Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами

Микросателлиты, состоящие из двух пар нуклеотидов (динуклеотидные повторы), занимают около 0,5% генома человека. Наиболее частыми динуклеотидами являются АЦ и АТ (50 и 35% всех динуклеотидов, соответственно). А вот динуклеотидный повтор, состоящий из пары ГЦ, в ДНКовом тексте человека занимает всего лишь 0,1%. Наиболее частые из более «сложных» микросателлитов (тринуклеотидных повторов) являются ААТ (33% от всех тринуклеотидных повторов) и ААЦ (21%). Триплет ЦГГ, который довольно редок в геноме, присутствует в гене FMR–1, определяющем синдром ломкости X-хромосомы. У нормальных людей число копий ЦГГ в гене варьирует от 6 до 54. А вот у больных индивидуумов такие триплеты «размножаются» и их число в гене может достигать 200–1300 копий. Подробнее о связи между сателлитными повторами и различными заболеваниями человека мы еще поговорим далее. Но остается загадкой: зачем такие нуклеотидные последовательности вообще нужны геному.

Выше приведенный пример и множество других случаев указывают на то, что микро-и минисателлиты весьма изменчивы, т. е., как говорят, полиморфны. Их распределение и число в геноме каждого конкретного человека столь специфично, что может использоваться в качестве аналога отпечатков пальцев. Как только это было обнаружено, этим фактом сразу воспользовались. В настоящее время ненужная вроде бы фракция генома человека (а на самом деле возможно и нужная, но мы просто о ней мало что знаем) стала востребована человеком для своих практических целей. На основании вариабельности сателлитных ДНК была развита диагностика родственных связей между людьми, склонности человека к различным заболеваниям и др. (см. об этом подробнее далее в разделе о геномной дактилоскопии).

И, наконец, еще один вид сателлитной ДНК был обнаружен при секвенировании генома человека, который получил название мегасателлитов. Эти тандемные повторы имеют размер от 2,5 до 5 тыс. п. н. и повторяются от 50 до 400 раз. Мегасателлиты присутствуют лишь в небольшом числе хромосом (в 4, 8, 19 и X).

Диспергированные повторы

В ДНКовом тексте генома человека содержится множество более длинных повторяющихся нуклеотидных последовательностей, которые в отличие от сателлитных повторов рассеяны (диспергированы) по всему геному. Эти повторы называют вездесущими, так как они присутствуют во всех районах всех хромосом, а иногда обнаруживаются даже и внутри генов. В сумме около половины ДНКового текста генома человека представлено такими повторами.

Исследователи разделяют эти разбросанные по геному (диспергированные) повторы на четыре основных типа. Наиболее представленными в геноме являются длинные диспергированные повторы (сокращенно ДДП). Их длина достигает 6 тыс. п. н., а повторяются они в геноме человека примерно 8,5х105 раз (в сумме ДДП составляют около 21% генома). Далее — это короткие диспергированные повторы (сокращенно КДП) длиной 100–400 п. н. В ДНК человека содержится примерно 1,5х106 копий КДП (это составляет около 13% генома). Имеются еще повторяющиеся элементы, окруженные с двух сторон дополнительными повторами (последние называют длинными концевыми повторами). Их назвали ретротранспозонами. (Как появилось такое сложное название, будет ясно из дальнейшего изложения). Длина этих повторов варьирует от 1,5 до 11 тыс. п. н., а общее число копий в ДНК человека составляет около 4,5х105, (8% генома). Наконец, в геноме человека присутстуют повторы, названные ДНК-транспозонами. Длины разных ДНК-транспозонов существенно отличаются (от 80 до 3000 п. н.). В геноме их меньше, чем других повторов (всего 3%), а общее число составляет 3х105.

Более подробно о структуре и характерных особенностях этих типов повторов мы поговорим далее в связи с одной чрезвычайно важной их особенностью — способностью перемещаться в геноме. Здесь же отметим, что имеется большое различие в распределении всех этих диспергированных повторов вдоль молекул ДНК. Хотя повторы имеются во всех участках хромосом, некоторые места почему-то сильно заселены ими, а другие, наоборот, практически их не содержат. Так, область размером 525 тыс. п.н. в хромосоме 11 на 89% состоит из таких повторяющихся элементов. А вот в хромосоме 2 имеется участок ДНК размером 100 тыс. п.н., в котором расположены кластеры генов некого семейства HOX, ответственных за процессы развития при эмбриогенезе, и который содержит всего около 2% рассеянных повторов. Однозначного объяснения этому нет, можно строить только разные предположения. Например, в случае с блоком генов HOX отсутствие здесь повторов, возможно, связано с очень сложной координированной регуляцией в этой области, а наличие бесполезных повторов могло бы нарушить такую регуляцию.

Диспергированные повторы умеют «прыгать»

В соответствии с законами классической генетики ожидалось, что в геноме все должно быть четко размечено, все гены-предложения должны располагаться в строго определенных местах текста. И большинство элементов генома действительно подчиняется этому общему правилу. Но из общего правила всегда есть исключения. Оказалось, что некоторые участки ДНК могут «путешествовать», меняя свое место, вытесняя друг друга. Подавляющее большинство генов никогда не покидают родную хромосому. Но в отличие от них определенные специфические нуклеотидные последовательности ДНК изредка с корнем вырываются из генома, выпрыгивают из одной хромосомы и приземляются в случайном месте на другой. При этом они могут влезть в середину гена, вызывая хаос, а могут примкнуть с края, слегка видоизменяя его регуляцию.

Впервые данное явление обнаружила у растений американская исследовательница Барбара Мак-Клинток еще в конце 30-х годов. Но очень долгое время ей никто не верил, исходя из общего принципа: «этого не может быть, поскольку не может быть никогда». Генетикам трудно было даже представить, чтобы гены прыгали с места на место, «ломая» наследственную информацию. Маститые ученые, если речь заходила о Мак-Клинток, с иронией приводили «прыгающие гены», «скачущие гены» как пример научной торопливости, некритического отношения к собственным результатам, стремления прославиться. Но прошло время и российские ученые (академик Г. П. Георгиев и член-корреспондент В. А. Гвоздев) обнаружили перемещения некоторых участков и в ДНК животного организма (дрозофилы). В конечном итоге научная общественность воздала Мак-Клинток должное. Она дождалась своего звездного часа и получила за свое открытие под конец своей жизни Нобелевскую премию (1983 г.).

Таким образом, было установлено, что отдельные участки генома высших организмов, подобно некоторым индивидуумам в нашем обществе, могут не хотеть жить по общим правилам. Их мало интересует постоянная прописка, и при определенной ситуации они берут и просто «переезжают» в любое заинтересовавшее их по каким-то причинам место или, как говорят, «перепрыгивают» в иные, видимо, более удобные для них районы ДНК. Другими словами, стало ясно, что геном не так уж и стабилен, законсервирован, как он казался многим исследователям до этого.

У человека возможность перестроек в геноме впервые была продемонстрирована при изучении генов иммуноглобулинов, связанных непосредственно с иммунной системой организма. Оказалось, что в процессе индивидуального развития в лимфоцитах (белые кровяные шарики) происходит перетасовка отдельных участков этих генов, в результате чего и формируются тысячи и даже миллионы новых вариантов иммуноглобулинов-антител, убивающих многочисленные чужеродные вмешательства различных живых агентов в человеческий организм. Это позволяет за счет сравнительно небольшого набора исходных генов обеспечивать образование огромного разнообразия всесторонне направленных иммуноглобулинов. Другие хорошо известные гены никогда не «прыгают». Такая ситуация оказалась уникальной именно для иммуноглобулиновых генов. Основное перемещение в геноме человека осуществляют не гены, а элементы совершенно другого типа, получившие название транспозонов. К ним относят различные элементы, входящие во все четыре выше перечисленных основных типа диспергированных повторов генома. Транспозоны способны к разным инновациям в геноме. Перемещаясь, они могут изменять регуляцию других генов и даже принимать участие в создании новых генов. Так, после полного секвенирования генома человека в нем удалось обнаружить около пятидесяти генов, произошедших из транспозонов. Несколько сотен генов в геноме человека используют длинные концевые повторы транспозонов в качестве терминаторов при транскрипции.