ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 7. Генетика людини

ГЕНОМ ЛЮДИНИ

Проект розшифрування геному людини (Human Genome Project) був одним із найамбітніших наукових проектів ХХ століття. Він тривав 13 років і закінчився у 2003 р. Проект мав на меті побудувати достатньо точну генетичну карту (з кроком 2-5 сМ), отримати послідовність 3 млрд пар основ ДНК, ідентифікувати генні послідовності, визначити геномні варіації. У результаті виконання проекту побудована генетична карта з кроком у 1 сМ, отримані послідовності 99,9 % еухроматинових ділянок геному з точністю 99,99 %, отримано 15 тис. повних кДНК (змістовних послідовностей білкових генів, див. розділ 9) та ідентифіковано близько 3 млн нуклеотидів, що варіюють у геномах людини (SNP - single nucleotide polymorphism).

Традиційно геном людини представляють як сукупність послідовностей ДНК 22 аутосом і двох статевих хромосом X та Y. Незважаючи на великий розмір геному (приблизно 3,2 млрд пар основ), верхня оцінка кількості білкових генів у геномі людини не перевищує 25 тис.

(ідентифікація всіх генів РНК є досить далекою від остаточного завершення). Останні версії каталогу білкових генів людини включають близько 21 тис. білкових генів і 4 тис. генів РНК (остання оцінка є напевно заниженою). Загальна довжина кодуючих ділянок генів дорівнює приблизно 34 млн пар основ, тобто становить 1,2 % геному. Складнішим є визначення зв'язку між генним локусом, продуктом і фенотипом, який він може зумовлювати. На 15 жовтня 2008 р. база даних OMIM містила тільки 12 тис. 514 генів, для яких відомі фенотипові прояви.

Щодо мітохондріальної ДНК людини, геном мітохондрій представлений кільцевою молекулою ДНК розміром 16 тис. 569 пар основ і містить 37 генів: гени білків, які беруть участь в окисному фосфорилю- ванні, 2 гени рРНК і 22 гени тРНК.

Ядерна геномна ДНК людини, як у інших еукаріотів, організована у хромосоми (див. розділ 1). Нормальний хромосомний набір людини складається із 46 хромосом: 22 пар аутосом і пари статевих хромосом (XX у жінок та XY у чоловіків). Рівномірно пофарбовані метафазні хромосоми людини за розміром і морфологією поділяються на сім груп (позначаються латинськими літерами від A до G, рис. 7.1).

Рис. 7.1. Рівномірно пофарбовані метафазні хромосоми людини:

(а) - метафазна пластинка; (б) - розкладка хромосом по групах (A-G); окремі хромосоми в межах груп, як правило,

неможливо дискримінувати за такого способу фарбування (за винятком хромосом 1, 2, 3, 16 і Y)

Для більш точної ідентифікації хромосом та їхніх специфічних ділянок застосовують спеціальні методи диференційного забарвлення хромосом, які базуються на використанні певних барвників і процедур попередньої обробки препаратів (рис. 7.2). Найпоширенішим методом диференційного пофарбування є метод G-забарвлення, який дозволяє отримати хромосоми, нерівномірно пофарбовані по довжині. Малюнок чергування темних і світлих смуг є унікальним для кожної пари гомологічних хромосом. Цікаво, що темні та світлі смуги асоційовані з ділянками, збагаченими на AT- і GC-пари відповідно (тобто, відповідно, з геномними зонами, збагаченими на мобільні елементи та кодуючі послідовності). Практично таку саму картину чергування смуг дає метод Q-забарвлення (базується на використанні флуоресцентних барвників). Малюнок сегментів при R-забарвленні є протилежним до такого, що спостерігається при G- і Q-забарвленнях: R-позитивні смуги відповідають GC-збагаченим ділянкам геному. Існують також методи диференційного забарвлення, що дозволяють, наприклад, виявляти центромери та перицентромерний гетерохрома- тин (С-забарвлення) або ядерцеві організатори - місця локалізації кластерів генів рРНК - (ЯОР-забарвлення), які знаходяться у людини в ділянках вторинної перетяжки коротких плечей акроцентричних хромосом (хромосоми 13-15, 21 і 22).

Рис. 7.2. Диференційне забарвлення хромосом людини:

Q-забарвлення (a); G-забарвлення (б); R-забарвлення (в);

С-забарвлення (г); ЯОР-забарвлення (д), ядерцевий організатор вказано стрілкою

Результати аналізу геному людини свідчать про надзвичайно високу подібність послідовностей ДНК у різних індивідуумів: відповідно останнім оцінкам, будь-які дві людини є ідентичними за нуклеотидними послідовностями на 99,5 %, тобто вся сукупність різноманітних фенотипів у людини зумовлюється варіаціями тільки 0,5 % геному.

Першими, ще задовго до появи методів секвенування ДНК (установлення послідовності, див. розділ 9), були описані варіанти геному людини, які характеризуються зміною кількості й структури хромосом. Анеуплоїдії та хромосомні перебудови часто асоційовані з різними захворюваннями, але гетероморфізм гомологічних хромосом (наявність у них сегментів, які відрізняються за розміром, морфологією або особливостями забарвлення) не обов'язково пов'язаний з патологічними змінами фенотипу й достатньо часто зустрічається в людській популяції (хромосомний поліморфзм). Такі великі геномні зміни, що торкаються послідовностей ДНК розміром понад 3 млн пар основ, визначають як мікроскопічні структурні варіанти.

У процесі аналізу нуклеотидних послідовностей людини були виявлені численні "дрібномасштабні" варіанти геномних послідовностей, розмір яких не перевищує 1 тис. пар основ. Приблизно 80 % таких ДНК-варіантів представлено у вигляді поодиноких нуклеотидних замін (SNP). За приблизними оцінками в людській популяції одна нуклеотидна заміна зустрічається на кожні 300 нуклеотидних пар. Крім SNP до "дрібномасштабних" варіантів геному відносять невеликі делеції, дуплікації та інверсії (див. рис. 4.1), варіації кількості мікро- та мінісателітних повторів. SNP і дрібні перебудови спостерігаються також у мітохондріальному геномі.

В останні три-чотири роки були розроблені нові підходи ефективного аналізу структури геному, які дозволили виявити варіації нуклеотидних послідовностей, що мають проміжну довжину між 1 тис. та 3 млн пар основ. Такі геномні варіанти отримали назву субмікроскопічних структурних варіантів. Субмікроскопічні структурні варіанти в основному представлені інверсіями та CNVs (Copy-Number Variants) - варіантами за кількістю копій елементів послідовності порівняно з "еталонним геномом". Нині описано декілька сотень субмікроскопічних структурних варіантів.

При дослідженні індивідуальних геномних варіацій основну увагу приділяють SNP та іншим "дрібномасштабним" геномним варіаціям. Вважається, що саме вони зумовлюють різноманітність фенотипових варіантів, а також можуть бути відповідальними за схильність до деяких хвороб за дії несприятливих факторів середовища. Очевидно, що більша частина "дрібномасштабних" варіацій спостерігається в некодуючих ділянках геному (яких просто значно більше), і такі варіації не впливають на структуру білків. Тому аналіз в основному зосереджують на екзонних варіантах, особливо на несинонімічних нуклеотидних замінах. Проте, накопичуються дані про роль синонімічних замін і замін у некодуючих ділянках у деяких фенотипових проявах (див. розділ 4).

Крім установлення зв'язку поліморфізм - фенотип, "дрібномасштабні" варіації геному використовуються для потреб медичної генетики (при виявлені носіїв рецесивних мутантних генів), популяційної генетики людини (визначення спорідненості між популяціями людей) і судово-медичної експертизи при встановлені особистості або батьківства (у цьому випадку широко використовують поліморфізм за міні- та мік- росателітними локусами). Міні- та мікросателіти є гіперваріабельними тандемними повторами. Їхня різноманітність настільки висока, що кожна людина (крім монозиготних близнюків) має індивідуальний набір варіантів даних послідовностей. За цими наборами одну людину можна відрізнити від іншої так само легко, як і за відбитками пальців, тому методика ідентифікації особистості за міні- та мікросателітними повторами отримала назву ДНК-фінгерпринтингу (див. розділ 9).

Інформація про геном людини, особливо про індивідуальні структурні варіанти геному, розширила наше уявлення про зв'язок генотип - фенотип. Швидкий розвиток методів секвенування ДНК дозволяє говорити про "генетичну паспортизацію" (установлення повних послідовностей геномів кожної людини) як про досить близьку перспективу.