Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013

Информационные принципы в биотехнологии
Анализ геномов
Сравнительная геномика эукариот

Сравнение геномов дрожжей, плодовой мушки, червя и человека выявило 1308 групп белков, которые присутствуют во всех организмах. Они формируют консервативную часть протеомов, которые отвечают за основные функции: метаболизм, репликация и репарация ДНК, трансляция.

Эти белки состоят из отдельных доменов, включающих в себя однодоменные белки, олигомерные белки и модульные белки с множеством доменов (самый большой из них, мышечный белок титин, содержит 250-300 доменов). Белки плодовой мушки и червя построены из структур, в которых в три раза больше доменов, чем в белках дрожжей.

Человеческие белки содержат, в свою очередь, в два раза больше доменов, чем белки дрозофилы и нематоды. Большинство этих доменов присутствуют также в бактериях и археях, но некоторые специфичны только для позвоночных (возможно, найдены только в них) (таблица 19). Они включают в себя белки, которые ответственны за процессы, наблюдаемые у позвоночных (например, защитные и иммунные белки, а также белки в нервной системе); и только один из них является ферментом - фермент рибонуклеаза, катализирующий деградацию РНК.

Таблица 19 - Вероятные гомологи белков человека

Для создания новых белков в биотехнологии не часто необходимо изобретение новых доменов. Обычно создаются все более сложные комбинации уже существующих доменов. Общий механизм состоит в присоединении доменов к концам исходных белков. Этот процесс может происходить независимо и разнонаправленно в разных ветвях живой природы.

На рисунке 80 представлен механизм эволюции белков путём приращения доменов, для примера, белков, родственных перегрину (perigrin) (белку человека, который, возможно, отвечает за регуляцию транскрипции).

Рисунок 80 - Эволюция путём приращения доменов

Гомолог С. elegans, Lin-49, важен для нормального развития червя. Функция гомолога дрожжей неизвестна. Белки содержат следующие домены:

- ZNF - мотив С2Н2 (здесь С - цистеин, Н - гистидин), формирующий цинковый палец;

- ЕР1 и ЕР2 - энхансеры поликомба 1 и 2 (поликомбы - это семейство белков, которые способны ремоделировать хроматин);

- PHD - растительный гомеодомен (репрессорный домен, содержащий цинковый палец С4Н3С3);

- BR - бромодомен (белковый мотив, распознающий ацетилированные лизины);

- PWWP - домен, содержащий последовательность Pro-Trp-Trp-Рго.

Дупликация генов, за которой следует их дивергенция, - самый распространённый механизм создания семейств белков. Например, в геноме человека есть 906 генов (вместе с псевдогенами) для обонятельных рецепторов, которые могут связываться с примерно 10 000 различных молекул, вызывающих ощущение запаха.

Было показано наличие гомологов этих белков у дрожжей и плесневых грибков (некоторые из них связаны с запахом), но именно потребность позвоночных в высокоразвитом обонянии преумножило и специализировало это семейство. 80% генов обонятельных рецепторов у человека находятся в кластерах. Сравните с этим очень маленький размер кластера генов глобина (рисунок 77), которому не требуется такое огромное разнообразие.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое однонуклеотидный полиморфизм?

2. Какой снип (SNP) приводит к серповидно-клеточной анемии?

3. Почему плотность снипов (SNP) внутри областей, содержащих гены, выше средней?

4. Как данные об SNP используются в эволюционной биологии?

5. Каким образом специфические для каждой популяции данные о снипах дают информацию о миграциях?

6. Почему антропологическая генетика изолированных популяций даёт ценные данные для медицины?

7. Какие проблемы позволяет исследовать сравнительная геномика с использованием секвенированых геномов?

8. Что такое минимальный организм?

9. Какие гены называются операционными генами?

10. Какие функциональные классы генов должен включать минимальный геном?

11. Какие гены называются информационными?

12. Чем по существу отличаются функции архейной и эубактериальной групп генов в геноме дрожжей?

13. Какие три типа молекулярных процессов являются жизненно важными (ключевыми) для существования организма?

14. Что такое горизонтальный перенос генов?

15. Почему, несмотря на то, что важность горизонтального переноса генов ясна и очевидна, данный механизм рассматривался долгое время как редкий и не играющий особой роли в эволюции?

16. Какие функции обеспечивает консервативная часть протеомов эукариот?

17. Как доменная организация используется для создания новых белков?

18. Какой самый распространённый механизм создания семейств белков?