означает, что они несут только одну копию каждой хромосомы.
Помимо хромосом в ядре, органеллы, такие как хлоропласты и митохондрии, имеют свою собственную ДНК. Иногда говорят, что митохондрии имеют собственный геном, который часто называют «митохондриальным геномом ». ДНК, обнаруженная в хлоропласте, может называться «пластом ». Подобно бактериям, из которых они произошли, митохондрии и хлоропласты имеют круговую хромосому.
В отличие от прокариот, эукариоты имеют экзон-интронную организацию генов, кодирующих белок, и различное количество повторяющейся ДНК. У млекопитающих и растений большая часть генома состоит из повторяющейся ДНК.
Последовательности ДНК, которые несут инструкции по созданию белков, называются кодирующими последовательностями. Доля генома, занятая кодирующими последовательностями, широко варьируется. Геном большего размера не обязательно содержит больше генов, и доля неповторяющейся ДНК уменьшается вместе с увеличением размера генома у сложных эукариот.
Состав генома человека Некодирующие последовательности включают интроны, последовательности некодирующих РНК, регуляторные области и повторяющаяся ДНК. Некодирующие последовательности составляют 98% генома человека. В геноме есть две категории повторяющейся ДНК: тандемные повторы и чередующиеся повторы.
Короткие некодирующие последовательности, которые повторяются прямо в одну сторону. хвост называется тандемными повторами. Микросателлиты состоят из 2-5 повторов пар оснований, в то время как минисателлитные повторы имеют длину 30-35 п.н. Тандемные повторы составляют около 4% генома человека и 9% генома плодовой мушки. Тандемные повторы могут быть функциональными. Например, теломеры состоят из тандемного повтора TTAGGG у млекопитающих, и они играют важную роль в защите концов хромосомы.
В других случаях увеличение количества тандемных повторов в экзонах или интронах может вызвать заболевание. Например, ген хантингтина человека обычно содержит 6–29 тандемных повторов нуклеотидов CAG (кодирующих полиглутаминовый тракт). Расширение до более чем 36 повторов приводит к болезни Хантингтона, нейродегенеративному заболеванию. Известно, что двадцать заболеваний человека возникают в результате одинаковых тандемных повторений в различных генах. Механизм, с помощью которого белки с расширенными полигулатаминовыми путями вызывают гибель нейронов, полностью не изучен. Одна из возможностей заключается в том, что белки не могут правильно уложиться и избежать деградации, вместо этого они накапливаются в агрегатах, которые также секвестируют важные факторы транскрипции, тем самым изменяя экспрессию генов.
Тандемные повторы обычно вызываются проскальзыванием во время репликации, неравным кроссинговером и генная конверсия.
Мобильные элементы (TE) представляют собой последовательности ДНК с определенной структурой, которые способны изменять свое положение в геноме. TE классифицируются как TE класса I, которые реплицируются с помощью механизма копирования и вставки, или TE класса II, которые могут быть вырезаны из генома и вставлены в новое место.
Движение ТЕ является движущей силой эволюции генома у эукариот, поскольку их вставка может нарушить функции генов, гомологичная рекомбинация между ТЕ может вызывать дупликации, а ТЕ может перемещать экзоны и регуляторные последовательности в новые места.
Ретротранспозоны можно транскрибировать в РНК, которая затем дублируется в другом сайте генома. Ретротранспозоны можно разделить на длинные концевые повторы (LTR) и недлинные концевые повторы (Non-LTR).
Длинные концевые повторы (LTR) происходят от древних ретровирусных инфекций, поэтому они кодируют белки, родственные ретровирусным белкам, включая гены gag (структурные белки вируса), pol (обратная транскриптаза и интеграза), pro (протеаза) и в некоторых случаях env (оболочки). Эти гены фланкированы длинными повторами как на 5 ', так и на 3' концах. Сообщалось, что LTR составляют наибольшую долю в геноме большинства растений и могут объяснять огромные различия в размере генома.
Недлинные концевые повторы (Non-LTR) классифицируются как с длинными вкраплениями ядерные элементы (LINEs), короткие вкрапленные ядерные элементы (SINE) и элементы, подобные Пенелопе (PLEs). В Dictyostelium discoideum есть еще один DIRS-подобные элементы, принадлежащие к Non-LTR. Не-LTR широко распространены в геномах эукариот.
Длинные вкрапленные элементы (LINE) кодируют гены обратной транскриптазы и эндонуклеазы, что делает их автономными мобильными элементами. В геноме человека около 500 000 LINE, что составляет около 17% генома.
Короткие вкрапленные элементы (SINE) обычно состоят из менее 500 пар оснований и не автономны, поэтому они полагаются на белки, кодируемые LINE. для транспозиции. Элемент Alu является наиболее распространенным SINE, обнаруживаемым у приматов. Он составляет около 350 пар оснований и занимает около 11% генома человека с примерно 1 500 000 копий.
Транспозоны ДНК кодируют фермент транспозазы между инвертированными концевыми повторами. При экспрессии транспозаза распознает концевые инвертированные повторы, фланкирующие транспозон, и катализирует его вырезание и повторное внедрение в новый сайт. Этот механизм вырезания и вставки обычно повторно вставляет транспозоны рядом с их исходным местоположением (в пределах 100 КБ). Транспозоны ДНК обнаружены в бактериях и составляют 3% генома человека и 12% генома круглого червя C. elegans.
Log-log график общего количества аннотированных белков в геномах, представленных в GenBank, как функция размера генома. Размер генома общее количество пар оснований ДНК в одной копии гаплоидного генома. Размер генома широко варьируется в зависимости от вида. У человека ядерный геном состоит примерно из 3,2 миллиарда нуклеотидов ДНК, разделенных на 24 линейных молекулы, самые короткие 50 000 000 нуклеотидов в длину и самые длинные 260 000 000 нуклеотидов, каждая из которых содержится в разных хромосомах. Нет четкой и последовательной корреляции между морфологической сложностью и размером генома ни у прокариот, ни у эукариот ниже. Размер генома в значительной степени является функцией расширения и сжатия повторяющихся элементов ДНК.
Поскольку геномы очень сложны, одна из стратегий исследования состоит в том, чтобы уменьшить количество генов в геноме до минимума и при этом сохранить жизнеспособность рассматриваемого организма. Проводятся экспериментальные работы по минимальным геномам одноклеточных организмов, а также минимальным геномам многоклеточных организмов (см. Биология развития ). Работа выполнена как in vivo, так и in silico.
Вот таблица некоторых важных или репрезентативных геномов. См. # См. Также для списков секвенированных геномов.
| Тип организма | Организм | Размер генома. (пары оснований ) | Примерное количество генов | Примечание | |
|---|---|---|---|---|---|
| Вирус | Цирковирус свиней тип 1 | 1,759 | 1,8kb | Наименьшие вирусы, автономно реплицирующиеся в эукариотических клетках. | |
| Вирус | Бактериофаг MS2 | 3,569 | 3,5kb | Первый секвенированный РНК-геном | |
| Вирус | SV40 | 5,224 | 5,2kb | ||
| Вирус | Фаг Φ- X174 | 5,386 | 5,4kb | Первый секвенированный ДНК-геном | |
| Вирус | ВИЧ | 9,749 | 9,7kb | ||
| Вирус | Фаг λ | 48,502 | 48,5kb | Часто используется в качестве вектора для клонирования рекомбинантной ДНК. | |
| Вирус | Мегавирус | 1,259,197 | 1,3 МБ | До 2013 года самый крупный известный вирусный геном. | |
| Вирус | Pandoravirus salinus | 2,470,000 | 2.47Mb | Самый большой известный вирусный геном. | |
| Эукариотическая органелла | Человеческая митохондрия | 16,569 | 16.6kb | ||
| Bacterium | Nasuia deltocephalinicola (штамм NAS-ALF) | 112,091 | 112kb | 137 | Наименьший известный невирусный геном. Симбионт цикадки. |
| Bacterium | Carsonella ruddii | 159,662 | 160kb | эндосимбионт псиллид насекомых | |
| Bacterium | Buchnera aphidicola | 600,000 | 600kb | Эндосимбионт тли | |
| Bacterium | Wigglesworthia glossinidia | 700,000 | 700Kb | A симбионт в кишечнике мухи цеце | |
| Bacterium - cyanobacterium | Prochlorococcus spp. (1,7 Мб) | 1,700,000 | 1,7 Мб | 1,884 | Наименьший известный геном цианобактерий. Один из основных фотосинтезаторов на Земле. |
| Bacterium | Haemophilus influenzae | 1,830,000 | 1.8Mb | Первый секвенированный геном живого организма, июль 1995 г. | |
| Bacterium | Escherichia coli | 4,600,000 | 4.6Mb | 4,288 | |
| Bacterium - cyanobacterium | Nostoc punctiforme | 9,000,000 | 9Mb | 7,432 | 7432 открытые рамки считывания |
| Bacterium | (штамм Ellin 6076) | 9,970,000 | 10Mb | ||
| амебоид | Polychaos dubium ("Amoeba" dubia) | 670,000,000,000 | 670Gb | Самый большой известный геном. (Спорные) | |
| Завод | Genlisea Tuberosa | 61000000 | 61Mb | Наименьший записано цветущих растений генома, 2014. | |
| Завод | Резуховидка Таля | 135,000,000 | 135 Mb | 27,655 | Секвенирование первого генома растения, декабрь 2000 г. |
| Растение | Populus trichocarpa | 480,000,000 | 480Mb | 73,013 | Секвенирование генома первого дерева, сентябрь 2006 г. |
| Растение | Fritillaria assyriaca | 130,000,000,000 | 130Gb | ||
| Завод | Париж japonica (родом из Японии, бледно-лепестковый) | 150,000,000,000 | 150Gb | Самый крупный известный геном растения | |
| Растение - мох | Physcomitrella patens | 480,000,000 | 480Mb | Секвенирован первый геном мохообразных, январь 2008 г. | |
| Fungus - дрожжи | Saccharomyces cerevisiae | 12,100,000 | 12,1Mb | 6,294 | Первый секвенированный геном эукариот, 1996 г. |
| Fungus | Aspergillus nidulans | 30,000,000 | 30Mb | 9, 541 | |
| Нематода | Pratylenchus coffeae | 20,000,000 | 20Mb | Наименьший известный геном животного | |
| Нематода | Caenorhabditis elegans | 100,300,000 | 100Mb | 19,000 | Первое секвенирование генома многоклеточного животного, декабрь 1998 г. |
| Насекомое | Drosophila melanogaster (плодовая муха) | 175,000,000 | 175Mb | 13,600 | Изменение размера в зависимости от деформации (175–180 МБ; стандартный штамм yw составляет 175Mb) |
| Насекомое | Apis mellifera (медоносная пчела) | 236,000,000 | 236Mb | 10,157 | |
| Насекомое | Bombyx mori (шелковая моль) | 432,000,000 | 432Mb | 14,623 | 14623 предсказанных гена |
| Насекомое | Solenopsis invicta (огненный муравей) | 480,000,000 | 480Mb | 16,569 | |
| Млекопитающее | Mus musculus | 2,700,000,000 | 2,7 ГБ | 20210 | |
| Млекопитающее | Pan paniscus | 3 286 640 000 | 3,3 ГБ | 20 000 | Бонобо - предполагаемый размер генома 3,29 млрд п.н. |
| млекопитающее | Homo sapiens | 3,000,000,000 | 3Gb | 20,000 | Размер генома Homo sapiens в 2001 г. оценивался в 3,2 Гбит / с Первоначальное секвенирование и анализ генома человека |
| Птица | Gallus gallus | 1,043,000,000 | 1,0Gb | 20,000 | |
| Рыба | Tetraodon nigroviridis (вид рыбы фугу) | 385000000 | 390Mb | Наименьший известный геном позвоночных должен быть 340 МБ - 385 МБ. | |
| Рыба | Protopterus aethiopicus (мраморная двоякодышащая рыба) | 130,000,000,000 | 130Gb | Самый большой известный геном позвоночных | |
Все клетки организма происходят из одной клетки, поэтому ожидается, что они будут иметь идентичные геномы; однако в некоторых случаях возникают различия. Как процесс копирования ДНК во время деления клеток, так и воздействие мутагенов окружающей среды могут привести к мутациям в соматических клетках. В некоторых случаях такие мутации приводят к раку, потому что они заставляют клетки быстрее делиться и вторгаться в окружающие ткани. В некоторых лимфоцитах иммунной системы человека V (D) J-рекомбинация генерирует различные геномные последовательности, так что каждая клетка продуцирует уникальные антитела или рецепторы Т-клеток.
Во время мейоза диплоидные клетки дважды делятся с образованием гаплоидных зародышевых клеток. Во время этого процесса рекомбинация приводит к перетасовке генетического материала из гомологичных хромосом, поэтому каждая гамета имеет уникальный геном.
Общегеномное репрограммирование в мышиных примордиальных половых клетках включает эпигенетическое стирание импринта, ведущее к тотипотентности. Перепрограммированию способствует активное деметилирование ДНК, процесс, который включает в себя путь эксцизионной репарации оснований ДНК. Этот путь используется для стирания метилирования CpG (5mC) в первичных половых клетках. Стирание 5mC происходит за счет его превращения в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC) под действием высоких уровней десять-одиннадцати ферментов диоксигеназы TET1 и TET2.
Геномы представляют собой нечто большее, чем сумма генов организма, и обладают чертами, которые могут быть измерены и изучены без ссылки на детали каких-либо конкретных генов и их продуктов. Исследователи сравнивают такие признаки, как кариотип (число хромосом), размер генома, порядок генов, систематическая ошибка использования кодонов и GC-контент с определить, какие механизмы могли привести к появлению большого разнообразия геномов, существующих сегодня (последние обзоры см. в Brown 2002; Saccone and Pesole 2003; Benfey and Protopapas 2004; Gibson and Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005).
Дупликации играют важную роль в формировании генома. Дупликация может варьироваться от удлинения коротких тандемных повторов до дублирования кластера генов и вплоть до дублирования целых хромосом или даже целых геномов. Такие дупликации, вероятно, фундаментальны для создания генетической новизны.
Горизонтальный перенос генов используется для объяснения того, почему часто существует крайнее сходство между небольшими частями геномов двух организмов, которые в остальном очень отдаленно связаны. Горизонтальный перенос генов, по-видимому, распространен среди многих микробов. Кроме того, эукариотические клетки, похоже, испытали перенос некоторого генетического материала из своих хлоропластных и митохондриальных геномов в свои ядерные хромосомы. Недавние эмпирические данные предполагают важную роль вирусов и субвирусных РНК-сетей, которые представляют главную движущую роль в создании генетической новизны и естественного редактирования генома.
Научно-фантастические произведения иллюстрируют озабоченность по поводу доступности последовательностей генома.
Роман Майкла Крайтона 1990 года Парк Юрского периода и последующий фильм рассказывают историю миллиардера, который создает тематический парк клонированных динозавров на отдаленном острове, что привело к катастрофическим последствиям.. Генетик извлекает ДНК динозавров из крови древних комаров и заполняет пробелы ДНК современных видов, чтобы создать несколько видов динозавров. Теоретика хаоса просят высказать свое экспертное мнение о безопасности создания экосистемы с динозаврами, и он неоднократно предупреждает, что результаты проекта будут непредсказуемыми и, в конечном итоге, неконтролируемыми. Эти предупреждения об опасностях использования геномной информации - основная тема книги.
Действие фильма 1997 года Гаттака разворачивается в футуристическом обществе, где геномы детей спроектированы таким образом, чтобы содержать наиболее идеальную комбинацию черт их родителей и таких показателей, как риск сердечных заболеваний и прогнозируемые продолжительность жизни документируется для каждого человека на основе его генома. Люди, рожденные вне программы евгеники, известные как «недействительные», подвергаются дискриминации и переходят к черным профессиям. Главный герой фильма - Недействительный, который пытается преодолеть предполагаемые генетические разногласия и осуществить свою мечту о работе космическим навигатором. Фильм предостерегает от будущего, в котором геномная информация питает предрассудки и крайние классовые различия между теми, кто может и не может позволить себе генетически модифицированных детей.
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Геном |
